晉中礦區突出煤層上保護層開采總體方案研究

劉艷紅

(山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030024)

·試驗研究·

晉中礦區突出煤層上保護層開采總體方案研究

劉艷紅

(山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030024)

以山西焦煤集團晉中某礦采礦地質條件為研究背景，綜合考慮該區域的特殊煤層地質條件，分別針對該區域礦井高瓦斯、低透氣性、煤層自然發火嚴重、水文地質條件復雜等因素進行分析研究，確定采用近距離保護層開采技術作為該礦井的有效防突手段，并對開采作業方式、工作面通風和瓦斯抽采提出了實施方案。該研究成果為該礦區實行保護層防突技術提供了合理的理論驗證和技術支撐。

高瓦斯；低透氣性；自然發火；近保護層開采；防突技術

所謂保護層防突技術，是通過首先開采一個或多個煤層(軟層)，從而消除鄰近煤層的突出危險而實行的防突技術措施[1-3]. 保護層的超前開采，使上、下巖層產生強烈拉張破壞，原來的擠壓應力變成了拉張應力；上覆煤巖層垮落、破裂、下沉彎曲或者下覆煤(巖)層破裂、上鼓，使得煤(巖)層的大量裂隙張開，地應力在大范圍內有效釋放，無論是構造還是地應力對瓦斯的封閉作用都會被釋放，被保護層的透氣性系數成數百倍甚至數千倍的增大，瓦斯壓力會急劇下降，大量的吸附瓦斯被解吸；最終，被保護層突出危險性得到降低甚至消除[4-7].

到目前為止，世界上幾乎所有開采有突出或者沖擊地壓危險煤層的國家，在煤層賦存條件允許的條件下都優先開采保護層[8]. 高保彬等[9]采用相似模擬和現場實踐相結合的方法，對晉煤集團海天煤業進行了下保護層開采關鍵技術研究，得到了很好的卸壓增透效果；胡國忠等[10]通過建立煤體孔隙率與滲透率的動態變化模型，最終形成了以極限瓦斯壓力值為判定值的保護層開采保護范圍的判別準則；杜澤生[11]等研究隨著保護層的推進，被保護層的煤層滲透率變化情況；劉洪永等[12]通過分析煤層開采地質條件，建立了以當量相對層間距為指標的保護層分類判定法；王志亮等[13]通過建立保護層開采測評指標體系，對淮南礦區的保護層開采效果進行了分析；吳建亭[14]通過分析近距離保護層開采過程中，被保護層瓦斯的釋放，提出了合理的瓦斯綜合治理技術，從而有效地解決了近距離保護層開采時瓦斯超限問題。

目前，我國保護層開采大多數對近水平煤層和緩傾斜煤層的中、遠距離保護層開采進行了大量的試驗研究，對于傾斜煤層特別是近距離、極近距離的保護層開采進行的現場研究相對較少[15]；特別是當瓦斯大、煤層透氣性差、煤層自然發火嚴重時，保護層開采技術未能得到很好的實施應用。本文以山西焦煤集團晉中礦區某礦為工程背景，綜合分析該礦所采煤層的特殊地質條件，提出采用近距離上保護層開采技術作為該礦井的防突技術手段，將14#煤層作為上保護層進行開采方案設計，從而最大限度地將15#煤層解放出來，達到區域防突和瓦斯治理的目的，為該區域具有相似地質條件的礦區或礦井提供一定的技術支撐。

1 工程概況

1.1 礦井概況

山西焦煤集團晉中某礦為多煤層賦存區域，其中主采煤層為14#、15#煤層，煤層層間距為5.97～12.03 m，平均間距為9.46 m；14#煤層為薄煤層，煤層厚度為0.25～0.86 m，平均厚度為0.64 m，為非突出危險性煤層；15#煤層為厚煤層，煤層厚度為3.17～7.40 m，平均厚度為6.01 m，為突出危險性煤層。

根據保護層開采條件及14#煤層與15#煤層賦存條件，得出14#煤層具備良好的保護層開采自然條件，可將14#煤層作為保護層，進行近距離保護層開采。采用下行開采順序，進行上保護層開采，可以最大限度地解放15#煤層，提高瓦斯抽放效果，消除突出危險性，見圖1.

圖1 保護層開采效果分析示意圖

1.2 工作面概況

礦井目前掘進作業在15#煤層進行，開拓巷道、準備巷道及回采巷道都已布置完畢，現已形成11采區，布置有1101回采工作面，并已進行開采作業；其井田范圍內所規劃的15#煤層開采區域內的上覆14#煤層具體良好的開采條件。因此，可以在15#煤層中布置12采區，將該采區1201首采工作面作為被保護區域的觀測點。在14#煤層進行采掘部署時，可在15#煤層1201回采工作面上覆保護區域內布置14#煤層首采工作面，并進行回采作業，從而可以通過觀測14#煤層首采工作面回采前后15#煤層中1201回采工作面的煤層增透效果、瓦斯釋放效果及防突效果作為分析指標，綜合考察保護層開采的效果，見圖2.

圖2 保護層開采工作面布置壓茬關系示意圖

2 保護層防突設計

2.1 設計前的準備和計算

在對保護層開采設計之前，首先采用RMT-150B巖石力學試驗系統，對現場采集到的具有代表性的巖石(煤)試樣進行巖石力學基本參數測定，獲取試樣變形規律和破壞特征；然后采用FLAC3D、UDEC數值分析軟件及應力-應變相似試驗臺，分別模擬開采保護層條件下圍巖移動規律、頂底板破壞特征等，為確定開采保護層防突技術研究的主要技術參數提供理論依據；最后，分別對保護層和被保護層進行首采工作面開采優化設計，并合理設計工作面通風、瓦斯抽采方式，從而達到15#煤層的防突目的。

2.2 開采規劃設計

2.2.1 保護層開采規劃設計

1) 采掘部署。

利用現有井筒、15#煤層井底車場、主要大巷及采區上山，直接向15#煤層頂板開拓斜巷，穿透14#煤層，在14#煤層中直接進行合理的采區和區段劃分，并布置開拓巷道、準備巷道及回采巷道，然后在15#煤層1201回采工作面上方布置14#煤層的首采工作面。

2) 采面布置。

已知15#煤層采掘規劃中1201回采工作面傾斜長約為180 m，走向長約為950 m.根據《防突規定》(附錄D：保護層保護范圍的確定)，得到開采保護范圍(見圖3)，進而確定14#煤層首采工作面(見圖4)傾斜長約為190 m，走向長約為960 m.

圖3 保護范圍示意圖

圖4 14#煤層首采工作面布置示意圖

2.2.2 被保護層開采規劃設計

1) 采掘部署。

15#煤層11采區已部署完畢，并已開始進行回采。為滿足合理的采掘接替，并對保護層開采效果進行觀測，現需對12采區進行采掘部署，本次設計著重對12采區1201首采工作面進行部署。

2) 采面布置。

按礦井原有采掘接替計劃，15#煤層12采區1201首采工作面布置示意圖見圖5，其中工作面傾斜長180 m，走向長950 m.

圖5 15#煤層首采工作面布置示意圖

2.3 工作面通風設計

14#煤層和15#煤層首采工作面平面布置方式基本相同，空間中存在一定的壓茬關系，共用一個采區和礦井通風系統。對各自的回采工作面，則采用“U+高抽巷”的通風方式：膠帶順槽進風，軌道順槽和高抽巷回風，同時，膠帶順槽負責運煤，軌道順槽負責運料、排矸，高抽巷負責瓦斯抽放。

2.4 工作面瓦斯抽采

為降低工作面瓦斯含量，防止工作面瓦斯超限，同時達到消除突出危險的目的，對14#煤層和15#煤層進行抽采方法的選擇。

1) 地面鉆井預抽煤層瓦斯。

采用地面鉆井對14#和15#煤層進行預抽。

2) 順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯。

設計該礦井14#和15#煤層均采用順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯(見圖6)作為回采工作面區域防突措施，在回采工作面利用工作面運輸順槽和回風順槽施工順層鉆孔，在工作面回采前對本煤層瓦斯進行預抽，回采過程中進行邊采邊抽，從而提高工作面本煤層瓦斯抽采量，減少開采層的瓦斯涌出。

圖6 順層鉆孔布置示意圖

3) 順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯。

15#煤層為突出煤層，在開采14#煤層對其進行卸壓保護的同時，必須對15#煤層煤巷掘進工作面進行預抽消突(見圖7)，消除突出危險后方可掘進。

圖7 超前抽采鉆孔布置示意圖

4) 鄰近層瓦斯抽采。

礦井對14#煤層進行采掘部署時，15#煤層瓦斯會大量涌入14#煤層采掘空間。因此，必須采用底板巷穿層鉆孔預抽14#煤巷條帶區域防突措施，即利用15#煤層回采工作面回風順槽，向上施工穿層鉆孔，對14#煤層瓦斯進行區段預抽。

5) 采空區瓦斯抽采。

采空區瓦斯抽采采用采空區預埋管法(將抽采管在頂板冒落之前直接預埋或砌筑于采空區內對采空區瓦斯進行抽采)(見圖8)，并結合高抽巷對現采空區瓦斯進行抽采，可以有效解決上隅瓦斯超限問題。

由于14#和15#均為自燃煤層，自然發火等級為二級，采空區抽采易引起自燃。因此，還需進行專項的防滅火設計，合理控制抽采負壓，降低抽采對自然發火的影響，同時定期監測采空區一氧化碳濃度等參數，一旦發現濃度超標情況，立即采取措施。

圖8 預埋管法采空區瓦斯抽采示意圖

3 結 論

為使晉中礦區15#煤層達到區域防突的目的，從保護層開采的基本原理出發，經過理論研究、巖石力學實驗、數值模擬分析，將保護層開采作為該礦井的主要防突技術手段，系統地對保護層開采過程中工作面的布置、通風方式的選擇、抽采方法的選擇進行了合理的研究、規劃及設計。最終，期望通過實行保護層防突技術，達到以下幾個技術和經濟指標：

1) 被保護層(15#煤層)瓦斯至少40%涌入到保護層工作面。

2) 被保護層煤層透氣性系數將會大幅增加，預計透氣性系數將增加50～100倍。

3) 被保護層突出指標將降至臨界值以下，達到防突效果。

4) 保障被保護層15#煤層的安全開采。

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StudyonMiningGeneralSchemeofUpperProtectiveinJinzhongDiggingsLayerOutburstCoalMine

LIUYanhong

A coal mine in Jinzhong is as the research background. Comprehensive considering the special geological conditions, analyzes the elements such as high gas, low permeability, serious spontaneous combustion, complex hydrogeology condition. The technique of protection layer mining in short distance is adopted to as the effective outburst prevention measure. Then the implementation plans of mining operation mode, working face ventilation and gas drainage are put forward. The research results provide reasonable theoretical test and technical support for similar coal mine to use outburst prevention technique of protective layer to removing outburst.

High gas; Low permeability; Spontaneous combustion; Protection layer mining in short distance; Outburst Prevention Technique

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0026-05

2017-06-09

劉艷紅(1974—)，男，遼寧法庫人，1997年畢業于華北礦業高等專科學校，工程師，主要從事煤礦通風安全工作(E-mail)693234187@qq.com