平煤股份十二礦開采薄煤層保護層瓦斯治理技術

張創業 孫 朋 唐建平 胡良平

(1.平頂山天安煤業股份有限公司十二礦，河南省平頂山市，467000；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037)

隨著煤礦開采深度的增加，煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增大，礦井煤與瓦斯突出的危險性也隨之增大，單靠傳統的風排瓦斯已經遠不能滿足瓦斯治理的需求。對于具備保護層開采條件的煤層，保護層開采是最有效、最經濟的防治煤與瓦斯突出治理方法，我國《煤礦安全規程》規定：“對于有突出危險的煤層，應采取開采保護層或預抽煤層瓦斯等區域性防治突出措施”、“在突出礦井開采煤層群時，應優先選擇開采保護層防治突出措施。” 保護層開采是指首先開采與突出煤層相鄰而又無突出危險的煤層，由于采動的影響，使煤層地應力、瓦斯壓力大幅度降低，煤層的透氣性顯著提升，利用保護層開采的卸壓增透作用，使被保護層的透氣性增加成百上千倍。國內研究人員和工程技術人員對突出煤層保護層開采做了大量的研究，如遠距離下煤層保護層開采技術、近距離突出危險性煤層群上保護層開采技術、急傾斜煤層俯偽斜下保護層技術、千米深井煤層保護層開采技術等。這些技術不僅有效地解決了煤與瓦斯突出現場實際問題，同時豐富了我國區域防突瓦斯治理技術。

目前絕大部分研究都是針對常規厚度煤層，對于薄煤層來講，將其作為保護層研究的相對較少。薄煤層工作面回采過程中不僅容易使煤中含有大量的矸石，而且容易造成工作面瓦斯濃度超限，如果采取強制增透措施，可能會使頂板垮落和損傷煤層，造成不必要的損失。平煤股份十二礦將己14薄煤層作為上保護層開采，保護下己15煤層，同時在薄煤層開采過程中采取相應的措施，為回采工作面的開采提供相應的安全保障。

1 礦井試驗區域概況

十二礦是中國平煤神馬集團第一對煤與瓦斯突出礦井。自1989年1月3日己六采區己15-17-16101回風巷首次發生煤與瓦斯突出以來，共發生煤與瓦斯突出27次。目前，礦井已進入深部開采區域(垂深已達1100 m)，主要在己七采區深部和三水平進行采掘活動，己14煤層位于山西組中下部，井田南部鉆孔及井下工程偶見己14煤層，井田北部鉆孔及井下工程均已見己14煤層，煤層厚度0～1 m，平均厚度0.3 m，工作面可采走向長571.9 m，傾斜寬150 m，煤層傾角平均6°。無突出危險，己14煤層頂板為白色細砂巖，含白云母片及植物化石，層位穩定，巖性堅硬，堅固性系數為6～10。己15煤層上距己14煤層8～14 m，平均煤厚3.4 m，煤層可采性指數1，煤厚變異系數10.3%～23.6%，煤層原始瓦斯壓力為1.78 MPa，煤層原始瓦斯含量15.256 m3/t，屬高瓦斯含量突出煤層。煤層頂板為砂質泥巖，底板為泥巖或砂質泥巖。己16-17煤層上距己15煤層0～12.7 m，平均煤厚2.0 m，由于己14-31010里段200 m頂板硬度較大，局部含白砂巖段，保護層開采難度大，確定自原己14-31010切眼向外200 m做切眼實施保護層開采。

2 上保護層薄煤層瓦斯治理

2.1 上保護層區域瓦斯抽采技術

采用以保護層開采為主的技術線路，優先開采己14上保護層，進而保護己15煤層及己16-17煤層，實現安全開采。由于己15煤層較厚，瓦斯壓力大，底板穿層鉆孔無法一次性穿透己15煤層進入己14煤層；己14煤層和己15煤層層間距不穩定，最近僅為8 m，在己14煤層和己15煤層之間布置巖石巷道容易造成誤揭煤層。己14-31010工作面走向長1100 m，傾向長240 m，在己15-31010回風巷向己14-31010采面打穿層鉆孔，設計孔徑89 mm，孔間距1.4 m，每7個鉆孔為一組。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 己15回風巷向上穿層鉆孔布置示意圖

2.2 上保護層回采期間瓦斯治理技術

上保護層回采期間將己14-31010下進風巷沿空留巷段作為頂板高抽巷，采空區側每隔10 m施工孔徑89 mm、孔深40 m的頂板走向穿層鉆孔，對己15煤層裂隙帶內逸散至保護層己14-31010采面采空區上方裂隙帶的瓦斯進行抽采，同時配以采空區埋管抽采采空區瓦斯。頂板高抽巷以工作面采動形成的頂板裂隙(在前期己15-31010回風巷穿層鉆孔增加了己14-31010煤層頂板裂隙的發育，為瓦斯向上流動增加了更多的通道)為通道來抽采瓦斯，留巷墻體埋管抽采采空區內瓦斯，即在充填留巷期間，在充填墻體預埋抽采管路，抽采采空區內部積聚的瓦斯。為保證較高的瓦斯抽采率，保證工作面本質安全型生產，設計在留巷墻體每間隔10 m預埋抽采管路，當墻體充填開始時，在采空區側模板內預埋抽采管，當墻體初凝脫模時，保留埋管孔。減少采空區瓦斯涌向工作面及上隅角。

2.3 薄保護層煤層開采技術

在開采薄煤層工作面時，因其和常規煤層不同，同時己15煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高、地應力大、煤層透氣性差，平煤股份十二礦在己14煤層回采過程中使用了“三機配套”、沿空留巷Y型通風技術及堅硬頂板強制放頂技術，不僅保證了薄煤層順利采出的煤質，同時有效解除了礦壓消極影響，提高了沿空留巷質量，解決了本煤層采空區卸壓瓦斯大量涌出、回風隅角瓦斯積聚等問題，實現了近距離被保護層己15煤層卸壓瓦斯協同高效控制、高效消突的目的。

圖2 采空區埋管抽采示意圖

(1)生產組織措施。在充分借鑒國內外工作面回采的基礎上，十二礦提出了綜采設備選型以設備的大功率、高強度、高耐磨為原則，以達到低采高、直接破巖為目標，采煤機、刮板輸送機、轉載機為一體，采用天地瑪珂公司的三機聯動遠程集中控制系統，在工作面采用走向長壁后退式采煤法，采面于2016年2月4日開始試生產，截至2017年3月底回采完畢。工作面配備85人，單班最高出煤4刀(2.4 m)，日最高出煤7刀(4.2 m)，月最高推進70.5 m。工作面具備月推進度100 m的水平。

(2)沿空留巷Y型通風技術。沿空留巷技術具有煤炭采出率高、巷道掘進率低、掘進矸石少、工作面銜接合理等優點。Y型通風方式在壓差及濃度梯度的共同作用下，采空區瓦斯較均勻地直接流向沿空回風巷，解決了上隅角瓦斯渦流問題，促使采空區瓦斯涌入回風巷中，使上隅角瓦斯濃度超限問題得到解決。沿空留巷Y型通風方式很適合薄煤層的開采，十二礦在借鑒了屯蘭礦薄煤層沿空留巷Y型通風成功經驗的基礎上，結合己14-31010薄煤層的實際情況，采用二進一回的Y型通風方式。即在工作面回采過程中，采用混凝土材料充填保留己14-31010工作面下進風巷作為己15-31010工作面回風巷，工作面上進風巷為主進風巷，下進風巷為輔助進風巷。在配合采空區埋管抽采的基礎上，采空區瓦斯濃度未超過0.6%，完全符合標準。同時起到了被保護層己15-31010工作面的瓦斯卸壓、解放了己15-31010煤層的目的，從而實現安全開采。

(3)堅硬頂板強制放頂技術。薄保護層己14-31010工作面在開采過程中，頂板較為堅硬，由此帶來了突然垮落瓦斯超限、壓壞巷道等一系列問題，針對此類情形，平煤股份十二礦對薄煤層頂板采取了強制放頂，在進風巷采用深孔爆破的方法強迫采空區老頂垮落。為了解決裝藥過程中的卡孔問題，采用了專門的PVC套管技術，即運用PVC炮棍將裝有的水膠炸藥和PVC管依次送入孔內，之后運用炮泥機進行封孔，除沿空留巷墻體有部分片幫外，爆破效果良好。之后對工作面礦壓進行監測，初次來壓步距由原來的68 m變為現在的58 m，周期來壓步距由原來的35 m變為現在的20～30 m。根據現場監測，墻體側最終變形量為67 mm，下幫最終變形量為96 mm，兩幫最終變形量為163 mm，頂板最大下沉速度8 mm/d。

3 瓦斯治理綜合分析

(1)由于施工時間長，原抽采時，大部分鉆孔已抽不出瓦斯。保護層開采后，瓦斯抽采量急劇上升，開采被保護層己15-31010工作面風流瓦斯濃度由0.12%升至0.38%，升高216.7%，己15-31010工作面月風排瓦斯量由4萬m3升至28.5萬m3，升高612.5%，工作面瓦斯抽采率由18.5%升至75.5%，升高308.11%。保護層己14-31010工作面月風排瓦斯量由14.92萬m3增加35.23萬m3，風排瓦斯量增加2.36倍，月抽采量由6萬m3增加68.89萬m3，瓦斯抽采量增加11.48倍。己15煤層評價區域實測殘余瓦斯含量最大4.96 m3/t，殘余瓦斯壓力最大0.4 MPa。

(2)在成本控制方面，保護層開采治理瓦斯費用總額為20486.33萬元，噸煤成本171.72元/t。底抽巷方案治理瓦斯費用總額為23697.73萬元，噸煤成本198.64元/t。保護層方案費用比底抽巷方案總費用低3211.4萬元，噸煤成本比底抽巷低26.92元/t。

(3)在建設工期方面，開采保護層治理瓦斯方案總工期63個月，底抽巷治理瓦斯方案總工期67.3個月，節省工期4.3個月。

(4)在安全方面，采用底抽巷治理，己15-31010采面配風量2414 m3/min，回風外口平均瓦斯濃度0.49%，采面上隅角瓦斯濃度0.9%～1.5%，平均瓦斯濃度1.3%；風排瓦斯量11.8 m3/min；保護層方案己15-31010采面配風1930 m3/min，下降了484 m3/min；回風外口平均瓦斯濃度0.26%，下降了0.23%；采面上隅角瓦斯濃度0.5%～0.8%，平均瓦斯濃度0.6%，下降了0.7%；風排瓦斯量5.0 m3/min，下降6.8 m3/min。

4 結論

(1)利用保護層開采的基本理論，選擇己14薄煤層作為己15煤層的上保護層。在其保護范圍內的己15煤層瓦斯抽采量、工作面風排瓦斯量及瓦斯抽采率得到了極大提高，殘余瓦斯含量最大4.96 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.4 MPa，己15煤層的突出危險性降低，采面上隅角瓦斯濃度為0.5%～0.8%，杜絕了上隅角瓦斯超限問題。同時與底抽巷對比分析，在成本控制、建設工期、安全等方面保護層開采具有較大的優勢。

(2)在己14-31010保護層薄煤層開采過程中，在己15-31010回風巷穿層鉆孔對己14-31010保護層工作面進行瓦斯抽采，采用留巷墻體埋管抽采采空區內瓦斯，同時使用了“三機配套”、沿空留巷Y型通風技術及堅硬頂板強制放頂技術進行薄煤層開采，取得了良好的效果，對其他薄煤層保護層開采的瓦斯治理具有一定的借鑒意義。

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