中峪井田高瓦斯突出煤層群保護(hù)層優(yōu)選方案確定

張俊澤，周馬寧

（霍州煤電集團(tuán)沁安煤電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引 言

瓦斯是煤礦的主要自然災(zāi)害之一，長(zhǎng)期以來嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和影響著礦井的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)煤礦井下瓦斯的賦存狀態(tài)、涌出變化規(guī)律及相關(guān)防治技術(shù)的研究對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義，尤其對(duì)于高瓦斯突出礦井而言，更需要重點(diǎn)關(guān)注。

在工作面回采動(dòng)壓影響下，煤層底板會(huì)發(fā)生破壞變形，有采動(dòng)裂隙產(chǎn)生，這些裂隙對(duì)于高瓦斯突出煤層而言，是瓦斯溢散及釋放的通道。與此同時(shí)，工作面開采后形成采空區(qū)，直接頂冒落，上覆巖層發(fā)生破斷變形下沉，底板發(fā)生膨脹變形，采空區(qū)上部及下部形成應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力得到有效釋放。提前開采保護(hù)層進(jìn)行卸壓消突的意義就在于此。基于上述分析，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件允許時(shí)，提前對(duì)保護(hù)層進(jìn)行開采是最行之有效的區(qū)域性防突措施。為減小保護(hù)層開采過程中保護(hù)層的瓦斯隨底板采動(dòng)裂隙涌向現(xiàn)開采層，同時(shí)考慮防突工作，必須對(duì)被保護(hù)層的瓦斯進(jìn)行抽放。對(duì)于沒有保護(hù)層的工作面，在進(jìn)行采掘作業(yè)前需要提前對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。可以通過巖巷工程或煤巷工程配合鉆孔對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行大面積預(yù)抽，當(dāng)煤層剩余瓦斯含量和壓力降低到一定程度時(shí)，是能夠消除煤層突出危險(xiǎn)性的。對(duì)多煤層條件煤礦的開采，更有條件實(shí)施開采保護(hù)層，進(jìn)行區(qū)域綜合防突措施。

1 礦井概況

中峪煤礦位于長(zhǎng)治市沁源縣境內(nèi)，主采煤層為2# 煤層，此外，井田內(nèi)的 1#、9+10#、11# 煤層也基本屬于全區(qū)可采煤層，可采煤層特征表如表1 所示。中煤科工集團(tuán)重慶研究院對(duì)中峪煤礦所采的1#、2#、9+10#、11# 煤層做了《建井前煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)估》報(bào)告，根據(jù)報(bào)告中研究結(jié)果可知，中峪煤礦所開采的這4 層煤層均具有突出危險(xiǎn)性，具體如表2 所示。由《煤礦安全規(guī)程》和《煤與瓦斯突出細(xì)則》相關(guān)規(guī)定可知，對(duì)于具有保護(hù)層開采條件的突出危險(xiǎn)性區(qū)域，必須進(jìn)行保護(hù)層開采。因此需要先確定合理的保護(hù)層開采層位及順序，以實(shí)現(xiàn)井田內(nèi)煤層的安全高效回采。

表1 可采煤層特征表

表2 煤層突出危險(xiǎn)性評(píng)估指標(biāo)匯總表

2 開采保護(hù)層防治煤與瓦斯突出作用機(jī)制

大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)于具有突出危險(xiǎn)性的煤層而言，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上最合理有效的方法即進(jìn)行保護(hù)層開采，作為區(qū)域性防突措施而言，通過該方法的使用，可以避免工作面開采過程中長(zhǎng)期與突出危險(xiǎn)性煤層處于短兵相接的狀態(tài)，可有效提高礦井防突系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，當(dāng)保護(hù)層煤層開采后，被保護(hù)層煤層會(huì)有顯著的變化，如煤巖層應(yīng)力狀態(tài)、煤層圍巖結(jié)構(gòu)及瓦斯賦存狀態(tài)及參數(shù)均會(huì)出現(xiàn)顯著的變化。從卸壓變化的時(shí)間上來看，個(gè)別情況下在保護(hù)層工作面前方10～20m 范圍即可出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象，正常情況下卸壓作用主要在工作面后方顯現(xiàn)，當(dāng)煤巖體膨脹變形速度加快時(shí)，煤層內(nèi)瓦斯含量參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生明顯的變化。其變化順序如下：

對(duì)保護(hù)層進(jìn)行開采→巖層發(fā)生移動(dòng)變形→被保護(hù)層發(fā)生卸壓（煤巖體發(fā)生卸壓、煤體膨脹變形現(xiàn)象加劇）→煤體透氣性增加、瓦斯溢散性增加→被保護(hù)層瓦斯抽排能力得到提高→被保護(hù)層煤體內(nèi)瓦斯含量及壓力均得到減小→煤體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)一步得到降低，其作用效果如圖1 所示。

圖1 保護(hù)層開采瓦斯防突機(jī)理

由上述的分析可知，預(yù)先開采保護(hù)層的作用是為了煤巖體卸壓和提高瓦斯抽排效果，但其中最核心和重要的作用即卸壓，煤巖體卸壓后會(huì)帶動(dòng)其他瓦斯因素的變化。因此，對(duì)于突出煤層而言，當(dāng)煤體發(fā)生卸壓后，煤體結(jié)構(gòu)和其內(nèi)部瓦斯動(dòng)力參數(shù)均會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)相鄰煤層的層間距較大或中間有堅(jiān)硬巖層存在時(shí)，保護(hù)層的開采無疑會(huì)起到卸壓和增加煤體透氣性的作用，即便瓦斯抽放還存在一定的困難，但必然會(huì)降低突出煤層的突出危險(xiǎn)性。

3 保護(hù)層優(yōu)選方案確定

中峪煤礦為突出礦井，可采煤層為4 層，分別為 1#、2#、9+10#、11#，4 層煤全部為突出煤層，其中1#、2# 煤層平均間距為 15.44m，2#、9+10# 煤層平均間 距 為 88.87m，9+10#、11# 煤 層 平 均 間 距 為19.51m。依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的保護(hù)層選擇原則、中峪煤礦4 層煤瓦斯賦存及層間距的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別從層間距和瓦斯兩個(gè)方面來進(jìn)行保護(hù)層的預(yù)選。

3.1 層間距關(guān)系保護(hù)層預(yù)選

根據(jù)圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線圖可以看出：當(dāng)開采1# 煤層作為保護(hù)層時(shí)，1#、2# 煤層層間距為 10～20m，平均為 15.14m，按照平均值計(jì)算排放率，當(dāng)開采1# 煤層作為上保護(hù)層，2# 煤層的排放率可以達(dá)到50%左右，由于9+10#、11# 煤層相距1# 煤層平均達(dá)到104.31m，1# 煤層的開采對(duì)9+10#、11# 煤層幾乎不產(chǎn)生影響。

圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線圖

當(dāng)開采2# 煤層作為1# 煤層保護(hù)層時(shí)，1#、2#煤層層間距為10～20m，平均為15.14m，按照平均值計(jì)算排放率，當(dāng)開采2# 煤層作為下保護(hù)層時(shí)，1# 煤層的排放率可以達(dá)到95%左右，9+10# 煤層相距2#煤層平均達(dá)到88.87m，2# 煤層的開采對(duì)9+10#、11#煤層幾乎不產(chǎn)生影響。

當(dāng)開采9+10# 煤層作為保護(hù)層時(shí)，9+10#、11#煤層層間距為13.4～29.67m，平均為19.51m，按照平均值計(jì)算排放率，當(dāng)開采9+10## 煤層作為上保護(hù)層，根據(jù)圖2 可知，11# 煤層的排放率可以達(dá)到35%左右， 由于 9+10# 煤層相距 2# 煤層平均達(dá)到88.87m，根據(jù)圖 2 可知，9+10# 煤層的開采對(duì) 1#、2#煤層煤層的影響較小，1#、2# 煤層的排放率約為10%左右。

當(dāng)開采11# 煤層作為保護(hù)層時(shí)，9+10#、11# 煤層層間距為13.4～29.67m，平均為19.51m，按照平均值計(jì)算排放率，當(dāng)開采9+10## 煤層作為下保護(hù)層，根據(jù)圖2 可知，9+10# 煤層的排放率可以達(dá)到95%左右， 由于 11# 煤層相距 2# 煤層平均達(dá)到108.37m，根據(jù)圖2 可知，11# 煤層的開采對(duì)1#、2#煤層煤層的影響較小，1#、2# 煤層的排放率約為3%左右，幾乎沒有影響。

3.2 瓦斯對(duì)保護(hù)層關(guān)系保護(hù)層預(yù)選

從表2 可以看出，瓦斯壓力2# 煤層最大，依次為 9+10#、1#、11# 煤層，由于 1#、2# 煤層與 9+10#、11# 煤層之間的層間距相距為88.87m，根據(jù)上面層間距的分析，在分別開采1#、2# 煤層與9+10#、11#煤層作為保護(hù)層時(shí)，它們之間的相互影響很小。根據(jù)表2，通過分析可以知道，1# 煤層和11# 煤層相對(duì)較低，可以優(yōu)選1# 煤層和11# 煤層作為保護(hù)層優(yōu)先開采。

綜上所述，根據(jù)瓦斯和煤層賦存條件，1#、2# 的瓦斯都達(dá)到2MPa 以上，是突出壓力臨界值的3 倍之多，兩個(gè)煤層雖然硬度大于0.5，但是如果在生產(chǎn)過程中遇到大的局部構(gòu)造時(shí)，煤層突然變軟，則會(huì)在高壓力下發(fā)生強(qiáng)烈的煤與瓦斯突出。因此，綜合分析，在礦井開采第一生產(chǎn)水平時(shí)，建議選擇1# 煤層作為保護(hù)層開采；在礦井開拓后期，向深部延延深時(shí)，可以選擇11# 煤層作為保護(hù)層開采。

4 結(jié) 論

通過對(duì)中峪煤礦保護(hù)層選擇及保護(hù)范圍進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：1#、2# 煤層的瓦斯壓力均在2MPa 以上，是煤與瓦斯突出壓力臨界值的3 倍之多，1#、2# 煤層雖然硬度大于0.5，但是如果在生產(chǎn)過程中遇到大的局部構(gòu)造時(shí)，煤層突然變軟，則會(huì)在高瓦斯壓力下發(fā)生強(qiáng)烈的煤與瓦斯突出。通過瓦斯地質(zhì)規(guī)律綜合分析，確定在礦井開采第一生產(chǎn)水平時(shí)，建議優(yōu)先選擇1# 煤層作為保護(hù)層開采。在礦井開拓后期，向深部延延深時(shí)，可以選擇11# 煤層作為保護(hù)層開采。