中峪井田高瓦斯突出煤層群保護層優選方案確定

張俊澤，周馬寧

（霍州煤電集團沁安煤電有限責任公司，山西 長治 046000）

0 引 言

瓦斯是煤礦的主要自然災害之一，長期以來嚴重威脅著煤礦的安全生產和影響著礦井的經濟效益。對煤礦井下瓦斯的賦存狀態、涌出變化規律及相關防治技術的研究對礦井安全生產具有重要的意義，尤其對于高瓦斯突出礦井而言，更需要重點關注。

在工作面回采動壓影響下，煤層底板會發生破壞變形，有采動裂隙產生，這些裂隙對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，工作面開采后形成采空區，直接頂冒落，上覆巖層發生破斷變形下沉，底板發生膨脹變形，采空區上部及下部形成應力降低區，應力得到有效釋放。提前開采保護層進行卸壓消突的意義就在于此。基于上述分析，當現場條件允許時，提前對保護層進行開采是最行之有效的區域性防突措施。為減小保護層開采過程中保護層的瓦斯隨底板采動裂隙涌向現開采層，同時考慮防突工作，必須對被保護層的瓦斯進行抽放。對于沒有保護層的工作面，在進行采掘作業前需要提前對瓦斯進行預抽。可以通過巖巷工程或煤巷工程配合鉆孔對煤層瓦斯進行大面積預抽，當煤層剩余瓦斯含量和壓力降低到一定程度時，是能夠消除煤層突出危險性的。對多煤層條件煤礦的開采，更有條件實施開采保護層，進行區域綜合防突措施。

1 礦井概況

中峪煤礦位于長治市沁源縣境內，主采煤層為2# 煤層，此外，井田內的 1#、9+10#、11# 煤層也基本屬于全區可采煤層，可采煤層特征表如表1 所示。中煤科工集團重慶研究院對中峪煤礦所采的1#、2#、9+10#、11# 煤層做了《建井前煤與瓦斯突出危險性評估》報告，根據報告中研究結果可知，中峪煤礦所開采的這4 層煤層均具有突出危險性，具體如表2 所示。由《煤礦安全規程》和《煤與瓦斯突出細則》相關規定可知，對于具有保護層開采條件的突出危險性區域，必須進行保護層開采。因此需要先確定合理的保護層開采層位及順序，以實現井田內煤層的安全高效回采。

表1 可采煤層特征表

表2 煤層突出危險性評估指標匯總表

2 開采保護層防治煤與瓦斯突出作用機制

大量的理論研究和現場實踐結果表明，對于具有突出危險性的煤層而言，在技術上和經濟上最合理有效的方法即進行保護層開采，作為區域性防突措施而言，通過該方法的使用，可以避免工作面開采過程中長期與突出危險性煤層處于短兵相接的狀態，可有效提高礦井防突系統的安全性及穩定性。現場應用效果表明，當保護層煤層開采后，被保護層煤層會有顯著的變化，如煤巖層應力狀態、煤層圍巖結構及瓦斯賦存狀態及參數均會出現顯著的變化。從卸壓變化的時間上來看，個別情況下在保護層工作面前方10～20m 范圍即可出現卸壓現象，正常情況下卸壓作用主要在工作面后方顯現，當煤巖體膨脹變形速度加快時，煤層內瓦斯含量參數也會隨之發生明顯的變化。其變化順序如下：

對保護層進行開采→巖層發生移動變形→被保護層發生卸壓（煤巖體發生卸壓、煤體膨脹變形現象加劇）→煤體透氣性增加、瓦斯溢散性增加→被保護層瓦斯抽排能力得到提高→被保護層煤體內瓦斯含量及壓力均得到減小→煤體內部應力進一步得到降低，其作用效果如圖1 所示。

圖1 保護層開采瓦斯防突機理

由上述的分析可知，預先開采保護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，煤巖體卸壓后會帶動其他瓦斯因素的變化。因此，對于突出煤層而言，當煤體發生卸壓后，煤體結構和其內部瓦斯動力參數均會發生變化。當相鄰煤層的層間距較大或中間有堅硬巖層存在時，保護層的開采無疑會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，但必然會降低突出煤層的突出危險性。

3 保護層優選方案確定

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《煤礦安全規程》的保護層選擇原則、中峪煤礦4 層煤瓦斯賦存及層間距的基礎數據，分別從層間距和瓦斯兩個方面來進行保護層的預選。

3.1 層間距關系保護層預選

根據圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關系曲線圖可以看出：當開采1# 煤層作為保護層時，1#、2# 煤層層間距為 10～20m，平均為 15.14m，按照平均值計算排放率，當開采1# 煤層作為上保護層，2# 煤層的排放率可以達到50%左右，由于9+10#、11# 煤層相距1# 煤層平均達到104.31m，1# 煤層的開采對9+10#、11# 煤層幾乎不產生影響。

圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關系曲線圖

當開采2# 煤層作為1# 煤層保護層時，1#、2#煤層層間距為10～20m，平均為15.14m，按照平均值計算排放率，當開采2# 煤層作為下保護層時，1# 煤層的排放率可以達到95%左右，9+10# 煤層相距2#煤層平均達到88.87m，2# 煤層的開采對9+10#、11#煤層幾乎不產生影響。

當開采9+10# 煤層作為保護層時，9+10#、11#煤層層間距為13.4～29.67m，平均為19.51m，按照平均值計算排放率，當開采9+10## 煤層作為上保護層，根據圖2 可知，11# 煤層的排放率可以達到35%左右， 由于 9+10# 煤層相距 2# 煤層平均達到88.87m，根據圖 2 可知，9+10# 煤層的開采對 1#、2#煤層煤層的影響較小，1#、2# 煤層的排放率約為10%左右。

當開采11# 煤層作為保護層時，9+10#、11# 煤層層間距為13.4～29.67m，平均為19.51m，按照平均值計算排放率，當開采9+10## 煤層作為下保護層，根據圖2 可知，9+10# 煤層的排放率可以達到95%左右， 由于 11# 煤層相距 2# 煤層平均達到108.37m，根據圖2 可知，11# 煤層的開采對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 瓦斯對保護層關系保護層預選

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#煤層作為保護層時，它們之間的相互影響很小。根據表2，通過分析可以知道，1# 煤層和11# 煤層相對較低，可以優選1# 煤層和11# 煤層作為保護層優先開采。

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

4 結 論

通過對中峪煤礦保護層選擇及保護范圍進行分析，得到如下結論：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，但是如果在生產過程中遇到大的局部構造時，煤層突然變軟，則會在高瓦斯壓力下發生強烈的煤與瓦斯突出。通過瓦斯地質規律綜合分析，確定在礦井開采第一生產水平時，建議優先選擇1# 煤層作為保護層開采。在礦井開拓后期，向深部延延深時，可以選擇11# 煤層作為保護層開采。