近距離突出煤層防突技術措施探討

賀文陽(山西焦煤汾西瑞泰井礦正明煤業,山西 晉中032600)

1 前言

在煤與瓦斯突出礦井開采中常見的區域防突技術措施有兩種,一是保護層開采,二是區域預抽[1-2]。在實際的操作中,上下保護層開采、本煤層區域預抽以及地面井預抽等防突措施較常用。

某礦位于某市距離城區大約6km 的西南處,該礦井設計的最大開采能力為4.0Mt/a,煤層傾角平均為6°,最大傾角15°,最小為2°。礦井設計4 個井筒,分別是有主斜井、副斜井、副立井,回風立井,采用的是斜-立井多水平綜合開采方式。該礦在近距離突出煤層的防突工作中存在很多問題,主要體現以下幾個方面:第一,煤層之間的采掘抽交替壓力較大,預抽時間緊張,消突效果不好,消突后的可采煤量低于計劃采煤量,生產與防突存在矛盾。第二,相鄰煤層的瓦斯涌出量大,治理難度大。該礦煤層的賦存特征是多為近距離突出煤層群,煤層平均間距較小,在上下保護層開采時所涌出的大量瓦斯直接影響到保護層開采時的安全生產。第三,防突措施實施時區域劃分不合理。通常防突措施實施分為三個階段:礦井防突、盤區(采區)防突以及工作面防突,在該礦井中缺乏對礦井防突的總體設計和規劃,應該重點加強這方面的工作。

2 煤層與瓦斯賦存特征

2.1 煤層賦存特征

本礦井井田內共含18 層含煤層,可開采煤層有8層,可采煤層的賦存情況見表1。

表1 可開采煤層賦存現狀

2.2 瓦斯賦存特征

該礦井構造呈現出波浪狀單斜式,變質程度從上開始逐漸向下加深,從西向開始向東逐漸加深,煤質的分布由肥煤、焦煤向瘦煤逐漸過渡,礦井內部的瓦斯壓力呈現出東西向與北南向逐漸加大的趨勢,礦井內部的瓦斯含量從東北向西方向遞增。

2.3 煤層與瓦斯的突出鑒定

經過勘察和鑒定,礦井中的3、4 號煤層為上組近距離突出煤層,7、8 號煤層為下組近距離突出煤層,突出煤層參數見表2。

表2 突出煤層參數

3 上下保護層開采優化

首先要進行防突區域劃分,根據本礦的實際情況,將現有的9 個盤區生產劃分為開采區、準備區、規劃區共計3 個瓦斯綜合防治區域。其次,在進行上下保護層開采。在實際開采時,應該對三個綜合防治區域的保護層分別進行開采,在開采之前需要對所有保護層的保護效果進行考察,重點考察其保護范圍、保護垂距、保護層回采工作面超前距等[3-4]。

3.1 開采區保護層的開采

從表1中我們可以得到,7、8 號煤層之間的平均間距為14.98m,下煤層也就是8 號煤層正處于上煤層7 號煤層的有效保護垂距范圍之內。因此,在生產時可以將7 號煤層作為上保護層實施開采。7號煤層的平均厚度大約為3.51m,煤層的煤質特點是含硫量較高,焦煤含量低,對于目前開采接替較為緊張的情況下,7 號煤層作為保護層可以有效的緩解本礦采掘抽緊張的情況。所以,應該優先開采7號煤層作為8 號煤層的上保護層。

3.2 準備區保護層開采

準備區的保護層開采原則上應該優先選擇賦存較為穩定、上下保護層有效保護垂距范圍較大、瓦斯壓力較小的煤層來進行開采。在本礦中,經過考察發現6 號煤層最大的有效保護垂距范圍大約為51m,應該優先開采6 號煤層可達到一煤層開采、多煤層保護的目的。礦井準備區保護層可選擇1、4、5、6 號煤層。經過考察發現,5 號煤層的賦存屬于穩定,6 號煤層賦存屬于較為穩定。3 號煤層的下保護層與7 號煤層的上保護層均正處于5、6 號煤層的有效保護垂距范圍內。經過測定,6 號煤層的瓦斯壓力數值最小,為0.53MPa,屬于壓力較小范圍。因此,6 號煤層可以作為上下保護層進行優先開采。6號煤層作為保護層優先開采已經具備了技術可行性,可以作為3 號煤層下保護層和7、8 號煤層的上保護層,優先開采6 號煤層可以極大的緩解另外3組煤層的壓力。準備區保護層的開采順序如下:先開采6 號煤層,再開采3 號煤層,再開采7 號煤層,最后開采8 號煤層。

3.3 規劃區保護層開采

規劃區保護層的開采從實際情況看,考慮到有效保護的垂距范圍與相鄰層的垮落帶高度,目前比較適合作為規劃區保護層的有1、5、6 號煤層。在實際的開采中,在回采上組煤層時,考慮到瓦斯壓力的釋放,可以選擇1 號煤層作為3 號煤層的上保護層,在回采下組煤層時可以選則6 號煤層作為7、8 號煤層上保護煤層。經過測定,本規劃區為突出危險區,在1、6 號煤層開采之前應該先對其進行預抽,待到消突之后再進行開采。

4 預抽優化

4.1 開采區預抽

開采區的煤層預抽設計是在7 號煤層中布置8號煤層的瓦斯抽采巷。所設計的抽采方式為邁步鉆場布置8 號煤順層鉆孔預抽該瓦斯抽采巷的條帶瓦斯,之后在該瓦斯抽采巷中設計穿層鉆孔對7 號煤層的順槽條帶瓦斯進行預抽,等到7 號煤層突出危險降低在可控范圍之內后再進行開采。在8 號煤層中采用穿層的方式對7 號煤層的瓦斯進行預抽,從實際角度出發其工程量較小、穿層難度較低、工期短等優點,這種方法非常適合突出危險性較低的煤層的瓦斯預抽。

開采區煤層預抽方案進行優化之后,在8 號煤層的底板15m 處沿著順槽向內錯開2.5m 布置底板巖石瓦斯抽采巷,穿層預抽7 號煤層順槽條帶瓦斯,控制7 號煤層工作面順槽兩幫至少15m,封孔的深度至少8m,直徑不小于50mm。根據實際的生產經驗,本礦7 號煤層開采通常都會采用底板穿層的方式來預抽順槽條帶瓦斯,鉆孔時應該選擇直徑113mm 的鉆具,終孔間距5m,預抽時間要達到180d以上。在實際的操作中,預抽天數與終孔間距的確定應該通過煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數、抽放半徑等參數進行確定。采用本煤層順層預抽7 號煤層回采區瓦斯這種方式,可以提升預抽效果、大大縮短預抽時間,并且很好的克服了7 號煤層順槽和8 號煤層底抽巷在向前掘進的過程中瓦斯涌出量大的情況,這種方法比較適用于上下煤層涌出量大的情況。

4.2 準備區域的預抽

首先,進行地面井預抽。礦井的準備區內已經基本上具備了地面井預抽的條件,可以設計進行地面井預抽。地面井預抽是對現有的消突處理措施的一種有效補充。其次,進行上組煤預抽。準備區的上組煤預抽主要是對3 號煤層進行預抽,所設計的預抽方式為穿層預抽3 號煤層的順槽條帶瓦斯與本煤層遞進式順層鉆孔預抽3 號煤層回采區瓦斯。本礦中1 號與3 號煤層根據現實情況均采用千米鉆機進行順層預抽槽條帶瓦斯和回采區域內的瓦斯。最后,進行下組煤預抽。準備區下組煤層預抽,采用上述同樣的方法對下組7 號煤層進行預抽。

4.3 規劃區預抽

規劃區域內的地面井預抽與上述的準備區域預抽一樣分為三部分,地面井預抽、上煤組預抽、下煤組預抽。首先,地面井預抽。規劃區域的地面井預抽要先對本區域內的煤炭總量進行估算:當前本區域的瓦斯抽放量為50 000m3/d,設計地面開采年限為10年,如此可以抽采瓦斯總量為1.825×108m3,經過估算規劃區內的煤炭總量大約為12 000 萬t,如此計算規劃區內的瓦斯總量可以降低1.5m3/t,根據現實情況規劃區內的3 號煤層瓦斯含量達到了大約為13.28m3/t,按照這樣的估算如果瓦斯含量始終在8m3/t 就仍然需要進行井下煤層的瓦斯預抽。其次,規劃區內的上組煤層預抽。規劃區內的1、3 號煤層屬于突出危險性煤層,應該進行預抽消突。規劃區域內的1、3 號煤層的預抽方案應該與生產區上組煤的1、3 號煤層的預抽方案一樣,預抽時間的確定應該根據規劃區域內的煤層與瓦斯賦存量進行計算。根據上述,總結本礦中的預抽防突措施:開采上下保護層、地面井預抽、在4、8 號煤層底板進行穿層預抽1、6 號煤層順槽條帶瓦斯、分別在4、8號煤層對3、7 號煤層進行穿層預抽、采用順層遞進式的預抽方式對1、6 號煤層進行回采區域內的瓦斯預抽。

5 結論

要想設計出符合本礦實際情況的防突措施方案,首先要先對礦井的煤層賦存特點進行詳細了解,包括煤層賦存特點與瓦斯賦存特點,只有充分了解了煤層賦存特點之后,才能夠設計出更為高效的防突方案,有效緩解礦井采掘抽的接替壓力。在實際生產中,常用的防突措施有兩種,一種是上下保護層開采,另外一種是煤層預抽,這兩種方案的設計同樣需要煤層的賦存參數來進行設計,采用上下保護層開采可以達到一層開采,多層保護的效果,即高效又能有效緩解采掘抽的接替壓力。采用煤層預抽,尤其是穿層預抽可以有效緩解煤層在生產過程中瓦斯涌出量大的問題。