煤與瓦斯突出煤層下保護層鋁土礦開采技術可行性分析

耿春喜

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 左權 032600）

0 引 言

煤與瓦斯突出是煤礦生產過程中常發生的嚴重自然災害之一。目前，保護層開采被證實為最有效的防治煤與瓦斯突出手段，通過選擇非突出煤層或具有開采價值的巖層作為保護層開采，保護層開采以后，采場周圍的煤巖體會發生變形、位移、卸壓，使得煤巖體的應力場，發生重新分布[1-2]，在采空區頂底板內的一定范圍內地應力降低，出現卸壓效果，處于頂底板內的煤層發生膨脹變形，使得突出煤層地應力下降，煤層透氣性增加，從而使保護范圍內的煤層瓦斯壓力釋放、瓦斯含量降低[3]，使有突出危險性煤層轉變成沒有突出危險性的煤層，高瓦斯煤層變成低瓦斯煤層。采掘活動時，瓦斯涌出量大大減少，可顯著提高煤礦開采安全及社會經濟效益。左權阜生煤礦15 號為煤與瓦斯突出煤層，受瓦斯制約，單個掘進工作面掘進慢，采掘活動嚴重失調，不能持續穩定生產。基于此，通過現場調研及礦井地質考察，認為可選擇15 號煤層上覆的13、14 號煤層或下方的鋁土泥巖層作為開采保護層對象，通過開采保護層以消除15 號煤層的煤與瓦斯突出危險性。

1 工程地質情況

山西潞安集團左權阜生煤礦井田處于沁水煤田的東北部邊緣地段。井田內主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。含煤地層平均總厚169.90 m，共含煤層15 層，煤層平均總厚約11.83 m。主采煤層為15 號煤，煤層厚度3.17～7.40 m，均厚6.01 m，煤層結構簡單，煤層頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板為泥巖，為穩定的全井田可采煤層。15 號煤層位于太原組下段中下部，上距K2灰巖5.97～12.03 m，平均厚度為9.46 m。下距太原組底界K1 砂巖5.85 m。15 號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，煤層瓦斯相對涌出量為39.26 m3/t、絕對涌出量為36.94 m3/min，屬煤與瓦斯突出煤層。15 號煤層局部鉆孔監測的瓦斯含量見表1 所示。

表1 15 號煤層瓦斯含量監測結果

2 保護層開采選擇分析

根據《防治煤與瓦斯突出細則》中對開采保護層選擇的原則[4]，15 號煤層上部13、14 號煤層符合上保護層選擇的基本原則，15 號煤層下部的鋁土泥巖符合下保護層開采的基本原則。通過對阜生礦現場考察，從開采安全、保護效果、安全風險、經濟效益等因素進行分析，15 號煤層底板下方的鋁土泥巖是保護層開采的最優選擇。

1）從開采安全角度分析。15 號煤層底板下方60 m 范圍內主要為泥巖、砂質泥巖、鋁土泥巖等軟巖層，其中，具有開采價值的鋁土泥巖上距15 號煤平均間距17 m，在進行掘進工作時，掘進工作面沒有瓦斯的涌出；鋁土泥巖作為保護層開采，不涉及保護層突出危險性，不涉及保護層內煤自然發火問題，不涉及對被保護層頂板的影響。所以下保護層開采是能保證安全生產的。

2）從保護效果分析。根據礦井綜合柱狀圖分析，15 號煤層與上覆鄰近煤層之間有K2、K3 灰巖巖層的存在，會影響其保護效果。15 號煤層與鋁土泥巖層之間主要為泥巖和砂質泥巖等軟巖，對保護效果沒有影響。

3）從安全風險角度分析。鋁土礦開采無火災危險性、無煤與瓦斯突出危險、對已有的采區巷道無破壞。對保護層回采工作面，可以設計走向高位鉆孔抽采裂隙帶瓦斯；對于被保護層（15 號煤層）可以采用在保護層工作面兩順槽布置穿層鉆孔，覆蓋整個被保護層工作面范圍，穿層鉆孔預抽被保護層（15 號煤層）瓦斯工藝。瓦斯抽采難度較為容易，可以有效的解決礦井瓦斯抽采的難題。

4）從經濟效益角度考慮。結合其他礦井煤下鋁采出情況分析，礦井煤下鋁的品質均較好，可以帶來良好的社會和經濟效益。可以有效的解決礦井服務年限較短的缺點，增加礦井服務年限，穩定施工隊伍，減輕社會就業壓力，保障社會穩定。

3 下保護層開采技術研究

3.1 鋁土礦開采技術分析

1）開采方法。針對鋁土礦開采，我國常用的開采法有長壁式崩落法、房柱法和綜合機械化開采[5]。綜合機械化開采是采用煤礦開采工藝開采鋁土礦，自然垮落法管理頂板。其主要優點在于形成走向長壁工作面，采礦機械化程度高，能夠實現連續高效生產，安全性強。設計保護層采高為1.6 m，工作面長度為200 m，設計生產能力為60 萬t/a。為實現連續高效生產。選擇綜合機械化開采方式。作業采用連續回采的方式進行機械落礦，刮板級裝礦，膠帶輸送機運輸礦石，綜采液壓支架支護，全部垮落法管理頂板。

2）工作面布置。考慮巷道掘進以及設備安裝時間、工作面回采時間、采空區穩定時間，實現便建設邊生產的采掘銜接。設計將保護層的采區劃分與被保護層（15 號煤層）相同。均劃分為3 個采區，不單獨布置采區巷道。為保證對15 號煤層工作面瓦斯的卸壓作用，有效的實現對煤層順槽的消突效果，保護層工作面設計選用等長平錯的布置方式，如圖1 所示。

圖1 保護層工作面等長平錯布置方式

3.2 瓦斯抽采技術分析

3.2.1 鄰近層瓦斯涌出量計算

式中：q鄰為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個鄰近層厚度，m；m1為開采層的開采厚度，m；W0i為第i 層的原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i 鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；ki為第i 鄰近層瓦斯排放系數。

通過上式計算可得15 號煤層鄰近層瓦斯涌出量見表2 所示。

表2 15 號煤層鄰近層瓦斯涌出量

3.2.2 保護層瓦斯涌出量計算

1）保護層回采工作面瓦斯涌出量。由于保護層為鋁土泥巖，在回采過程中本身不會有瓦斯涌出，根據表2 可知，保護層回采工作面的瓦斯主要來自于被保護層（15 號煤層）以及鄰近范圍內的13、14 號煤層的涌出。

保護層回采工作面相對瓦斯涌出量計算：

保護層回采工作面絕對瓦斯涌出量計算：

保護層工作面產量估算為：600 000 t÷330d×95% = 1 152 t/d，即當保護層工作面日產量為1 152 t/d 時，工作面絕對瓦斯涌出量為：

2）掘進工作面瓦斯涌出量計算。工作面瓦斯涌出量包括掘進時煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出：

式中：qj為掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min；q3為掘進工作面巷道壁絕對瓦斯涌出量，m3/min；q4為掘進工作面落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min。

因為保護層工作面沿鋁土泥巖掘進，因此無瓦斯涌出，即qj=0。

3.2.3 瓦斯抽采技術

按照《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》相關規定，當回采工作面瓦斯涌出量大于5 m3/min 時，需要進行瓦斯抽采。通過計算得到被保護層回采工作面的瓦斯涌出量為42.24 m3/min，遠遠大于5 m3/min。故需要進行瓦斯抽采技術設計：穿層鉆孔預抽15 號煤層瓦斯，臨近巷走向長鉆孔預抽15 號煤層瓦斯，回風順層鉆孔、走向定向長鉆孔抽采15 號煤層瓦斯。在實現保護層安全開采的同時，實現了被保護層的瓦斯抽采。

1）穿層鉆孔預抽15 號煤層瓦斯技術。為解決保護層工作面上隅角瓦斯超限問題，采用頂板穿層高位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯。高位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯，設計在工作面兩順槽頂板開孔，施工迎向高位鉆孔。沿工作面順槽每間隔8 m 布置1 組鉆孔，每組布置15 個鉆孔，呈扇形布置，終孔位置設計為穿透15 號煤層頂板1 m，布置方式如圖2 所示。

圖2 預抽被保護層瓦斯穿層鉆孔布置

2）鄰近巷定向長鉆孔預抽15 號煤層瓦斯技術。以被保護層首采工作面為例，利用鄰近工作面巷道，提前施工15 號本煤層瓦斯預抽鉆孔，以實現開采保護層同時抽采15 號煤層瓦斯。布置方式見圖3。

圖3 定向長鉆孔預抽15 號煤層瓦斯鉆孔布置

3）順層鉆孔預抽15 號煤層瓦斯技術，布置方式如圖4 所示。

4）走向定向長鉆孔預抽15 號煤層瓦斯技術，布置方式如圖5 所示。

圖4 順層鉆孔預抽15 號煤層瓦斯鉆孔布置

圖5 走向定向長鉆孔預抽15 號煤層鉆孔布置

4 下保護層開采作用效果預估分析

1）消除突出危險性方面：因15 號煤層位于下保護層開采后的裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，預計下保護層開采后對15 號煤層致裂效果較好，透氣性可增加2000 倍，煤層瓦斯通過煤體裂隙釋放，瓦斯壓力降低，再通過保護層工作面高位鉆孔抽采煤層裂隙瓦斯，預估可完全消除突出危險性。

2）經濟效益方面：保護層開采徹底代替15 號煤之前的區域防突措施，15 號煤層回采工作面本煤層預抽鉆孔和2 個順槽掘進工作面的煤層條帶瓦斯預抽消突措施鉆孔均被開采保護層代替，也無需再施工高抽巷。經估算，每個工作面可節約鉆孔施工費用1 057.82 萬元，節約高抽巷施工費用800 萬元。此外，鋁土礦開采可以帶來良好的社會和經濟效益，與潞安化工企業“一核兩翼”的戰略方向高度契合，為左權地區煤炭資源發展趟出一條新路。

3）礦井高效生產方面：掘進巷道不再受瓦斯條件制約，未開采保護層時工作面順槽單進為每月100 m，開采保護層后預計可提高1 倍，達到每月200 m；開采保護層后，能從根本上解決采掘銜接緊張的局面，回采工作面割煤速度和推進度將完全不受瓦斯影響，可以達到核定生產能力120 萬t/a，回采工作面相比礦井目前實際年產量，多產40 萬t/a，提前收益40 萬t/a×500 元/t=2 億元/a。

5 結 論

阜生煤礦15 號煤層以下約17 m 的鋁土泥巖作為下保護層開采在安全風險、經濟效益以及卸壓效果等皆為最佳保護層。設計將保護層的采區劃分與被保護層相同，選用保護層工作面等長平錯布置，并利用保護層穿層鉆孔預抽煤層瓦斯，不僅可消除15號煤層的突出危險性，還能從根本上解決采掘銜接緊張的局面，并為礦井創造良好的經濟效益。