高瓦斯近距離煤層群保護(hù)層煤與瓦斯共采技術(shù)

李進(jìn)朋

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西離石 033300）

高瓦斯近距離煤層群保護(hù)層煤與瓦斯共采技術(shù)

李進(jìn)朋

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西離石 033300）

根據(jù)沙曲礦的具體地質(zhì)條件，通過對(duì)保護(hù)層開采機(jī)理的分析，確定礦井北翼2號(hào)薄煤層為下方3+4號(hào)和5號(hào)煤層的保護(hù)層，計(jì)算得出保護(hù)層首采工作面22201的保護(hù)范圍和解放煤量2.4Mt;針對(duì)2號(hào)煤層的賦存條件，研究了22201工作面的采煤技術(shù)，包括巷道布置、工作面主要設(shè)備和采煤工藝;采用保護(hù)層開采對(duì)突出煤層的卸壓作用和瓦斯抽采技術(shù)，設(shè)計(jì)了本煤層、下部3+4號(hào)煤層和采空區(qū)瓦斯的抽采方案，達(dá)到解放下部煤層的目的。沙曲礦對(duì)高瓦斯近距離煤層保護(hù)層煤與瓦斯共采技術(shù)的研究，為其他類似條件下開采提供了借鑒。

高瓦斯;近距離煤層群;保護(hù)層;煤與瓦斯共采

Technology of Coal and Methane Combined Mining Protective Seam in Close Coal－seams with High Methane Content

華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲礦位于山西呂梁地區(qū)柳林縣境內(nèi)，全礦井絕對(duì)瓦斯涌出量328.77m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量66.65m3/t，屬高瓦斯礦井，經(jīng)煤炭科學(xué)研究總院撫順研究院鑒定為煤與瓦斯突出礦井。

沙曲礦井田北翼2號(hào)煤層大部可采，可采范圍內(nèi)煤層厚度平均1.1m，該層煤與下方的3+4號(hào)煤層平均間距13.95m，與5號(hào)煤層相距22.6m，2號(hào)、3+4號(hào)和5號(hào)煤層為近距離煤層群。根據(jù)我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第193條規(guī)定:“在突出礦井開采煤層群時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護(hù)層作為防治突出措施”。開采保護(hù)層是迄今防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的根本措施［1］。

1 保護(hù)層開采技術(shù)研究

1.1 保護(hù)層開采機(jī)理分析

在突出礦井的煤層群中，首先開采的沒有突出危險(xiǎn)或突出危險(xiǎn)性較小的煤層稱為保護(hù)層。相應(yīng)的受其保護(hù)影響的未被開采的有突出危險(xiǎn)煤層可稱為被保護(hù)層。由于保護(hù)層的開采對(duì)突出危險(xiǎn)煤層產(chǎn)生卸壓保護(hù)作用，使之在采掘過程中不再發(fā)生突出或降低發(fā)生突出的危險(xiǎn)性，從而達(dá)到防止煤與瓦斯突出的目的。

由于保護(hù)層與被保護(hù)層之間巖層卸壓后發(fā)生垂直層面的膨脹變形，使得平行層面的部分巖層發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致原巖層裂隙溝通，為解吸瓦斯向采空區(qū)流動(dòng)提供通道。被保護(hù)層卸壓提高了瓦斯排放能力，瓦斯的不斷涌出引起瓦斯壓力下降和煤的力學(xué)強(qiáng)度增高。卸壓作用是引起其他因素變化的依據(jù)，起決定性的作用［2－4］。

1.2 保護(hù)層的確定

保護(hù)層開采通常應(yīng)具備以下3個(gè)條件:

（1）應(yīng)是煤層群開采。

（2）應(yīng)具有合理層間距。保護(hù)層作用隨層間距的增大而減小，達(dá)到某一臨界值時(shí)，保護(hù)作用已不明顯。根據(jù)大量試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析，采深不大于600m，工作面長(zhǎng)150m，層間距臨界值為61m，工作面長(zhǎng)125m，層間距臨界值為56m。

（3）煤層群內(nèi)存在不具有突出或沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象的煤層作為保護(hù)層。

根據(jù)北翼煤層賦存條件和2號(hào)、3+4號(hào)、5號(hào)煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果，2號(hào)煤層在430m水平及以上區(qū)域無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，且2號(hào)煤層距離下方3+4號(hào)煤層為13.95m，與5號(hào)煤層相距22.6m，可作為保護(hù)層進(jìn)行開采。根據(jù)上述保護(hù)層開采條件、沙曲礦井煤層特征和鑒定情況分析，將礦井北翼2號(hào)煤層做為保護(hù)層開采是可行的，因此，設(shè)計(jì)在北翼2號(hào)煤層作為保護(hù)層開采，采用薄煤層綜采回采工藝。

1.3 保護(hù)層作用范圍和解放的煤量

22201工作面為北翼2號(hào)煤首采面，埋深500m，走向長(zhǎng)約1500m，傾向長(zhǎng)150m，其北面已形成了22202工作面，其余2號(hào)煤均未開拓，其下3+4號(hào)煤工作面，也僅南面24208工作面正在掘進(jìn)，其他方位3+4號(hào)煤工作面均未施工。

（1）保護(hù)層作用范圍 保護(hù)層與被保護(hù)層之間的有效垂距，可用公式 （1）計(jì)算。

上保護(hù)層的最大有效距離:

式中，S'上為上保護(hù)層的理論有效垂距，m，與工作面長(zhǎng)度L和開采深度H有關(guān)，可參照表1取;β1為保護(hù)層開采的影響系數(shù)，當(dāng)M≤M0時(shí)，β1=M/M0，當(dāng)M＞M0時(shí)，β1=1;M為保護(hù)層的開采厚度，m;M0為保護(hù)層的最小有效厚度，m;β2為層間硬巖 （砂巖、石灰?guī)r）含量系數(shù)，以η表示在層間巖石中所占的百分比，當(dāng)η≥50% 時(shí)，β2=（1－0.4η）/100， 當(dāng) η ＜ 50% 時(shí)，β2=1。

表1 S'上與開采深度H和工作面長(zhǎng)度L之間的關(guān)系

經(jīng)過分析并結(jié)合22201工作面的具體條件，S'上取61m，β1=1，β2=1，所以 S上為61m。2號(hào)煤層距下方3+4號(hào)煤層13.95m，距離5號(hào)煤層22.6m，所以2號(hào)煤層開采后，3+4號(hào)煤層和5號(hào)煤層均在保護(hù)層適用范圍內(nèi)。

（2）解放煤量 22201工作面走向長(zhǎng)約1500m，傾向長(zhǎng)150m，回采面積約為22.5×104m2，對(duì)應(yīng)的3+4號(hào)煤層、5號(hào)煤層均未采動(dòng)，22201工作面的開采對(duì)應(yīng)可解放3+4號(hào)煤層、5號(hào)煤層資源量約2.4Mt。

2 薄煤層采煤技術(shù)

2.1 工作面巷道布置

22201工作面采用沿空留巷、Y型通風(fēng)方式。工作面回采時(shí)，22201機(jī)軌合一巷和輔助運(yùn)輸巷為進(jìn)風(fēng)巷，22202軌道巷為22201綜采工作面總回風(fēng)巷，22201機(jī)軌合一巷在22201工作面回采后通過沿空留巷的方式保留下來，如圖1所示。

22201工作面輔助運(yùn)輸巷為錨梁網(wǎng)支護(hù)，矩形斷面，用于進(jìn)風(fēng)及輔助運(yùn)輸，巷道具體參數(shù)見表2。

22201工作面機(jī)軌合一巷為沿空留巷巷道，矩形斷面，錨梁網(wǎng)支護(hù)，在留巷期間采用補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行頂板加固支護(hù);機(jī)軌合一巷用于進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤及運(yùn)充填料，巷道具體參數(shù)見表3。留巷斷面為矩形斷面，錨、網(wǎng)、索、W鋼帶等充填墻體聯(lián)合支護(hù)。留巷寬度初定為4.6m。

圖1 22201工作面巷道布置

表2 22201輔助運(yùn)輸巷道參數(shù)

表3 22201機(jī)軌合一巷巷道參數(shù)

22202軌道巷采用錨梁網(wǎng)支護(hù)，矩形斷面;22202軌道巷為22201綜采工作面回采時(shí)的回風(fēng)通道，巷道具體參數(shù)同22201機(jī)軌合一巷。

2.2 工作面主要設(shè)備

針對(duì)沙曲礦2號(hào)煤層地質(zhì)條件，選擇適合22201工作面薄煤層開采的主要設(shè)備，具體見表4。

2.3 采煤工藝

工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式跟頂割底的綜合機(jī)械化采煤方法。采用自然垮落法控制頂板。

采煤工藝流程:雙滾筒采煤機(jī)割煤、裝煤→可彎曲刮板輸送機(jī)運(yùn)煤→液壓自移式支架支護(hù)頂板→推移輸送機(jī)→清掃浮煤。

采用人工放炮的形式在機(jī)頭、機(jī)尾處進(jìn)行開缺口，之后機(jī)頭處采用錨索加鋼帶進(jìn)行人工支護(hù)。

3 瓦斯綜合抽采技術(shù)

根據(jù)沙曲礦提供的瓦斯資料，2號(hào)煤層原始瓦斯含量X2=10.65m3/t·f;下方3+4號(hào)煤層原始瓦斯含量X4=11.42m3/t·f;下方5號(hào)煤層原始瓦斯含量X5=12.08m3/t·f。因此，工作面瓦斯主要來源為本煤層瓦斯和下方3+4號(hào)煤層、5號(hào)煤層。

3.1 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

根據(jù)分源預(yù)測(cè)法，計(jì)算出22201工作面本煤層瓦斯相對(duì)涌出量為10.73m3/t，鄰近層相對(duì)涌出量為28.77m3/t，所以22201工作面瓦斯相對(duì)涌出量為39.5m3/t。工作面日產(chǎn)2000t時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量為54.86m3/min。按照《煤礦安全規(guī)程》，必須采取有效的綜合抽采瓦斯和治理措施。

表4 22201工作面主要設(shè)備

3.2 瓦斯抽采設(shè)計(jì)［5－6］

3.2.1 本煤層鉆孔抽采

（1）鉆場(chǎng)形式瓦斯抽采 在22201輔助運(yùn)輸巷 （900m往里至切眼）采幫及22201機(jī)軌合一巷采幫每隔50m布置1個(gè)鉆場(chǎng)，共布置38個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置8鉆孔，機(jī)軌合一巷和輔助運(yùn)輸巷鉆場(chǎng)共施工本煤層鉆孔304個(gè)，總進(jìn)尺為24320m，鉆場(chǎng)布置具體如圖2所示。

（2）平行鉆孔形式瓦斯抽采 22201輔助運(yùn)輸巷采幫從900m處開始布置1號(hào)鉆孔，直到距大巷保護(hù)煤柱20m處結(jié)束，鉆孔垂直巷道布置，鉆孔間距為9m，鉆孔傾角為+1°，鉆孔單孔設(shè)計(jì)深度為80m，在施工過程中鉆孔傾角可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件而定。鉆孔總施工數(shù)為81個(gè)，總進(jìn)尺為6480m，平行鉆孔布置如圖2所示。

圖2 本煤層抽采鉆孔

3.2.2 下部3+4號(hào)煤層瓦斯抽采

在2號(hào)煤層下部3+4號(hào)煤層的24208輔助運(yùn)輸巷布置打鉆，隔10m布置1個(gè)順煤層傾向鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為180m，共計(jì)150個(gè)鉆孔，鉆孔自22201工作面切眼方向開始施工。采前預(yù)抽3+4號(hào)煤層瓦斯以及采后抽采3+4號(hào)煤層、5號(hào)煤層卸壓瓦斯。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 下部煤層瓦斯抽采

3.2.3 沿空留巷抽采

沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)上部積聚大量高濃度瓦斯，為保證較高的瓦斯抽采率，保證工作面本質(zhì)安全型生產(chǎn)，在22201留巷充填體內(nèi)每間隔9m預(yù)留φ102mm鋼管，并用法蘭盤埋線管連接，伸出墻體0.5m，在留巷施工過程中，每個(gè)φ102mm管設(shè)置1個(gè)閘閥和觀測(cè)孔與巷道非采幫的φ320mm抽放管連接，并將沿空留巷非采幫φ320mm抽放管延接至22201工作面采空區(qū)后部實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采。沿空留巷抽采如圖4所示。

圖4 沿空留巷抽采示意

4 結(jié)論

通過對(duì)沙曲礦高瓦斯近距離煤層保護(hù)層煤與瓦斯共采技術(shù)研究，確定礦井北翼2號(hào)薄煤層為下方3+4號(hào)和5號(hào)煤層的保護(hù)層，分析了保護(hù)層的作用范圍和解放煤量2.4Mt;研究了2號(hào)煤層首采工作面22201的采煤工藝，包括巷道布置、工作面主要設(shè)備和采煤工藝;分析了22201工作面瓦斯治理技術(shù)，確定了本煤層、鄰近層和采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)。沙曲礦對(duì)高瓦斯近距離煤層保護(hù)層煤與瓦斯的共采技術(shù)，為其他類似條件下開采提供了借鑒。

［1］秦子晗，潘俊鋒，任 勇.薄煤層作為保護(hù)層開采的卸壓機(jī)理 ［J］.煤礦開采，2010，15（2）:85－87.

［2］黃旭超.保護(hù)層開采被保護(hù)煤層自卸壓效果分析［J］.煤礦安全，2011，42（1）:113－115.

［3］吳建亭.開采保護(hù)層煤層的防突作用效果分析 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（5）:66－70.

［4］陶 剛.上保護(hù)層無煤柱開采瓦斯治理技術(shù)在大灣煤礦的實(shí)踐 ［J］.煤礦安全，2011，42（6）:90－92.

［5］袁東升，張子敏.近距離保護(hù)層開采瓦斯治理技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（11）:48－50.

［6］吳建亭，石憲群，錢高峰.保護(hù)層開采瓦斯綜合治理與利用技術(shù) ［J］.煤礦安全，2010，42（2）:23－26.

TD712

B

1006-6225（2012）02-0041-03

2011－12－08

李進(jìn)朋 （1960－），男，山西運(yùn)城人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任華晉焦煤有限責(zé)任公司總工程師，從事煤礦開采技術(shù)研究。

［責(zé)任編輯:鄒正立］