礦井保護層選擇分析論證

李木宣，李希建

(1.貴州大學(xué)，貴州貴陽550025; 2.貴州煤礦設(shè)計研究院，貴州貴陽550025)

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礦井保護層選擇分析論證

李木宣1，2，李希建1

(1.貴州大學(xué)，貴州貴陽550025; 2.貴州煤礦設(shè)計研究院，貴州貴陽550025)

［摘要］對于煤層層數(shù)較多的近距離煤層群且具有高瓦斯或煤與瓦斯突出的礦井，首采層選擇對礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。以貴州肥田礦井為例，按照《防突規(guī)定》，從井田內(nèi)上下煤組實測的瓦斯突出參數(shù)、煤層賦存狀況、瓦斯巷布置的空間條件、開采技術(shù)條件及區(qū)段石門揭穿突出煤層次數(shù)等方面綜合分析論證，最終選擇下煤組16號煤層作為保護層先行開采。

［關(guān)鍵詞］煤與瓦斯突出;保護層;選擇

［引用格式］李木宣，李希建.礦井保護層選擇分析論證［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 106－109.

開采保護層是防治突出礦井瓦斯災(zāi)害最經(jīng)濟、最有效的根本手段，是國內(nèi)普遍采用的區(qū)域性防突措施。開采保護層后，對有突出危險的煤層被保護層產(chǎn)生保護作用，造成被保護層應(yīng)力降低、煤層透氣性增加、強化瓦斯預(yù)抽，促使煤體強度增加，使之消除或減少突出危險性，達到防治煤與瓦斯突出的目的。

貴州省現(xiàn)有或在建大、中煤礦均為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災(zāi)害已成為煤礦安全生產(chǎn)的最主要危害，解決辦法一般為開采保護層或預(yù)抽煤層瓦斯。針對煤層層數(shù)較多的近距離煤層群礦井，首采層選擇關(guān)系到礦井是否能安全生產(chǎn)，對其他煤層是否有保護作用至關(guān)重要，本文以肥田礦井作為實例進行探討分析。

1　礦井概況

肥田礦井位于貴州省織金縣的珠藏鎮(zhèn)和少普鄉(xiāng)境內(nèi)，該井田由少普勘探區(qū)(肥田一號井)、普夏西勘探區(qū)(肥田二號井) 2個勘探區(qū)組成。井田位于珠藏向斜，呈北東－南西向展布，東北部與紅梅相接，南部與阿弓井田相接，礦井走向長7.05～13.9km，傾斜寬1.17～5.48km，面積約48.7785km2。設(shè)計生產(chǎn)能力為2.4Mt/a，礦井分期建設(shè)，一期已開工建設(shè)，二期正在審批中。

1.1煤層賦存狀況

井田內(nèi)出露地層有第四系，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，二疊系上統(tǒng)大隆組、長興組、龍?zhí)督M、峨嵋山組、下統(tǒng)茅口組。

本井田含煤地層為二疊系上統(tǒng)的大隆組、長興組、龍?zhí)督M。其中大隆、長興組共厚35.60m，含煤1～3層，總厚度0.10～2.30m，平均0.50m，為不可采煤層。

龍?zhí)督M厚度318～380m，含煤26～36層，分為3個含煤段，煤層總厚度21.90～25.53m，含煤系數(shù)6.3%～7.3%，其中可采煤層7～12層，即6，6－1，7，14，16，17，20，21，23，27，29，34號煤層。根據(jù)井田范圍內(nèi)煤層賦存特征，煤層分為上下2個煤組: 6，6－1和7號煤層為上煤組; 16，17，20，21，23，27，29和34號煤層為下煤組，上下煤組之間層間距為93.60～138.50m。其上下煤組煤層賦存見圖1。

1.2煤層瓦斯參數(shù)

礦井在一分區(qū)11采區(qū)開拓及準(zhǔn)備巷道工程中發(fā)現(xiàn)，11采區(qū)上煤組中6號煤層煤體松軟、煤體破壞類型較高，在施工順層預(yù)抽鉆孔時噴孔、卡鉆等現(xiàn)象嚴(yán)重、突出預(yù)兆明顯、實測瓦斯指標(biāo)超標(biāo)頻繁;一分區(qū)11采區(qū)上煤組7號煤層在主斜井施工過程中曾發(fā)生過煤與瓦斯突出事故;下煤組16號煤層至今未發(fā)生過噴孔、卡鉆等突出預(yù)兆和瓦斯動力現(xiàn)象，且煤層硬度較高，相比上煤組6號和7號煤層，突出危險程度相對較低，且抵抗突出的能力也較強。

圖1　井田上下煤組煤層賦存狀況

建井期間，重慶煤科院對礦井一分區(qū)11采區(qū)上煤組6號、7號，下煤組16號煤層進行過瓦斯基本參數(shù)測定及煤層突出危險性鑒定，肥田煤礦開采的上煤組6號、7號，下煤組16號煤層均為突出煤層，礦井為突出礦井，其測定的突出危險性參數(shù)見表1。

表1　一分區(qū)主采煤層瓦斯突出參數(shù)實測

從織金片區(qū)上下煤組的瓦斯賦存情況、肥田煤礦井田內(nèi)上下煤組實測的瓦斯突出參數(shù)及建井期間揭露上下煤組的煤層特征看出，肥田煤礦下煤組的突出危險性程度低于上煤組。因此，肥田煤礦宜選擇下煤組優(yōu)先開采，即井田內(nèi)組間開采順序為:下煤組→上煤組，采用“組間上行”的開采程序，利用下煤組多重采動影響來增加上煤組煤層的透氣性，從而形成突出煤層群開采的宏觀區(qū)域性瓦斯治理格局。

2　首采層選擇

由于肥田煤礦選擇下煤組優(yōu)先開采，采用“組間上行”開采順序，即下煤組→上煤組。因此，首采層的選擇僅考慮在下煤組可采煤層中進行確定。

根據(jù)《貴州省織納礦區(qū)肥田煤礦資源/儲量核實報告》礦產(chǎn)資源儲量評審備案證明及《貴州省織納礦區(qū)肥田煤礦資源/儲量核實報告》礦產(chǎn)資源儲量評審意見書(國土資礦評儲字〔2010〕21 號)，礦井地質(zhì)資源量僅核準(zhǔn)至下煤組20號煤層，礦井初步設(shè)計未將21～34號煤層納入資源/儲量及可采儲量范圍，暫不進行開采。因此，下煤組首采層的選擇僅在16號、17號、20號煤層之間進行。

2.1瓦斯賦存條件分析

查閱《肥田煤礦精查地質(zhì)報告》及井下實測16號煤層瓦斯含量，不同埋深條件下的下煤組煤層瓦斯含量(見表2)。

表2　下煤組煤層瓦斯含量統(tǒng)計

從表2可以看出，下煤組原煤瓦斯含量均較高，根據(jù)地勘期間及井田開拓期間實測的煤層瓦斯含量與埋深的相關(guān)關(guān)系，推算埋深300m時(目前開采深度)下煤組煤層瓦斯含量(見表2)。

通過對下煤組煤層瓦斯含量的分析，相同埋深條件下，16號煤層的瓦斯含量要小于其他煤層瓦斯含量，由于下煤組同屬無煙煤，且煤質(zhì)相當(dāng)，從16號煤層經(jīng)鑒定為突出煤層及其他煤層與16號煤層瓦斯含量指標(biāo)的對比來看，下煤組各煤層也應(yīng)具有突出危險傾向，且突出危險傾向性程度應(yīng)逐漸增加。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》(以下簡稱《防突規(guī)定》)第四十六條第(三)款“當(dāng)?shù)V井中所有煤層都有突出危險時，選擇突出危險程度較小的煤層作保護層先行開采”的相關(guān)規(guī)定，并從煤層瓦斯含量及煤層突出危險傾向性程度來看，下煤組宜選擇突出危險傾向程度相對較小的16號煤層作為保護層先行開采。

2.2下煤組煤層賦存條件分析

從煤層賦存條件分析，一分區(qū)下煤組16號、17號、20號煤層的厚度及變化趨勢見表3。

表3　一分區(qū)下煤組煤層煤厚變化情況

根據(jù)《防突規(guī)定》第四十六條第(二)款“當(dāng)煤層群中有幾個煤層都可作為保護層時，綜合比較分析，擇優(yōu)開采保護效果最好的煤層”的相關(guān)規(guī)定，因此保護層優(yōu)先選擇煤層賦存穩(wěn)定的可采煤層作為保護層先行開采，其主要原因在于穩(wěn)定可采煤層作為保護層開采時可以實現(xiàn)煤層的大面積均勻連續(xù)開采，可以全面有效地消除被保護層的突出危險性。

通過對不同分區(qū)下煤組煤層賦存及可采程度分析，下煤組的16號煤層賦存穩(wěn)定、全區(qū)可采; 20號煤層賦存相對穩(wěn)定，可采程度較高。從下煤組煤層賦存條件分析，礦井下煤組可以選擇16號煤層或20號煤層作為保護層先行開采。

2.3頂?shù)装逋咚钩椴上锊贾玫目臻g條件分析

一分區(qū)下煤組層間距見表4。

表4　一分區(qū)下煤組層間距變化情況

根據(jù)《防突規(guī)定》二十一條:所有突出煤層外的掘進巷道(包括鉆場等)距離突出煤層的最小法向距離小于10m時(在地質(zhì)構(gòu)造破壞帶為小于20m時)，必須邊探邊掘，確保最小法向距離不小于5m。

根據(jù)貴州省地方政府關(guān)于頂(底)板瓦斯抽采巷布置的要求，頂?shù)装逋咚钩椴蓪Ｓ孟锊贾脤游粦?yīng)距上下突出煤層的法向距離不少于10m。

根據(jù)一分區(qū)下組煤的煤層賦存間距，結(jié)合《防突規(guī)定》二十一條和貴州省地方政府關(guān)于頂(底)板瓦斯巷布置的要求，在16號煤層頂板、29號和34號煤層之間具備布置瓦斯巷的條件。

若將下煤組瓦斯巷布置在29號和34號煤層之間，距離可采的20號和16號煤層的平均層間距達到75m和103m，一是預(yù)抽鉆孔較長，鉆孔工程量較大，不利于正常采掘接替;二是由于層間賦存有灰?guī)r標(biāo)志層，鉆孔施工難度較大;三是底板瓦斯巷布置時，石門需穿過17號、20號、23號、27號和29號等具有突出傾向的煤層，揭穿突出危險煤層次數(shù)較多，對安全不利。

若將下煤組瓦斯巷布置在16號煤層頂板，距離可采的16號和20號煤層的平均層間距為12m 和43m，預(yù)抽鉆孔較短，鉆孔工程量較小，有利于正常采掘接替，層間無標(biāo)志層，鉆孔施工難度小，且石門無需揭穿下組突出煤層，對安全有利。

因此，從頂(底)板瓦斯巷布置的空間條件來看，礦井下煤組可以選擇16號或20號煤層作為保護層先行開采。

2.4開采技術(shù)條件分析

根據(jù)《防突規(guī)定》第四十六條第(四)款“保護層選擇應(yīng)優(yōu)先選擇上保護層，在選擇開采下保護層時，不得破壞被保護層的開采條件”。下面分別從《防突規(guī)定》附錄D4:“開采下保護層的最小層間距”的頂板控制系數(shù)法和煤層間垮落上行順序采煤的比值判別法，對不同分區(qū)選擇保護層時是否破壞上部鄰近可采煤層開采條件進行分析。

(1)頂板控制系數(shù)法當(dāng)開采下保護層開采時，應(yīng)不破壞上部鄰近可采煤層的開采條件，其最小層間距離根據(jù)《防突規(guī)定》中最小層間距計算公式如下:

當(dāng)α＜60°時，H = KMcosα

當(dāng)α≥60°時，H = KMsin(α/2)

式中，H為允許采用的最小層間距，m; M為保護層的開采厚度，m;α為煤層傾角，(°) ; K為頂板控制系數(shù)。當(dāng)冒落法控制頂板時，K取10;當(dāng)充填法控制頂板時，K取6。

(2)比值判別法根據(jù)我國上行順序開采的生產(chǎn)實踐和研究證明，當(dāng)上下鄰近煤層層間距離和首采層采高的比值K＞7.5時，一般不影響上部煤層開采，上部煤層采掘活動應(yīng)在下煤層開采4～6個月后進行。用比值K的大小判別，即:

K = H/M2

式中，H為上部與下部煤層的層間距，m; M2為下部開采層煤層的開采厚度，m。

按照頂板系數(shù)法和比值判別法對礦井一分區(qū)開采保護層時不破壞被保護層的開采技術(shù)條件進行分析，見表5、表6。

根據(jù)頂板系數(shù)法和比值判別法計算得出，下煤組開采16號、20號煤層時，不會破壞上鄰近層的開采條件，因此，從開采技術(shù)條件分析，下煤組可選擇16號或20號煤層作為保護層先行開采。

表5　按照頂板系數(shù)法計算允許的最小層間距

表6　按照比值判別法計算允許的最小層間距

2.5區(qū)段石門揭穿突出煤層次數(shù)分析

從肥田煤礦一分區(qū)現(xiàn)有開拓巷道布置來看，一分區(qū)井底車場及采區(qū)主要巷道均布置在上下煤組之間，采煤工作面均通過區(qū)段石門揭穿煤層布置工作面巷道，形成回采工作面。

根據(jù)《防突規(guī)定》第十六條第二款“突出礦井的巷道布置應(yīng)減少井巷揭穿突出煤層的次數(shù)”的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合礦井已布置的開拓巷道情況，下煤組首采16號煤層時，相對下組其他煤層，揭穿突出煤層或具有突出傾向性的煤層的次數(shù)最少。

因此，從區(qū)段石門揭穿突出煤層次數(shù)分析，肥田煤礦宜選擇下煤組16號煤層作為保護層先行開采。

3　保護層選擇結(jié)果

綜合上述分析，從肥田煤礦井田內(nèi)上下煤組實測的瓦斯突出參數(shù)、建井期間揭露上下煤組時的煤層賦存情況、頂(底)板瓦斯巷布置的空間條件、開采技術(shù)條件及區(qū)段石門揭穿突出煤層次數(shù)等方面分析來看，肥田煤礦優(yōu)先選擇下煤組16號煤層作為保護層先行開采。

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［責(zé)任編輯:鄒正立］

Analysis of Selecting Protective Coal-seam in Coal-and-methane Outburst Mine

LI Mu-xuan1，2，LI Xi-jian1

(1.Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2.Guizhou Coal Mine Design and Research Institute，Guiyang 550025，China)

Abstract:For the high-methane or coal-and-methane outburst mines with close-distance coal-seams，selection of primary-mining coalseam was very important.For Feitian Mine，according to outburst prevention regulations，from methane outburst parameters，coalseam occurrence state，space condition of methane roadway arrangement，mining condition and times of section crossdrift uncovering coal，16th coal-seam of lower-group was selected as protective seam.

Keywords:coal-and-methane outburst; protective coal-seam; selection

［作者簡介］李木宣(1979－)，男，貴州赫章人，高級工程師，從事采礦設(shè)計工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.029

［收稿日期］2014－06－18

［中圖分類號］TD823.82

［文獻標(biāo)識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0106-04