高瓦斯近距离煤层群保护层煤与瓦斯共采技术

李进朋

（华晋焦煤有限责任公司，山西离石 033300）

高瓦斯近距离煤层群保护层煤与瓦斯共采技术

李进朋

（华晋焦煤有限责任公司，山西离石 033300）

根据沙曲矿的具体地质条件，通过对保护层开采机理的分析，确定矿井北翼2号薄煤层为下方3+4号和5号煤层的保护层，计算得出保护层首采工作面22201的保护范围和解放煤量2.4Mt;针对2号煤层的赋存条件，研究了22201工作面的采煤技术，包括巷道布置、工作面主要设备和采煤工艺;采用保护层开采对突出煤层的卸压作用和瓦斯抽采技术，设计了本煤层、下部3+4号煤层和采空区瓦斯的抽采方案，达到解放下部煤层的目的。沙曲矿对高瓦斯近距离煤层保护层煤与瓦斯共采技术的研究，为其他类似条件下开采提供了借鉴。

高瓦斯;近距离煤层群;保护层;煤与瓦斯共采

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

华晋焦煤有限责任公司沙曲矿位于山西吕梁地区柳林县境内，全矿井绝对瓦斯涌出量328.77m3/min，相对瓦斯涌出量66.65m3/t，属高瓦斯矿井，经煤炭科学研究总院抚顺研究院鉴定为煤与瓦斯突出矿井。

沙曲矿井田北翼2号煤层大部可采，可采范围内煤层厚度平均1.1m，该层煤与下方的3+4号煤层平均间距13.95m，与5号煤层相距22.6m，2号、3+4号和5号煤层为近距离煤层群。根据我国《煤矿安全规程》第193条规定:“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层作为防治突出措施”。开采保护层是迄今防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的根本措施［1］。

1 保护层开采技术研究

1.1 保护层开采机理分析

在突出矿井的煤层群中，首先开采的没有突出危险或突出危险性较小的煤层称为保护层。相应的受其保护影响的未被开采的有突出危险煤层可称为被保护层。由于保护层的开采对突出危险煤层产生卸压保护作用，使之在采掘过程中不再发生突出或降低发生突出的危险性，从而达到防止煤与瓦斯突出的目的。

由于保护层与被保护层之间岩层卸压后发生垂直层面的膨胀变形，使得平行层面的部分岩层发生收缩变形，导致原岩层裂隙沟通，为解吸瓦斯向采空区流动提供通道。被保护层卸压提高了瓦斯排放能力，瓦斯的不断涌出引起瓦斯压力下降和煤的力学强度增高。卸压作用是引起其他因素变化的依据，起决定性的作用［2－4］。

1.2 保护层的确定

保护层开采通常应具备以下3个条件:

（1）应是煤层群开采。

（2）应具有合理层间距。保护层作用随层间距的增大而减小，达到某一临界值时，保护作用已不明显。根据大量试验资料统计分析，采深不大于600m，工作面长150m，层间距临界值为61m，工作面长125m，层间距临界值为56m。

（3）煤层群内存在不具有突出或冲击地压等动力现象的煤层作为保护层。

根据北翼煤层赋存条件和2号、3+4号、5号煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定结果，2号煤层在430m水平及以上区域无煤与瓦斯突出危险性，且2号煤层距离下方3+4号煤层为13.95m，与5号煤层相距22.6m，可作为保护层进行开采。根据上述保护层开采条件、沙曲矿井煤层特征和鉴定情况分析，将矿井北翼2号煤层做为保护层开采是可行的，因此，设计在北翼2号煤层作为保护层开采，采用薄煤层综采回采工艺。

1.3 保护层作用范围和解放的煤量

22201工作面为北翼2号煤首采面，埋深500m，走向长约1500m，倾向长150m，其北面已形成了22202工作面，其余2号煤均未开拓，其下3+4号煤工作面，也仅南面24208工作面正在掘进，其他方位3+4号煤工作面均未施工。

（1）保护层作用范围 保护层与被保护层之间的有效垂距，可用公式 （1）计算。

上保护层的最大有效距离:

式中，S'上为上保护层的理论有效垂距，m，与工作面长度L和开采深度H有关，可参照表1取;β1为保护层开采的影响系数，当M≤M0时，β1=M/M0，当M＞M0时，β1=1;M为保护层的开采厚度，m;M0为保护层的最小有效厚度，m;β2为层间硬岩 （砂岩、石灰岩）含量系数，以η表示在层间岩石中所占的百分比，当η≥50% 时，β2=（1－0.4η）/100， 当 η ＜ 50% 时，β2=1。

表1 S'上与开采深度H和工作面长度L之间的关系

经过分析并结合22201工作面的具体条件，S'上取61m，β1=1，β2=1，所以 S上为61m。2号煤层距下方3+4号煤层13.95m，距离5号煤层22.6m，所以2号煤层开采后，3+4号煤层和5号煤层均在保护层适用范围内。

（2）解放煤量 22201工作面走向长约1500m，倾向长150m，回采面积约为22.5×104m2，对应的3+4号煤层、5号煤层均未采动，22201工作面的开采对应可解放3+4号煤层、5号煤层资源量约2.4Mt。

2 薄煤层采煤技术

2.1 工作面巷道布置

22201工作面采用沿空留巷、Y型通风方式。工作面回采时，22201机轨合一巷和辅助运输巷为进风巷，22202轨道巷为22201综采工作面总回风巷，22201机轨合一巷在22201工作面回采后通过沿空留巷的方式保留下来，如图1所示。

22201工作面辅助运输巷为锚梁网支护，矩形断面，用于进风及辅助运输，巷道具体参数见表2。

22201工作面机轨合一巷为沿空留巷巷道，矩形断面，锚梁网支护，在留巷期间采用补强进行顶板加固支护;机轨合一巷用于进风、运煤及运充填料，巷道具体参数见表3。留巷断面为矩形断面，锚、网、索、W钢带等充填墙体联合支护。留巷宽度初定为4.6m。

图1 22201工作面巷道布置

表2 22201辅助运输巷道参数

表3 22201机轨合一巷巷道参数

22202轨道巷采用锚梁网支护，矩形断面;22202轨道巷为22201综采工作面回采时的回风通道，巷道具体参数同22201机轨合一巷。

2.2 工作面主要设备

针对沙曲矿2号煤层地质条件，选择适合22201工作面薄煤层开采的主要设备，具体见表4。

2.3 采煤工艺

工作面采用倾斜长壁后退式跟顶割底的综合机械化采煤方法。采用自然垮落法控制顶板。

采煤工艺流程:双滚筒采煤机割煤、装煤→可弯曲刮板输送机运煤→液压自移式支架支护顶板→推移输送机→清扫浮煤。

采用人工放炮的形式在机头、机尾处进行开缺口，之后机头处采用锚索加钢带进行人工支护。

3 瓦斯综合抽采技术

根据沙曲矿提供的瓦斯资料，2号煤层原始瓦斯含量X2=10.65m3/t·f;下方3+4号煤层原始瓦斯含量X4=11.42m3/t·f;下方5号煤层原始瓦斯含量X5=12.08m3/t·f。因此，工作面瓦斯主要来源为本煤层瓦斯和下方3+4号煤层、5号煤层。

3.1 工作面瓦斯涌出量预测

根据分源预测法，计算出22201工作面本煤层瓦斯相对涌出量为10.73m3/t，邻近层相对涌出量为28.77m3/t，所以22201工作面瓦斯相对涌出量为39.5m3/t。工作面日产2000t时的绝对瓦斯涌出量为54.86m3/min。按照《煤矿安全规程》，必须采取有效的综合抽采瓦斯和治理措施。

表4 22201工作面主要设备

3.2 瓦斯抽采设计［5－6］

3.2.1 本煤层钻孔抽采

（1）钻场形式瓦斯抽采 在22201辅助运输巷 （900m往里至切眼）采帮及22201机轨合一巷采帮每隔50m布置1个钻场，共布置38个钻场，每个钻场布置8钻孔，机轨合一巷和辅助运输巷钻场共施工本煤层钻孔304个，总进尺为24320m，钻场布置具体如图2所示。

（2）平行钻孔形式瓦斯抽采 22201辅助运输巷采帮从900m处开始布置1号钻孔，直到距大巷保护煤柱20m处结束，钻孔垂直巷道布置，钻孔间距为9m，钻孔倾角为+1°，钻孔单孔设计深度为80m，在施工过程中钻孔倾角可根据现场地质条件而定。钻孔总施工数为81个，总进尺为6480m，平行钻孔布置如图2所示。

图2 本煤层抽采钻孔

3.2.2 下部3+4号煤层瓦斯抽采

在2号煤层下部3+4号煤层的24208辅助运输巷布置打钻，隔10m布置1个顺煤层倾向钻孔，钻孔长度为180m，共计150个钻孔，钻孔自22201工作面切眼方向开始施工。采前预抽3+4号煤层瓦斯以及采后抽采3+4号煤层、5号煤层卸压瓦斯。钻孔布置如图3所示。

图3 下部煤层瓦斯抽采

3.2.3 沿空留巷抽采

沿空留巷Y型通风采空区上部积聚大量高浓度瓦斯，为保证较高的瓦斯抽采率，保证工作面本质安全型生产，在22201留巷充填体内每间隔9m预留φ102mm钢管，并用法兰盘埋线管连接，伸出墙体0.5m，在留巷施工过程中，每个φ102mm管设置1个闸阀和观测孔与巷道非采帮的φ320mm抽放管连接，并将沿空留巷非采帮φ320mm抽放管延接至22201工作面采空区后部实现采空区瓦斯抽采。沿空留巷抽采如图4所示。

图4 沿空留巷抽采示意

4 结论

通过对沙曲矿高瓦斯近距离煤层保护层煤与瓦斯共采技术研究，确定矿井北翼2号薄煤层为下方3+4号和5号煤层的保护层，分析了保护层的作用范围和解放煤量2.4Mt;研究了2号煤层首采工作面22201的采煤工艺，包括巷道布置、工作面主要设备和采煤工艺;分析了22201工作面瓦斯治理技术，确定了本煤层、邻近层和采空区瓦斯抽采技术。沙曲矿对高瓦斯近距离煤层保护层煤与瓦斯的共采技术，为其他类似条件下开采提供了借鉴。

［1］秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理 ［J］.煤矿开采，2010，15（2）:85－87.

［2］黄旭超.保护层开采被保护煤层自卸压效果分析［J］.煤矿安全，2011，42（1）:113－115.

［3］吴建亭.开采保护层煤层的防突作用效果分析 ［J］.煤炭科学技术，2010，38（5）:66－70.

［4］陶 刚.上保护层无煤柱开采瓦斯治理技术在大湾煤矿的实践 ［J］.煤矿安全，2011，42（6）:90－92.

［5］袁东升，张子敏.近距离保护层开采瓦斯治理技术［J］.煤炭科学技术，2009，37（11）:48－50.

［6］吴建亭，石宪群，钱高峰.保护层开采瓦斯综合治理与利用技术 ［J］.煤矿安全，2010，42（2）:23－26.

TD712

B

1006-6225（2012）02-0041-03

2011－12－08

李进朋 （1960－），男，山西运城人，高级工程师，现任华晋焦煤有限责任公司总工程师，从事煤矿开采技术研究。

［责任编辑:邹正立］