近距离突出煤层群区域防突技术实践

张文豪

(西山煤电(集团)有限责任公司技术中心，山西 太原 030053)

保护层开采和预抽是煤与瓦斯突出矿井的两项区域防突技术措施。上下保护层开采、顺层瓦斯预抽、穿层瓦斯预抽、地面井预抽等方法在工程实践中的应用，在某种程度上降低了煤与瓦斯突出煤层的突出危险性。

本文以屯兰矿近距离突出煤层群区域防突工程实践为基础，提出了适合屯兰矿生产实际的防突区域规划与区域防突技术措施，缓解了矿井采、掘、抽接替紧张的问题，满足了矿井安全生产的要求。

1 煤层与瓦斯赋存特征

1.1 矿井概况

屯兰矿位于太原古交市西南，距古交市城区约6 km。矿井设计生产能力4.0 Mt/a，煤层倾角2°～15°，一般6°左右。矿井共布置有主斜井、副斜井、副立井以及各盘区进、回风井共10个井筒，斜－立井多水平综合开拓方式，设计划分+750 m、+650 m 2个开采水平9个生产盘区，走向和倾向长壁后退式一次采全高全部垮落综合机械化采煤方法，工作面目前主要采用沿空留巷“Y型”通风和“U型”通风。

1.2 煤层赋存特征

屯兰矿井田范围内共含煤18层，包括01、02、03、1、2、3、4、4下、6、7、8、8a、9 和 10、11 号等煤层，有经济价值、参与储量计算的有 8 层:02、03、2、4、6、7、8和9号。屯兰矿可采煤层赋存情况见表1。

表1 屯兰矿可采煤层赋存表

1.3 瓦斯赋存特征

屯兰矿井田范围内地层呈一个由北北东向南南西倾斜的波浪状单斜构造，自上而下变质程度逐渐加深，自西北向东南变质程度逐渐加深，煤种由肥煤、焦煤到瘦煤变质程度不断加深。井田范围内瓦斯压力从东到西、从北到南逐渐增大，瓦斯含量由东北向西南方向逐渐增加。

1.4 煤与瓦斯突出鉴定状况

经鉴定，屯兰矿2、4、8、9号煤层为突出煤层。屯兰矿突出煤层参数见表2。其中，上组煤2#和4#煤层，下组煤8#和9#煤层为近距离突出煤层群。

表2 屯兰矿突出煤层参数表

2 屯兰矿回采与防突现状

2.1 盘区划分与回采现状

屯兰矿共9个盘区，屯马铁路与屯兰河保护煤柱西北侧划分为北一、北三盘区(北二、北三盘区已合并为北三盘区)，屯马铁路与屯兰河保护煤柱东南侧、古交断层保护煤柱西北侧划分为南一、南二、南三盘区，古交断层保护煤柱东南侧、土地沟断层与原平河保护煤柱西北侧划分为南四、南五盘区，土地沟断层与原平河保护煤柱东南侧划分为南六、南七盘区。

北一盘区上组2#煤层已采完，下组8#煤共设计有15个工作面，已采完8个工作面，正在回采28110工作面。北三盘区正在进行盘区大巷开拓的准备。南二盘区上组2#煤层已采完，南二盘区左翼下组8#煤层布置4个工作面已经采完，9#煤19203工作面已采，正在回采19205工作面，南二盘区右翼正在准备18202工作面。南三盘区上组2#煤层已经采完。南四盘区左翼上组煤2#煤层设计共有6个回采工作面，其中，12401、12403、12405工作面已回采完毕，12407工作面正在准备，后续还有12409以及12411工作面。南五盘区上组2#煤12503回采完毕，12501正在回采，西北翼02#煤层10502工作面正在准备。南一、南六、南七盘区尚未开拓。

2.2 屯兰矿防突现状

1)保护层与井上下预抽多措并举。

屯兰矿在北三、南三、南四、南五、南七等盘区布置地面井抽采瓦斯。井下采用千米钻机和普通钻机开展顺层预抽。在北一、南四、南五回采下组8#煤作为上保护层保护9#煤。

2)瓦斯地质基础研究。

屯兰矿先后委托相关科研单位展开煤层突出危险性鉴定、矿区突出危险性区域预测、瓦斯地质图绘制等研究工作，通过第3方单位实测、科学预测、本单位实测等多种手段，获得了矿区各盘区瓦斯地质基础参数，以指导矿山瓦斯突出防治工作。屯兰矿各盘区瓦斯基础参数汇总见表3。

表3 屯兰矿各盘区瓦斯基础参数汇总表

2.3 屯兰矿防突工作存在问题

1)采掘抽接替紧张。屯兰矿消突后的安全煤量低于实际产量，预抽时间紧张，目前屯兰矿的防突消突方案与生产需要的矛盾突出。

2)邻近层瓦斯涌出治理难度大。鉴于屯兰矿煤层赋存特征为近距离突出煤层群，主采煤层上组煤2#、4#煤层和下组煤8#、9#煤层平均层间距只有9 m和15 m左右。加上各主采煤层还有数个上下邻近层，首采保护层时上下邻近层瓦斯涌出量较大，影响了上隅角瓦斯治理。

3)区域防突措施缺乏合理规划。防突措施分为3个层面:矿井防突设计、盘区(采区)防突设计、工作面防突设计。屯兰矿已形成“一面一策”的工作面防突设计和盘区防突设计，但还应加强矿井层面的防突设计，统筹设计与规划。

3 屯兰矿区域防突措施优化

3.1 屯兰矿防突区域划分

根据屯兰矿盘区生产接续实际，把屯兰矿9个盘区划分3个瓦斯综合防治区域，即生产区、准备区、规划区。开采区为北一、南二盘区，准备区为北三、南三、南四、南五盘区，规划区为南一、南六、南七盘区。

3.2 保护层开采优化

回采被保护层之前，应对保护层保护效果进行实测考察和验证，包括保护垂距、沿倾斜方向保护范围、沿走向保护范围、保护层回采工作面超前距。

1)生产区保护层开采。

北一、南二盘区下组8#、9#煤层的平均层间距约为15.11 m，9#煤层处于8#煤层(上保护层)有效保护垂距范围内，8#煤可作为上保护层进行开采。8#煤层平均煤层厚度为3.41 m，焦煤含量相对较少，含硫相对较高，在目前矿井采掘接替紧张的前提下，开采8#煤层作为保护层能够满足矿井达产的目标。因此，北一、南二盘区采取开采8#煤层作为9#煤层上保护层具备技术可行性和经济合理性。北一、南二盘区下组煤回采时，应选择开采8#煤层作为9#煤层的上保护层。

2)准备区保护层开采。

屯兰矿准备区内北三、南四、南五盘区可选择6#、7#、02#、4#作为保护层，准备区内保护层与被保护层的平均层间距等参数见表4。

表4 屯兰矿准备区内保护层优选

北三盘区内，6#煤层赋存稳定，7#煤层赋存较稳定。2#煤处于6#、7#煤(下保护层)有效保护垂距范围内;8#煤层处于6#、7#煤(上保护层)有效保护垂距范围内。目前，屯兰矿6#煤层未测定瓦斯压力，7#煤层测定最大瓦斯压力达0.53 MPa，瓦斯压力较低，7#煤可作为上下保护层，进行开采。北三盘区开采7#煤层作为上下保护层具备技术可行性，可同时保护上组2#煤层以及下组8#、9#煤层，实现一层煤开采，多层煤同时卸压。北三盘区回采顺序为:7#→2#→8#→9#煤层。

南三盘区2#煤已经回采完毕，盘区内6#、7#煤赋存稳定性和煤厚资料较少，初步选择7#煤可作为上保护层进行开采。南三盘区采取开采7#煤层作为上保护层具备技术可行性，经济合理性需根据盘区内煤层实际赋存情况进一步确定。南三盘区回采顺序为7#→8#→9#煤层。

南四盘区内7#煤层赋存较稳定。2#煤处于7#煤(下保护层)有效保护垂距范围内;8#煤层处于7#煤(上保护层)有效保护垂距范围内;9#煤处于7#煤(上保护层)有效保护垂距范围内。南四盘区开采7#煤层作为上下保护层具备技术可行性，可同时保护上组2#煤层以及下组8、9#煤层，实现一层煤开采，多层煤同时卸压。南四盘区回采顺序为7#→2#→8#→9#煤层。

南五盘区内02#、4#煤层较稳定，2#煤层处于02#煤层(上保护层)和4#煤层(下保护层)的有效保护垂距内。南五盘区上组煤盘区大巷已经形成，目前已经回采了2个2#煤工作面，根据生产实际，选择02#煤层作为2#煤层的上保护层进行开采，更为经济合理。南五盘区上组煤回采顺序为02#→2#→4#煤层。

3)规划区保护层开采。

南一、南六、南七盘区保护层开采，从保护层保护垂距及下邻近层垮落带高度两方面考虑，主要有02#、6#、7#煤层可能作为保护层开采。回采上组煤时，选择开采02#煤层作为2#煤层的上保护层进行开采;回采下组煤时，为减少下邻近层瓦斯涌出带来的影响，选择7#煤层作为下组8#、9#煤层的上保护层开采。若屯兰矿南一、南六、南七盘区范围内02#和7#煤为突出危险区，应对02#、7#煤预抽消突后开采。目前02#、6#、7#煤层皆未进行过参数测定及煤与瓦斯突出鉴定，无法确定是否突出及突出危险性大小，有条件时应进行02#、7#煤层的煤与瓦斯突出鉴定，若为突出煤层突出危险区，则应对保护层采取区域预抽措施;若为非突出危险区或非突煤层，则优先作为南一、南六、南七盘区2#、8#煤层的上保护层进行开采。

3.3 预抽优化

1)生产区预抽。

生产区北一、南二盘区下组煤预抽优化前是在9#煤层中布置8#煤层的瓦斯抽采巷，采用迈步钻场布置9#煤顺层钻孔预抽该瓦斯抽采巷条带瓦斯，然后在瓦斯抽采巷布置穿层钻孔预抽8#煤顺槽条带瓦斯，待消突后掘进8#煤层顺槽，进而采用8#煤本煤层顺层钻孔预抽工作面瓦斯。采用9#煤层瓦斯抽采巷预抽8#煤层回采区域瓦斯，具有无岩巷施工工程量小、穿层钻孔施工工程量小、工期短、有效钻孔长度利用率高等优点，适合于突出危险性较小煤层的预抽瓦斯。

生产区北一、南二盘区下组煤预抽方案优化后，在9#煤层底板15 m处，与顺槽内错25 m，布置底板岩石走向瓦斯抽采巷，穿层预抽8#煤层顺槽条带瓦斯，控制8#煤层工作面顺槽两帮至少15 m。封孔深度应不小于8 m，封孔管直径大于50 mm。根据该矿经验，8#煤层采用底板穿层钻孔预抽顺槽条带瓦斯时，采用的直径113 mm钻孔，终孔间距5 m时，预抽时间不得少于180 d。设计抽放天数、终孔间距应根据实测瓦斯含量、煤层透气性系数、抽放半径等参数确定。采用本煤层顺层钻孔预抽8#煤层回采区域瓦斯，具有预抽效果好、时间短、克服8#煤顺槽和9#煤底抽巷掘进时邻近层瓦斯涌出量大、有效钻孔长度利用率高等优点，适用于该矿生产区内北一、南二盘区下组8#煤上下邻近层瓦斯涌出较多的特点，见图1。

图1 北一、南二盘区下组煤预抽优化前与优化后

2)准备区区域预抽。

地面井预抽。该矿准备区内北三、南五盘区具备地面井预抽的条件，已经施工或者计划施工地面井预抽。地面井预抽是北三盘区消突的有益补充措施。

准备区上组煤预抽。该矿北三、南三、南四盘区上组2#煤层预抽，采用穿层预抽2#煤顺槽条带瓦斯、本煤层递进式顺层钻孔预抽2#煤回采区域瓦斯，见图2。该矿南五盘区上组02#煤层采用千米钻机顺层预抽顺槽条带瓦斯和回采区域瓦斯，南五盘区上组2#煤层采用千米钻顺层预抽回采区域瓦斯，见图3。

图2 北三盘区上组煤预抽优化前与优化后

图3 南五盘区西北翼02#煤顺槽条带和回采区段、东南翼2#煤预回采区段预抽图

准备区下组煤预抽。北三、南四、南五盘区下组8#煤层预抽，与北一、南二盘区8#煤预抽消突措施相同。

3)规划区预抽。

规划区地面井预抽。该矿南六、南七盘区已进行了地面井预抽，目前抽放瓦斯量为5万m3/d，以地面井抽采10年为例，按目前地面抽采情况，10年共能抽瓦斯约1.825×108m3，估算南六、南七盘区的煤炭储量约1.2亿t，则南六、南七盘区煤层瓦斯含量能降低约1.5 m3/t，根据南七盘区2#煤层平均瓦斯含量达13.28 m3/t，按此估算，瓦斯含量未能降到 8 m3/t，则仍需进行井下预抽煤层瓦斯。

规划区上组煤预抽。屯兰矿规划区南一、南六、南七盘区上组02#、2#煤层应预抽消突。屯兰矿南一、南六、南七盘区02#、2#煤的瓦斯预抽方案与屯兰矿生产区上组02#、2#煤的煤巷条带瓦斯、回采区域瓦斯预抽方案相同，预抽时间应根据规划区内瓦斯赋存实际情况进行调整。

规划区下组煤预抽。该矿规划区南一、南六、南七盘区预抽8#煤消突措施和屯兰矿+650水平北一、南二、北三、南五盘区8#煤预抽消突措施相同，预抽时间应根据规划区内瓦斯赋存实际情况进行调整。

综上所述，南六、南七盘区采用的区域预抽防突措施主要有:开采保护层、地面井预抽、分别在4#、9#煤底板穿层预抽02#、7#煤顺槽条带瓦斯、分别在4#、9#煤底板穿层抽2#、8#煤卸压瓦斯、顺层递进式预抽02#、7#煤回采区域瓦斯。

4 结论与建议

1)盘区地质资料有待进一步完善。该矿应进一步完善北一、南一、南三、南六、南七盘区地质说明书等资料，包括断层、褶皱等构造力学性质、顶底板物理力学性能等，并加强该矿地质、抽采、防突、通风各职能单位的资料共享。

2)进一步补充瓦斯基础参数。该矿应进一步补充实测北三、南一、南三、南四、南五等盘区的主采煤层瓦斯压力、含量、透气性系数、抽排放半径等参数，加快02#、6#、7#煤层瓦斯基础参数测定或鉴定工作。

3)考察保护层保护效果。该矿应加强保护层对被保护层的保护效果、保护范围及保护超前距的考察工作。

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