矿井保护层选择分析论证

李木宣，李希建

(1.贵州大学，贵州贵阳550025; 2.贵州煤矿设计研究院，贵州贵阳550025)



矿井保护层选择分析论证

李木宣1，2，李希建1

(1.贵州大学，贵州贵阳550025; 2.贵州煤矿设计研究院，贵州贵阳550025)

［摘要］对于煤层层数较多的近距离煤层群且具有高瓦斯或煤与瓦斯突出的矿井，首采层选择对矿井安全生产至关重要。以贵州肥田矿井为例，按照《防突规定》，从井田内上下煤组实测的瓦斯突出参数、煤层赋存状况、瓦斯巷布置的空间条件、开采技术条件及区段石门揭穿突出煤层次数等方面综合分析论证，最终选择下煤组16号煤层作为保护层先行开采。

［关键词］煤与瓦斯突出;保护层;选择

［引用格式］李木宣，李希建.矿井保护层选择分析论证［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 106－109.

开采保护层是防治突出矿井瓦斯灾害最经济、最有效的根本手段，是国内普遍采用的区域性防突措施。开采保护层后，对有突出危险的煤层被保护层产生保护作用，造成被保护层应力降低、煤层透气性增加、强化瓦斯预抽，促使煤体强度增加，使之消除或减少突出危险性，达到防治煤与瓦斯突出的目的。

贵州省现有或在建大、中煤矿均为高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，瓦斯灾害已成为煤矿安全生产的最主要危害，解决办法一般为开采保护层或预抽煤层瓦斯。针对煤层层数较多的近距离煤层群矿井，首采层选择关系到矿井是否能安全生产，对其他煤层是否有保护作用至关重要，本文以肥田矿井作为实例进行探讨分析。

1　矿井概况

肥田矿井位于贵州省织金县的珠藏镇和少普乡境内，该井田由少普勘探区(肥田一号井)、普夏西勘探区(肥田二号井) 2个勘探区组成。井田位于珠藏向斜，呈北东－南西向展布，东北部与红梅相接，南部与阿弓井田相接，矿井走向长7.05～13.9km，倾斜宽1.17～5.48km，面积约48.7785km2。设计生产能力为2.4Mt/a，矿井分期建设，一期已开工建设，二期正在审批中。

1.1煤层赋存状况

井田内出露地层有第四系，三叠系下统飞仙关组，二叠系上统大隆组、长兴组、龙潭组、峨嵋山组、下统茅口组。

本井田含煤地层为二叠系上统的大隆组、长兴组、龙潭组。其中大隆、长兴组共厚35.60m，含煤1～3层，总厚度0.10～2.30m，平均0.50m，为不可采煤层。

龙潭组厚度318～380m，含煤26～36层，分为3个含煤段，煤层总厚度21.90～25.53m，含煤系数6.3%～7.3%，其中可采煤层7～12层，即6，6－1，7，14，16，17，20，21，23，27，29，34号煤层。根据井田范围内煤层赋存特征，煤层分为上下2个煤组: 6，6－1和7号煤层为上煤组; 16，17，20，21，23，27，29和34号煤层为下煤组，上下煤组之间层间距为93.60～138.50m。其上下煤组煤层赋存见图1。

1.2煤层瓦斯参数

矿井在一分区11采区开拓及准备巷道工程中发现，11采区上煤组中6号煤层煤体松软、煤体破坏类型较高，在施工顺层预抽钻孔时喷孔、卡钻等现象严重、突出预兆明显、实测瓦斯指标超标频繁;一分区11采区上煤组7号煤层在主斜井施工过程中曾发生过煤与瓦斯突出事故;下煤组16号煤层至今未发生过喷孔、卡钻等突出预兆和瓦斯动力现象，且煤层硬度较高，相比上煤组6号和7号煤层，突出危险程度相对较低，且抵抗突出的能力也较强。

图1　井田上下煤组煤层赋存状况

建井期间，重庆煤科院对矿井一分区11采区上煤组6号、7号，下煤组16号煤层进行过瓦斯基本参数测定及煤层突出危险性鉴定，肥田煤矿开采的上煤组6号、7号，下煤组16号煤层均为突出煤层，矿井为突出矿井，其测定的突出危险性参数见表1。

表1　一分区主采煤层瓦斯突出参数实测

从织金片区上下煤组的瓦斯赋存情况、肥田煤矿井田内上下煤组实测的瓦斯突出参数及建井期间揭露上下煤组的煤层特征看出，肥田煤矿下煤组的突出危险性程度低于上煤组。因此，肥田煤矿宜选择下煤组优先开采，即井田内组间开采顺序为:下煤组→上煤组，采用“组间上行”的开采程序，利用下煤组多重采动影响来增加上煤组煤层的透气性，从而形成突出煤层群开采的宏观区域性瓦斯治理格局。

2　首采层选择

由于肥田煤矿选择下煤组优先开采，采用“组间上行”开采顺序，即下煤组→上煤组。因此，首采层的选择仅考虑在下煤组可采煤层中进行确定。

根据《贵州省织纳矿区肥田煤矿资源/储量核实报告》矿产资源储量评审备案证明及《贵州省织纳矿区肥田煤矿资源/储量核实报告》矿产资源储量评审意见书(国土资矿评储字〔2010〕21 号)，矿井地质资源量仅核准至下煤组20号煤层，矿井初步设计未将21～34号煤层纳入资源/储量及可采储量范围，暂不进行开采。因此，下煤组首采层的选择仅在16号、17号、20号煤层之间进行。

2.1瓦斯赋存条件分析

查阅《肥田煤矿精查地质报告》及井下实测16号煤层瓦斯含量，不同埋深条件下的下煤组煤层瓦斯含量(见表2)。

表2　下煤组煤层瓦斯含量统计

从表2可以看出，下煤组原煤瓦斯含量均较高，根据地勘期间及井田开拓期间实测的煤层瓦斯含量与埋深的相关关系，推算埋深300m时(目前开采深度)下煤组煤层瓦斯含量(见表2)。

通过对下煤组煤层瓦斯含量的分析，相同埋深条件下，16号煤层的瓦斯含量要小于其他煤层瓦斯含量，由于下煤组同属无烟煤，且煤质相当，从16号煤层经鉴定为突出煤层及其他煤层与16号煤层瓦斯含量指标的对比来看，下煤组各煤层也应具有突出危险倾向，且突出危险倾向性程度应逐渐增加。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》(以下简称《防突规定》)第四十六条第(三)款“当矿井中所有煤层都有突出危险时，选择突出危险程度较小的煤层作保护层先行开采”的相关规定，并从煤层瓦斯含量及煤层突出危险倾向性程度来看，下煤组宜选择突出危险倾向程度相对较小的16号煤层作为保护层先行开采。

2.2下煤组煤层赋存条件分析

从煤层赋存条件分析，一分区下煤组16号、17号、20号煤层的厚度及变化趋势见表3。

表3　一分区下煤组煤层煤厚变化情况

根据《防突规定》第四十六条第(二)款“当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时，综合比较分析，择优开采保护效果最好的煤层”的相关规定，因此保护层优先选择煤层赋存稳定的可采煤层作为保护层先行开采，其主要原因在于稳定可采煤层作为保护层开采时可以实现煤层的大面积均匀连续开采，可以全面有效地消除被保护层的突出危险性。

通过对不同分区下煤组煤层赋存及可采程度分析，下煤组的16号煤层赋存稳定、全区可采; 20号煤层赋存相对稳定，可采程度较高。从下煤组煤层赋存条件分析，矿井下煤组可以选择16号煤层或20号煤层作为保护层先行开采。

2.3顶底板瓦斯抽采巷布置的空间条件分析

一分区下煤组层间距见表4。

表4　一分区下煤组层间距变化情况

根据《防突规定》二十一条:所有突出煤层外的掘进巷道(包括钻场等)距离突出煤层的最小法向距离小于10m时(在地质构造破坏带为小于20m时)，必须边探边掘，确保最小法向距离不小于5m。

根据贵州省地方政府关于顶(底)板瓦斯抽采巷布置的要求，顶底板瓦斯抽采专用巷布置层位应距上下突出煤层的法向距离不少于10m。

根据一分区下组煤的煤层赋存间距，结合《防突规定》二十一条和贵州省地方政府关于顶(底)板瓦斯巷布置的要求，在16号煤层顶板、29号和34号煤层之间具备布置瓦斯巷的条件。

若将下煤组瓦斯巷布置在29号和34号煤层之间，距离可采的20号和16号煤层的平均层间距达到75m和103m，一是预抽钻孔较长，钻孔工程量较大，不利于正常采掘接替;二是由于层间赋存有灰岩标志层，钻孔施工难度较大;三是底板瓦斯巷布置时，石门需穿过17号、20号、23号、27号和29号等具有突出倾向的煤层，揭穿突出危险煤层次数较多，对安全不利。

若将下煤组瓦斯巷布置在16号煤层顶板，距离可采的16号和20号煤层的平均层间距为12m 和43m，预抽钻孔较短，钻孔工程量较小，有利于正常采掘接替，层间无标志层，钻孔施工难度小，且石门无需揭穿下组突出煤层，对安全有利。

因此，从顶(底)板瓦斯巷布置的空间条件来看，矿井下煤组可以选择16号或20号煤层作为保护层先行开采。

2.4开采技术条件分析

根据《防突规定》第四十六条第(四)款“保护层选择应优先选择上保护层，在选择开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件”。下面分别从《防突规定》附录D4:“开采下保护层的最小层间距”的顶板控制系数法和煤层间垮落上行顺序采煤的比值判别法，对不同分区选择保护层时是否破坏上部邻近可采煤层开采条件进行分析。

(1)顶板控制系数法当开采下保护层开采时，应不破坏上部邻近可采煤层的开采条件，其最小层间距离根据《防突规定》中最小层间距计算公式如下:

当α＜60°时，H = KMcosα

当α≥60°时，H = KMsin(α/2)

式中，H为允许采用的最小层间距，m; M为保护层的开采厚度，m;α为煤层倾角，(°) ; K为顶板控制系数。当冒落法控制顶板时，K取10;当充填法控制顶板时，K取6。

(2)比值判别法根据我国上行顺序开采的生产实践和研究证明，当上下邻近煤层层间距离和首采层采高的比值K＞7.5时，一般不影响上部煤层开采，上部煤层采掘活动应在下煤层开采4～6个月后进行。用比值K的大小判别，即:

K = H/M2

式中，H为上部与下部煤层的层间距，m; M2为下部开采层煤层的开采厚度，m。

按照顶板系数法和比值判别法对矿井一分区开采保护层时不破坏被保护层的开采技术条件进行分析，见表5、表6。

根据顶板系数法和比值判别法计算得出，下煤组开采16号、20号煤层时，不会破坏上邻近层的开采条件，因此，从开采技术条件分析，下煤组可选择16号或20号煤层作为保护层先行开采。

表5　按照顶板系数法计算允许的最小层间距

表6　按照比值判别法计算允许的最小层间距

2.5区段石门揭穿突出煤层次数分析

从肥田煤矿一分区现有开拓巷道布置来看，一分区井底车场及采区主要巷道均布置在上下煤组之间，采煤工作面均通过区段石门揭穿煤层布置工作面巷道，形成回采工作面。

根据《防突规定》第十六条第二款“突出矿井的巷道布置应减少井巷揭穿突出煤层的次数”的相关规定，结合矿井已布置的开拓巷道情况，下煤组首采16号煤层时，相对下组其他煤层，揭穿突出煤层或具有突出倾向性的煤层的次数最少。

因此，从区段石门揭穿突出煤层次数分析，肥田煤矿宜选择下煤组16号煤层作为保护层先行开采。

3　保护层选择结果

综合上述分析，从肥田煤矿井田内上下煤组实测的瓦斯突出参数、建井期间揭露上下煤组时的煤层赋存情况、顶(底)板瓦斯巷布置的空间条件、开采技术条件及区段石门揭穿突出煤层次数等方面分析来看，肥田煤矿优先选择下煤组16号煤层作为保护层先行开采。

［参考文献］

［1］于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册(修订版)［M］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［2］张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册［M］.北京:煤炭工业出版社，2003.

［3］李建铭.煤与瓦斯突出技术手册［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006.

［4］何学秋.煤矿瓦斯防治技术与工程实践［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2011.

［5］国家安全生产监督管理总局.中华人民共和国安全生产行业标准(AQ1018－2006)［S］.2006.

［6］国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定［Z］.2009.

［7］中国煤炭建设协会.煤矿瓦斯抽采工程设计规范(GB50471－2008)［S］.中国计划出版社，2009－3－1.

［8］金学玉.“掘进抽放”防治煤与瓦斯突出［J］.中国煤炭，2004 (2) : 8－10.

［9］程伟.煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［10］国家安全生产监督管理总局.中华人民共和国安全生产行业标准(AQ1024－2006)［S］.2006.

［责任编辑:邹正立］

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

［作者简介］李木宣(1979－)，男，贵州赫章人，高级工程师，从事采矿设计工作。

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

［收稿日期］2014－06－18

［中图分类号］TD823.82

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0106-04