晋中矿区突出煤层上保护层开采总体方案研究

刘艳红

(山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024)

·试验研究·

晋中矿区突出煤层上保护层开采总体方案研究

刘艳红

(山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024)

以山西焦煤集团晋中某矿采矿地质条件为研究背景，综合考虑该区域的特殊煤层地质条件，分别针对该区域矿井高瓦斯、低透气性、煤层自然发火严重、水文地质条件复杂等因素进行分析研究，确定采用近距离保护层开采技术作为该矿井的有效防突手段，并对开采作业方式、工作面通风和瓦斯抽采提出了实施方案。该研究成果为该矿区实行保护层防突技术提供了合理的理论验证和技术支撑。

高瓦斯；低透气性；自然发火；近保护层开采；防突技术

所谓保护层防突技术，是通过首先开采一个或多个煤层(软层)，从而消除邻近煤层的突出危险而实行的防突技术措施[1-3]. 保护层的超前开采，使上、下岩层产生强烈拉张破坏，原来的挤压应力变成了拉张应力；上覆煤岩层垮落、破裂、下沉弯曲或者下覆煤(岩)层破裂、上鼓，使得煤(岩)层的大量裂隙张开，地应力在大范围内有效释放，无论是构造还是地应力对瓦斯的封闭作用都会被释放，被保护层的透气性系数成数百倍甚至数千倍的增大，瓦斯压力会急剧下降，大量的吸附瓦斯被解吸；最终，被保护层突出危险性得到降低甚至消除[4-7].

到目前为止，世界上几乎所有开采有突出或者冲击地压危险煤层的国家，在煤层赋存条件允许的条件下都优先开采保护层[8]. 高保彬等[9]采用相似模拟和现场实践相结合的方法，对晋煤集团海天煤业进行了下保护层开采关键技术研究，得到了很好的卸压增透效果；胡国忠等[10]通过建立煤体孔隙率与渗透率的动态变化模型，最终形成了以极限瓦斯压力值为判定值的保护层开采保护范围的判别准则；杜泽生[11]等研究随着保护层的推进，被保护层的煤层渗透率变化情况；刘洪永等[12]通过分析煤层开采地质条件，建立了以当量相对层间距为指标的保护层分类判定法；王志亮等[13]通过建立保护层开采测评指标体系，对淮南矿区的保护层开采效果进行了分析；吴建亭[14]通过分析近距离保护层开采过程中，被保护层瓦斯的释放，提出了合理的瓦斯综合治理技术，从而有效地解决了近距离保护层开采时瓦斯超限问题。

目前，我国保护层开采大多数对近水平煤层和缓倾斜煤层的中、远距离保护层开采进行了大量的试验研究，对于倾斜煤层特别是近距离、极近距离的保护层开采进行的现场研究相对较少[15]；特别是当瓦斯大、煤层透气性差、煤层自然发火严重时，保护层开采技术未能得到很好的实施应用。本文以山西焦煤集团晋中矿区某矿为工程背景，综合分析该矿所采煤层的特殊地质条件，提出采用近距离上保护层开采技术作为该矿井的防突技术手段，将14#煤层作为上保护层进行开采方案设计，从而最大限度地将15#煤层解放出来，达到区域防突和瓦斯治理的目的，为该区域具有相似地质条件的矿区或矿井提供一定的技术支撑。

1 工程概况

1.1 矿井概况

山西焦煤集团晋中某矿为多煤层赋存区域，其中主采煤层为14#、15#煤层，煤层层间距为5.97～12.03 m，平均间距为9.46 m；14#煤层为薄煤层，煤层厚度为0.25～0.86 m，平均厚度为0.64 m，为非突出危险性煤层；15#煤层为厚煤层，煤层厚度为3.17～7.40 m，平均厚度为6.01 m，为突出危险性煤层。

根据保护层开采条件及14#煤层与15#煤层赋存条件，得出14#煤层具备良好的保护层开采自然条件，可将14#煤层作为保护层，进行近距离保护层开采。采用下行开采顺序，进行上保护层开采，可以最大限度地解放15#煤层，提高瓦斯抽放效果，消除突出危险性，见图1.

图1 保护层开采效果分析示意图

1.2 工作面概况

矿井目前掘进作业在15#煤层进行，开拓巷道、准备巷道及回采巷道都已布置完毕，现已形成11采区，布置有1101回采工作面，并已进行开采作业；其井田范围内所规划的15#煤层开采区域内的上覆14#煤层具体良好的开采条件。因此，可以在15#煤层中布置12采区，将该采区1201首采工作面作为被保护区域的观测点。在14#煤层进行采掘部署时，可在15#煤层1201回采工作面上覆保护区域内布置14#煤层首采工作面，并进行回采作业，从而可以通过观测14#煤层首采工作面回采前后15#煤层中1201回采工作面的煤层增透效果、瓦斯释放效果及防突效果作为分析指标，综合考察保护层开采的效果，见图2.

图2 保护层开采工作面布置压茬关系示意图

2 保护层防突设计

2.1 设计前的准备和计算

在对保护层开采设计之前，首先采用RMT-150B岩石力学试验系统，对现场采集到的具有代表性的岩石(煤)试样进行岩石力学基本参数测定，获取试样变形规律和破坏特征；然后采用FLAC3D、UDEC数值分析软件及应力-应变相似试验台，分别模拟开采保护层条件下围岩移动规律、顶底板破坏特征等，为确定开采保护层防突技术研究的主要技术参数提供理论依据；最后，分别对保护层和被保护层进行首采工作面开采优化设计，并合理设计工作面通风、瓦斯抽采方式，从而达到15#煤层的防突目的。

2.2 开采规划设计

2.2.1 保护层开采规划设计

1) 采掘部署。

利用现有井筒、15#煤层井底车场、主要大巷及采区上山，直接向15#煤层顶板开拓斜巷，穿透14#煤层，在14#煤层中直接进行合理的采区和区段划分，并布置开拓巷道、准备巷道及回采巷道，然后在15#煤层1201回采工作面上方布置14#煤层的首采工作面。

2) 采面布置。

已知15#煤层采掘规划中1201回采工作面倾斜长约为180 m，走向长约为950 m.根据《防突规定》(附录D：保护层保护范围的确定)，得到开采保护范围(见图3)，进而确定14#煤层首采工作面(见图4)倾斜长约为190 m，走向长约为960 m.

图3 保护范围示意图

图4 14#煤层首采工作面布置示意图

2.2.2 被保护层开采规划设计

1) 采掘部署。

15#煤层11采区已部署完毕，并已开始进行回采。为满足合理的采掘接替，并对保护层开采效果进行观测，现需对12采区进行采掘部署，本次设计着重对12采区1201首采工作面进行部署。

2) 采面布置。

按矿井原有采掘接替计划，15#煤层12采区1201首采工作面布置示意图见图5，其中工作面倾斜长180 m，走向长950 m.

图5 15#煤层首采工作面布置示意图

2.3 工作面通风设计

14#煤层和15#煤层首采工作面平面布置方式基本相同，空间中存在一定的压茬关系，共用一个采区和矿井通风系统。对各自的回采工作面，则采用“U+高抽巷”的通风方式：胶带顺槽进风，轨道顺槽和高抽巷回风，同时，胶带顺槽负责运煤，轨道顺槽负责运料、排矸，高抽巷负责瓦斯抽放。

2.4 工作面瓦斯抽采

为降低工作面瓦斯含量，防止工作面瓦斯超限，同时达到消除突出危险的目的，对14#煤层和15#煤层进行抽采方法的选择。

1) 地面钻井预抽煤层瓦斯。

采用地面钻井对14#和15#煤层进行预抽。

2) 顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。

设计该矿井14#和15#煤层均采用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯(见图6)作为回采工作面区域防突措施，在回采工作面利用工作面运输顺槽和回风顺槽施工顺层钻孔，在工作面回采前对本煤层瓦斯进行预抽，回采过程中进行边采边抽，从而提高工作面本煤层瓦斯抽采量，减少开采层的瓦斯涌出。

图6 顺层钻孔布置示意图

3) 顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯。

15#煤层为突出煤层，在开采14#煤层对其进行卸压保护的同时，必须对15#煤层煤巷掘进工作面进行预抽消突(见图7)，消除突出危险后方可掘进。

图7 超前抽采钻孔布置示意图

4) 邻近层瓦斯抽采。

矿井对14#煤层进行采掘部署时，15#煤层瓦斯会大量涌入14#煤层采掘空间。因此，必须采用底板巷穿层钻孔预抽14#煤巷条带区域防突措施，即利用15#煤层回采工作面回风顺槽，向上施工穿层钻孔，对14#煤层瓦斯进行区段预抽。

5) 采空区瓦斯抽采。

采空区瓦斯抽采采用采空区预埋管法(将抽采管在顶板冒落之前直接预埋或砌筑于采空区内对采空区瓦斯进行抽采)(见图8)，并结合高抽巷对现采空区瓦斯进行抽采，可以有效解决上隅瓦斯超限问题。

由于14#和15#均为自燃煤层，自然发火等级为二级，采空区抽采易引起自燃。因此，还需进行专项的防灭火设计，合理控制抽采负压，降低抽采对自然发火的影响，同时定期监测采空区一氧化碳浓度等参数，一旦发现浓度超标情况，立即采取措施。

图8 预埋管法采空区瓦斯抽采示意图

3 结 论

为使晋中矿区15#煤层达到区域防突的目的，从保护层开采的基本原理出发，经过理论研究、岩石力学实验、数值模拟分析，将保护层开采作为该矿井的主要防突技术手段，系统地对保护层开采过程中工作面的布置、通风方式的选择、抽采方法的选择进行了合理的研究、规划及设计。最终，期望通过实行保护层防突技术，达到以下几个技术和经济指标：

1) 被保护层(15#煤层)瓦斯至少40%涌入到保护层工作面。

2) 被保护层煤层透气性系数将会大幅增加，预计透气性系数将增加50～100倍。

3) 被保护层突出指标将降至临界值以下，达到防突效果。

4) 保障被保护层15#煤层的安全开采。

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StudyonMiningGeneralSchemeofUpperProtectiveinJinzhongDiggingsLayerOutburstCoalMine

LIUYanhong

A coal mine in Jinzhong is as the research background. Comprehensive considering the special geological conditions, analyzes the elements such as high gas, low permeability, serious spontaneous combustion, complex hydrogeology condition. The technique of protection layer mining in short distance is adopted to as the effective outburst prevention measure. Then the implementation plans of mining operation mode, working face ventilation and gas drainage are put forward. The research results provide reasonable theoretical test and technical support for similar coal mine to use outburst prevention technique of protective layer to removing outburst.

High gas; Low permeability; Spontaneous combustion; Protection layer mining in short distance; Outburst Prevention Technique

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0026-05

2017-06-09

刘艳红(1974—)，男，辽宁法库人，1997年毕业于华北矿业高等专科学校，工程师，主要从事煤矿通风安全工作(E-mail)693234187@qq.com