突出煤层群矿井保护层和抽采巷层位优化分析

李 锋

(1.河南能源化工集团研究总院有限公司，河南省郑州市，450046；2.河南能源化工集团焦煤公司九里山煤矿，河南省焦作市，454005)

保护层和抽采巷作为煤矿瓦斯治理主要手段，近距离煤层群保护层和抽采巷层位的选择是突出矿井区域瓦斯治理和安全高效开采的重要环节。合理的保护层和抽采巷层位能够使矿井在生产过程中抽-掘-采在时间和空间上均衡衔接。特别是突出煤层群矿井，瓦斯治理是制约矿井安全高效生产的关键。新田煤矿设计选择4#煤层作为首采层开采,底抽巷沿7#煤层施工，在实际生产过程中，出现一系列问题造成采掘接替十分紧张,无法实现矿井达产和可持续发展。为了实现新田煤矿突出煤层群煤与瓦斯共采,矿井安全高效生产,亟需对新田煤矿突出煤层群底抽巷和保护层进行优选,为矿井瓦斯综合治理、高效抽采和高效生产提供切实保障，从而实现矿井达产和可持续发展。

1 矿井概况

新田煤矿位于黔西县北东部，一期生产能力60万t/a。井田含煤地层为二叠系上统龙潭组，涉及5层煤，分别是4#、5#、8#、9#、12#煤层。经鉴定，新田煤矿属突出矿井。

1.1 地质构造

新田井田位于黔西向斜北西翼近轴部地带，区内构造形态为次一级缓倾斜褶曲。地层总体走向为NE向，倾向以NW向和SE向为主，局部地段(转折端附近)为SW向或NE向。地层倾角较缓，一般为5°～10°；断层附近倾角常变陡，局部可达10°～21°。井田内次一级褶曲和断层均有发育，构造复杂类型为中等。

1.2 煤层情况

新田矿涉及5层煤，分别是4#、5#、8#、9#、12#煤层。4#煤层厚1.24～5.83 m，平均厚度2.79 m，全区可采，夹石0～2层，一般0～1层，结构较简单，厚度较稳定，对比可靠，属较稳定煤层。5#煤层厚0～1.15 m，平均厚度0.67 m，有尖灭点，零星可采，结构简单，夹石0～1层，一般为单一结构，对比较可靠，属不稳定煤层。8#煤层厚0～2.29 m,平均厚度0.51 m，南部大面积尖灭(多为冲刷所致)，零星可采，结构简单，多为单一煤层，对比可靠，属极不稳定煤层。9#煤层厚1.36～4.66 m，平均厚度2.41 m，全区可采，夹石0～2层，一般0～1层，结构较简单，厚度较稳定，对比可靠，属较稳定煤层。12#煤层厚0.40～1.44 m，平均厚度0.87 m，为局部可采煤层，结构简单至较复杂，含夹矸0～3层，多为0～2层，属不稳定煤层。煤层之间的层位关系见表1。

表1 可采煤层特征简表

1.3 瓦斯情况

根据矿井资料，矿井涉及的5层煤均为突出煤层，各煤层瓦斯参数见表2。

表2 煤层瓦斯组分和含量表

主采4#煤层和9#煤层均为严重突出煤层，其中4#煤层在生产过程中发生过煤与瓦斯突出灾害。9#煤层未揭开，瓦斯参数为打钻实测。4#和9#煤层瓦斯参数测试结果如表3。

2 保护层和底抽巷层位现状

新田煤矿矿井一期范围内选用4#煤层作为9#煤层保护层，4#煤层采用底抽巷穿层钻孔作为区域防突措施，底抽巷沿7#煤层施工。以1404底抽巷为例，巷道位于7#煤层层位，抽采巷距离4#煤层14～17 m，抽采巷距离9#煤层14～15 m，长1165 m，底抽巷切眼长160 m，位于1404工作面外20 m，服务于1404、1406、1904、1906等工作面。

表3 煤矿可采煤层基本参数表

3 保护层和抽采巷层位优化

3.1 抽采巷层位优化

(1)4#煤层顶板布置顶抽巷可行性分析。4#煤层距长兴组灰岩含水层平均间距仅30 m，如果在4#煤层之上布置顶板抽采巷，将面临灰岩水害威胁，且由于顶抽巷施工下向孔，钻孔积水将大大降低钻孔的抽采效率，因此4#煤层顶板不具备布置抽采巷的条件。

(2)4#煤层和9#煤层之间布置抽采巷。5#、6#、7#和8#煤层局部厚度均超过0.3 m，且未进行过突出危险性鉴定，根据《防治煤与瓦斯突出规定》应按照突出煤层管理。各煤层间距较小，属于煤层群，各煤层厚度分布不均，5#和8#煤层为局部可采煤层，未经鉴定，按突出煤层管理，各煤层相互影响，施工抽采巷需要时刻探测煤层情况，防止误揭煤引发瓦斯灾害，因此不具备布置抽采巷的条件。

(3)9#煤层底板布置抽采巷。12#～15#煤层距离底板茅口灰岩含水层距离小于70 m，茅口灰岩为矿井承压含水层，预计水压2.0 MPa，有突水危险，所以12#～15#煤层不适合布置抽采巷。

10#煤层厚0.15～0.52 m，顶板距离9#煤层13～17 m，底板7 m范围内仅有一层11#煤层，煤厚0.17～0.65 m。10#和11#煤层间为泥岩或砂质泥岩，硬度低，适合快速掘进，10#和11#煤层附近7 m范围内薄煤层少，掘进期间不受或少受其他薄煤层影响，施工更安全，10#煤层适宜做底抽巷。

3.2 保护层优化

矿井建设和开采期间揭煤情况，新田煤矿井田范围内含煤地层龙潭组平均厚125.59 m，含煤14～20层，煤层平均总厚度12.50 m。其中4#和9#煤层为全区可采煤层，5#、8#和12#煤层为局部可采煤层。

(1)局部可采煤层保护层开采分析。4#煤层上部1#、2#和3#煤层厚度小于0.3 m，井田范围内局部赋存，且距离上部长兴组灰岩含水层较近(小于30 m)，掘进期间易破坏顶板隔水层，可能引发突水事故，不适合作为保护层；4#和9#煤层中间分布有4层煤，5#、8#和12#煤层平均厚度超过0.3 m，瓦斯等级未进行鉴定，但按突出煤层管理，且距离主采煤层距离较近，5#煤层距4#煤层平均间距仅3.12 m，8#煤层距9#煤层平均间距仅5.37 m，开采保护层会破坏主采煤层，不适合作为保护层。7#煤层厚0.1～0.5 m，全区可见，赋存较稳定，但7#煤层距离6#、5#和8#煤层距离局部小于7 m，4层煤因间距小，且局部煤层较厚，有突出危险，不适合做保护层；9#煤层底板有10#～15#煤层，其中12#煤层为局部可采煤层，12#～15#煤层距离底板茅口灰岩含水层距离小于70 m，茅口灰岩为矿井承压含水层，预计水压2.0 MPa，有突水危险，所以12#～15#煤层不适合做保护层。

(2)软岩保护层开采分析。10#煤层厚0.15～0.52 m，顶板距离9#煤层13～17 m，底板7 m范围内有一层11#煤层，煤厚0.17～0.65 m。10#和11#煤层间为泥岩或砂质泥岩，硬度低，可作为软岩保护层开采，但巷道工程量大，软岩开采投入大，不具备开采可行性。

(3)4#煤层保护层分析。目前采用4#煤层为上保护层，解放9#煤层。在4#和 9#煤层之间施工抽放巷，解决4#煤层掘进期间消突问题，沿4#煤层工作面施工顺层钻孔解决4#煤层工作面消突问题。实际生产过程中出现一系列问题，以1401工作面为例，1401工作面回采后，4#煤层顶板隔水层破坏，长兴组灰岩水导入采空区，沿工作面流出，最大涌水量110 m3/h；由于采动破坏，9#煤层顶板发生破坏，大量的灰岩水导入9#煤层被保护层中，1401工作面回采后，钻探发现9#煤层存在积水区，积水面积达1.8万，积水量达4059 m3，探测结果如图1所示。由于9#煤层积水，巷道施工和钻孔施工存在水害威胁；且底抽巷施工下行孔抽放9#煤层时孔内有水,抽放效果差。4#煤层作为保护层开采实际效果不理想。

(4)9#煤层保护层分析。9#煤层作为保护层开采，因9#煤层距离长兴组含水层约70 m，掘进和回采期间预计不受水害影响，且上行钻孔预抽4#煤层瓦斯效果更佳,4#煤层中的水沿9#煤层采动裂隙进入9#煤层采空区，有利于被保护层4#煤层的开采。

图1 9#煤层积水量预测图

3.3 方案优点

(1)抽采保护层瓦斯的同时可抽采被保护层瓦斯。目前底抽巷布置在4#煤层与9#煤层中间，先在底抽巷施工穿层钻孔治理4#煤层瓦斯，在钻孔施工过程中因底板积水、积渣(在4#煤层回采期间，底抽巷巷道情况不好)，不能同时施工下行穿层钻孔抽采9#煤层瓦斯，对下部9#煤层瓦斯治理造成严重的影响。

底抽巷布置在9#煤层底板后，施工穿层钻孔可直接穿过9#煤层和4#煤层，同时抽采保护层和被保护层瓦斯，减少钻孔总体个数，降低瓦斯治理费用。

(2)有利于新技术使用。底抽巷布置在9#煤层底板下方后，后期揭煤作业都是上行揭煤，瓦斯治理钻孔也都是上行钻孔。上行穿层钻孔的施工，杜绝了孔内积水对瓦斯抽采效果的影响，同时可采取水力冲孔或超高压水力割缝卸压增透技术以提高瓦斯治理效果和消突周期，加快揭煤进度和煤巷条带、采面中部煤层消突速度，尽快扭转瓦斯治理滞后的问题。

(3)底抽巷布置在9#煤层底板下方后，可施工上行穿层钻孔及水力化卸压增透措施，可有效提高9#煤层的瓦斯治理效果，开采方案有很大的优化余地。

(4)减少矿井排水。因10#煤层距离上部长兴组含水层约90 m，距离下部茅口灰岩含水层约80 m，在掘进和回采期间不受上部和底板含水层影响，减少排水工作量，上部解放层回采后，采空区水沿底板裂缝导入底抽巷，自底抽巷排出，也可减少回采工作面涌水量，增加回采面安全系数。

5 结论

对新田煤矿突出煤层群保护层和抽采巷层位进行优选，对抽采巷沿7#煤层调整为沿10#煤层，首采煤层由4#煤层调整为9#煤层的方案可行性进行了分析，并对比了调整后的优缺点，得出如下结论:分析讨论了首采层由4#煤层调整为9#煤层的可行性，选择9#煤层作为保护层开采案可行；分析了不同煤层作为抽采巷层位的可行性，确定沿10#煤层掘进抽采巷有利于新技术的推广和瓦斯治理。