单一突出煤层分叉段保护层开采技术研究

2020-08-27 05:29易书钢
煤矿现代化 2020年5期
关键词:保护层顶层瓦斯

谷 峰 ,易书钢

(1. 河南焦煤能源有限公司中马村矿,河南 焦作 454150 ;2. 河南能源焦煤公司科研所,河南焦作 454000)

0 引 言

焦作矿区主采煤层为二1煤,该煤层瓦斯含量高、透气性较差、且具有煤与瓦斯突出危险性。由于上覆的煤层薄且层位理想,故焦作矿区一直以来将预抽煤层瓦斯作为区域防突措施。中马村矿27012 工作面为第二层工作面,顶层工作面27011 工作面已经回采完毕。按初始设计27011 工作面由切眼向外推进52m处,回风巷煤层会出现分叉,回风巷布置在上分叉煤中,由于前方75m 范围煤厚为0~2.5m,局部夹矸达7.1m,若按设计布置方式,工作面回采初期即进入薄煤区域,也给工作面设备、煤质和顶板管理带来困难。经过对工作面瓦斯、顶板、煤厚探测资料进行综合分析,决定在27012 工作面实施保护层开采区域防突措施。

1 27012 工作面概况

27012 工作面位于27 采区东翼上部,工作面北为27011(上)工作面采空区北部,南为2703 工作面采空区,东为27011 工作面采空区里段,西临27 回风下山,工作面煤层结构复杂,存在煤层分叉情况,其两层煤间夹矸厚0~7.1m,平均2.1m,其夹矸在工作面南部、东部处于合并状态,在工作面北部、西部逐渐开始分开,夹矸总体为北厚南薄,东薄西厚的分布状态(工作面煤层综合剖面图如下图1 所示)。

图1 27012 工作面煤层综合剖面图

27012 工作面初始设计回风巷布置于上分层煤中,平均煤厚0.8m,运输巷布置于下分层煤中,平均煤厚5.4m。设计总工程量797.2m、走向121m、斜长113m,可采面积13412m2,按平均煤厚2.0m、容重1.5吨 /m3计算,可采储量 4.1 万 t。

2 保护层开采技术

2.1 工作面保护层开采设计初步准备

从多方面收集资料,加强地质探查研究,重新对工作面煤厚、夹矸分布情况、夹矸岩性等情况进行探查分析,为修改设计提供了准确的地质资料。

1)针对27012 工作面相邻巷道进行排查,收集相邻巷道探钻资料。经分析27012 回风巷南30m 处27011 回风巷、设计停采线西58m 顶层工作面横贯、27012 运输巷相邻27011 运输巷均进行过探钻,探钻终孔位置为L8 灰岩层位,同时在薄煤区域还设计钻孔往顶板进行探查,经过一系列探钻,工作面内煤层赋存情况已基本探明,

2)综合分析27011 工作面及27011(上)工作面回采期间,探煤厚资料。27011 工作面及27011(上)工作面回采期间时施工的钻孔,有部分钻孔施工至下分层煤中,探明夹矸及下分层煤煤厚情况。根据夹矸分布情况在27012 工作面内绘制出夹矸2m 分界线,要求通防部门加强对夹矸2m 以上的下分煤瓦斯管理。

2.2 工作面保护层开采相关设计

根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定矿井首次开采保护层时,可参照规定中附录E 确定被保护工作面沿倾斜的保护范围、沿走向方向的保护范围、最大保护垂距等参数。

1)沿倾斜方向的保护范围。27011 外段工作面、27011(上)工作面所采煤层产状为N41°~72°E/SE∠10~12°,整体倾角在11°左右,根据表D1,选取卸压角 δ3、δ4 均为 75°;27012 工作面为二层工作面,根据 27011、27011(上)工作面及 27012 工作面掘进期间地质资料显示,27012 工作面所处范围上分层(二1煤)煤厚0~2.8 m(头层回采后剩余煤厚),平均0.3m,下分层(二11煤)煤厚 0.2~4.2m,平均 2.5m(工作面主要回采煤层)。27012 改造工作面煤层结构复杂,二1煤存在煤层分叉情况(分叉为二1煤与二11煤),其两层煤间夹矸厚0.9~7.2m,平均4.7m,其夹矸在工作面南部、东部较薄,在工作面北部、西部较厚,总体呈北厚南薄,东薄西厚的分布状态。根据27011、27011(上)工作面两个顶层工作面回采资料,27011(上) 回风巷距下分层(二11煤) 最大间距为3.5m,保护范围为27011(上)回风巷下0.91m;27011运输巷距下分层(二11煤)最大间距为3m,保护范围为27011 运输巷0.78m;顶层回采范围倾斜长145m,经计算,沿倾斜方向的保护范围为143.31m。

2)沿走向方向的保护范围。顶层工作面最晚回采2016 年3 月份,已回采结束33 个月,卸压比较充分,故卸压角 δ5 为 56°- 60°;27011 工作面及27011(上)工作面停产线处距下分层(二11煤)最大间距为4m,保护范围为停采线东2.23m,即走向保护范围为:顶层停产线东2.23m 至27012 工作面切眼。

3)最大保护垂距。27011 外段工作面、27011(上)工作面所在煤层均属于缓倾斜煤层,根据表D2,选取最大垂距<50m;27012 工作面煤层结构复杂,二1 煤存在煤层分叉情况(分叉为二1煤与二11煤),其两层煤间夹矸厚0.9~7.2m,平均4.7m,根据地质资料显示,顶层回采范围内距下分层(二11煤)最大垂距为7.2m,小于50m。

经计算并结合工作面设计图,27012 改造工作面回采区域均位于27011 外段工作面、27011(上)工作面保护范围之内。

2.3 工作面保护层开采相关优化设计

改造回风巷与原回风巷重叠布置,改造回风巷从工作面停采位置按设计搭杆换落底。巷采用3.2×2.8m 工钢按- 6°坡度进行搭杆落底,按设计坡度施工至下分层煤层底板后沿底板掘进主巷,待施工至设计拐点位置按+24°坡度上山掘进与原回风巷贯通。修改设计后总工程量175m、走向131m、斜长113m,可采面积14803m2,按平均煤厚5.4m、容重1.5 吨/m3计算,可采储量12 万t。巷道设计图如下图2 所示。

图2 27012 工作面巷道设计平面图

1)27012 回风巷巷工程。27012 回风改造巷开口在测点W2255 以西12.4m 处向西掘进,开口坐标X=3907248.2,Y=38439115.0,Z=- 128.773m, 方位角a=230°53′18″。巷道采用3.2×2.8m 工钢单棚(平棚)支护,立柱倾斜度:18°,误差≤1°,巷高2.4m,下部净宽4.5m。改造巷按- 6°坡度进行搭杆落底,施工至下分层煤层底板后沿底板掘进主巷,待施工至设计拐点位置按+24°坡度上山掘进于3 月3 日与原回风巷贯通(掘进工期约28 天),3 月8 日开始回采,7 月初回采结束。工作面回采煤量共计18.7 万t。

2)27012 运输巷工程。巷道施工前,运输巷距停采位置30m 范围垒设两道风门,通过风机对掘进头进行通风,回风利用原工作面回风系统;掘进出煤仍沿用工作面出煤系统;回风巷采用摆木垛、打设叉子棚(叉子棚底采用3.0m 工钢配合400×400mm 铁鞋进行支撑)对顶底板进行维护,防止改造回风巷掘进期间原回风巷塌冒;开口前后20m 范围煤墙进行打锚杆进行加固,防止掘进期间煤墙片帮;开口处对周边支架采用废旧皮带进行维护,防止爆破对支架立柱损坏;改造回风巷掘进前,在原回风巷采取煤层注水措施,降低掘进期间的粉尘浓度,对井下工人及作业场所的危害程度起到关键作用。

3 保护层开采区域措施效果检验

3.1 可解吸瓦斯量计算

按照《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》附录A4 计算可解吸瓦斯量如下:

式中:Wj为煤的可解吸瓦斯量,m3/t;Wcy为实施区域瓦斯治理措施后实测煤层的残余瓦斯含量,m3/t,取:4.26~5.18;Wc为煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量,按公式(2)计算:

式中:a,b 为吸附常数,该工作面的 a=55.39m3/t,b=0.871MPa-1;Ad为煤的灰分,%Mad为煤的水分,%;π 为煤的孔隙率,m3/m3,取 0.05;γ 为煤的容重(假密度),t/m3,取 1.5。

3.2 预计回采期间的瓦斯浓度计算

回风流中瓦斯浓度计算见下述公式

式中:C 为回风流中瓦斯浓度,%;G计为工作面计划日产量,取1001~2500t;G底为工作面计划日推进留有底层煤量;Wj为最大可解吸瓦斯含量,m3/t;Q为工作面百米钻孔流量,取0.05m3/min·hm;L 为该块段钻孔孔深,113m;Q计为工作面计划配风量,780m3/min;

计算27012 改造工作面残存瓦斯含量为3.06m3/t,可解吸瓦斯含量为1.2~2.12m3/t,计划产量1001~2500t/ 日,可解吸瓦斯含量≤7m3/t;工作面计划配风量780m3/min,巷道最小断面为9.2m2,可计算出风速为1.41m/s,小于4m/s;通过日产量和可解析瓦斯含量计算出该块段回采期间的瓦斯浓度为0.29~0.57%,均满足《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求,可判定该块段瓦斯预抽效果已经达标。

3.3 实测残余瓦斯含量、残余瓦斯压力检验

根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定,委托焦煤集团科研所对工作面范围内煤层残余瓦斯含量、残余瓦斯压力进行现场取样实测检验及现场封孔测压,在27012 改造工作面回风巷布置残余瓦斯含量取样点8个,残余瓦斯压力测点8 个。

现场共施工取样钻孔8 个(1 个孔未见煤),取样12 个,测压7 个,取样过程中未出现喷钻、卡钻、顶钻等异常情况,所有煤样实测残余瓦斯含量均小于6m3/t,残余瓦斯压力均为0.1MPa,区域防突措施效果检验合格。

4 结 语

通过多角度、纵深入的分析矿井现状,矿井首次实施了保护层开采技术,从设计到施工,再到工作面回采,矿井积累了重要的保护层开采技术经验。开采保护层技术实施后,区域防突措施效果检验表明该工作面区域防突措施有效,通过实施保护层开采技术和工作面设计优化,增加可采储量约10 万t,工作面回采周期延长五个月以上,缓解了矿井生产接替紧张,减少了面内的出矸量,提高了煤质,经济效益显著。

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