中峪井田高瓦斯突出煤层群保护层优选方案确定

张俊泽，周马宁

（霍州煤电集团沁安煤电有限责任公司，山西 长治 046000）

0 引 言

瓦斯是煤矿的主要自然灾害之一，长期以来严重威胁着煤矿的安全生产和影响着矿井的经济效益。对煤矿井下瓦斯的赋存状态、涌出变化规律及相关防治技术的研究对矿井安全生产具有重要的意义，尤其对于高瓦斯突出矿井而言，更需要重点关注。

在工作面回采动压影响下，煤层底板会发生破坏变形，有采动裂隙产生，这些裂隙对于高瓦斯突出煤层而言，是瓦斯溢散及释放的通道。与此同时，工作面开采后形成采空区，直接顶冒落，上覆岩层发生破断变形下沉，底板发生膨胀变形，采空区上部及下部形成应力降低区，应力得到有效释放。提前开采保护层进行卸压消突的意义就在于此。基于上述分析，当现场条件允许时，提前对保护层进行开采是最行之有效的区域性防突措施。为减小保护层开采过程中保护层的瓦斯随底板采动裂隙涌向现开采层，同时考虑防突工作，必须对被保护层的瓦斯进行抽放。对于没有保护层的工作面，在进行采掘作业前需要提前对瓦斯进行预抽。可以通过岩巷工程或煤巷工程配合钻孔对煤层瓦斯进行大面积预抽，当煤层剩余瓦斯含量和压力降低到一定程度时，是能够消除煤层突出危险性的。对多煤层条件煤矿的开采，更有条件实施开采保护层，进行区域综合防突措施。

1 矿井概况

中峪煤矿位于长治市沁源县境内，主采煤层为2# 煤层，此外，井田内的 1#、9+10#、11# 煤层也基本属于全区可采煤层，可采煤层特征表如表1 所示。中煤科工集团重庆研究院对中峪煤矿所采的1#、2#、9+10#、11# 煤层做了《建井前煤与瓦斯突出危险性评估》报告，根据报告中研究结果可知，中峪煤矿所开采的这4 层煤层均具有突出危险性，具体如表2 所示。由《煤矿安全规程》和《煤与瓦斯突出细则》相关规定可知，对于具有保护层开采条件的突出危险性区域，必须进行保护层开采。因此需要先确定合理的保护层开采层位及顺序，以实现井田内煤层的安全高效回采。

表1 可采煤层特征表

表2 煤层突出危险性评估指标汇总表

2 开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机制

大量的理论研究和现场实践结果表明，对于具有突出危险性的煤层而言，在技术上和经济上最合理有效的方法即进行保护层开采，作为区域性防突措施而言，通过该方法的使用，可以避免工作面开采过程中长期与突出危险性煤层处于短兵相接的状态，可有效提高矿井防突系统的安全性及稳定性。现场应用效果表明，当保护层煤层开采后，被保护层煤层会有显著的变化，如煤岩层应力状态、煤层围岩结构及瓦斯赋存状态及参数均会出现显著的变化。从卸压变化的时间上来看，个别情况下在保护层工作面前方10～20m 范围即可出现卸压现象，正常情况下卸压作用主要在工作面后方显现，当煤岩体膨胀变形速度加快时，煤层内瓦斯含量参数也会随之发生明显的变化。其变化顺序如下：

对保护层进行开采→岩层发生移动变形→被保护层发生卸压（煤岩体发生卸压、煤体膨胀变形现象加剧）→煤体透气性增加、瓦斯溢散性增加→被保护层瓦斯抽排能力得到提高→被保护层煤体内瓦斯含量及压力均得到减小→煤体内部应力进一步得到降低，其作用效果如图1 所示。

图1 保护层开采瓦斯防突机理

由上述的分析可知，预先开采保护层的作用是为了煤岩体卸压和提高瓦斯抽排效果，但其中最核心和重要的作用即卸压，煤岩体卸压后会带动其他瓦斯因素的变化。因此，对于突出煤层而言，当煤体发生卸压后，煤体结构和其内部瓦斯动力参数均会发生变化。当相邻煤层的层间距较大或中间有坚硬岩层存在时，保护层的开采无疑会起到卸压和增加煤体透气性的作用，即便瓦斯抽放还存在一定的困难，但必然会降低突出煤层的突出危险性。

3 保护层优选方案确定

中峪煤矿为突出矿井，可采煤层为4 层，分别为 1#、2#、9+10#、11#，4 层煤全部为突出煤层，其中1#、2# 煤层平均间距为 15.44m，2#、9+10# 煤层平均间 距 为 88.87m，9+10#、11# 煤 层 平 均 间 距 为19.51m。依据《煤矿安全规程》的保护层选择原则、中峪煤矿4 层煤瓦斯赋存及层间距的基础数据，分别从层间距和瓦斯两个方面来进行保护层的预选。

3.1 层间距关系保护层预选

根据图2 邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线图可以看出：当开采1# 煤层作为保护层时，1#、2# 煤层层间距为 10～20m，平均为 15.14m，按照平均值计算排放率，当开采1# 煤层作为上保护层，2# 煤层的排放率可以达到50%左右，由于9+10#、11# 煤层相距1# 煤层平均达到104.31m，1# 煤层的开采对9+10#、11# 煤层几乎不产生影响。

图2 邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线图

当开采2# 煤层作为1# 煤层保护层时，1#、2#煤层层间距为10～20m，平均为15.14m，按照平均值计算排放率，当开采2# 煤层作为下保护层时，1# 煤层的排放率可以达到95%左右，9+10# 煤层相距2#煤层平均达到88.87m，2# 煤层的开采对9+10#、11#煤层几乎不产生影响。

当开采9+10# 煤层作为保护层时，9+10#、11#煤层层间距为13.4～29.67m，平均为19.51m，按照平均值计算排放率，当开采9+10## 煤层作为上保护层，根据图2 可知，11# 煤层的排放率可以达到35%左右， 由于 9+10# 煤层相距 2# 煤层平均达到88.87m，根据图 2 可知，9+10# 煤层的开采对 1#、2#煤层煤层的影响较小，1#、2# 煤层的排放率约为10%左右。

当开采11# 煤层作为保护层时，9+10#、11# 煤层层间距为13.4～29.67m，平均为19.51m，按照平均值计算排放率，当开采9+10## 煤层作为下保护层，根据图2 可知，9+10# 煤层的排放率可以达到95%左右， 由于 11# 煤层相距 2# 煤层平均达到108.37m，根据图2 可知，11# 煤层的开采对1#、2#煤层煤层的影响较小，1#、2# 煤层的排放率约为3%左右，几乎没有影响。

3.2 瓦斯对保护层关系保护层预选

从表2 可以看出，瓦斯压力2# 煤层最大，依次为 9+10#、1#、11# 煤层，由于 1#、2# 煤层与 9+10#、11# 煤层之间的层间距相距为88.87m，根据上面层间距的分析，在分别开采1#、2# 煤层与9+10#、11#煤层作为保护层时，它们之间的相互影响很小。根据表2，通过分析可以知道，1# 煤层和11# 煤层相对较低，可以优选1# 煤层和11# 煤层作为保护层优先开采。

综上所述，根据瓦斯和煤层赋存条件，1#、2# 的瓦斯都达到2MPa 以上，是突出压力临界值的3 倍之多，两个煤层虽然硬度大于0.5，但是如果在生产过程中遇到大的局部构造时，煤层突然变软，则会在高压力下发生强烈的煤与瓦斯突出。因此，综合分析，在矿井开采第一生产水平时，建议选择1# 煤层作为保护层开采；在矿井开拓后期，向深部延延深时，可以选择11# 煤层作为保护层开采。

4 结 论

通过对中峪煤矿保护层选择及保护范围进行分析，得到如下结论：1#、2# 煤层的瓦斯压力均在2MPa 以上，是煤与瓦斯突出压力临界值的3 倍之多，1#、2# 煤层虽然硬度大于0.5，但是如果在生产过程中遇到大的局部构造时，煤层突然变软，则会在高瓦斯压力下发生强烈的煤与瓦斯突出。通过瓦斯地质规律综合分析，确定在矿井开采第一生产水平时，建议优先选择1# 煤层作为保护层开采。在矿井开拓后期，向深部延延深时，可以选择11# 煤层作为保护层开采。