三汇二矿新水平保护层选择及瓦斯治理技术研究

彭世刚

重庆能投渝新能源有限公司三汇二矿，中国·重庆 400700

1 引言

矿井通过对保护层K3、K4煤层的瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯吸附指标、煤层透气性情况、地质情况、保护效果等进行综合分析，合理地选择保护层进行开采，并且改进保护层瓦斯治理技术措施，提高保护层瓦斯治理效果，达到保护层的正常部署接替，缓解矿井采、掘接替紧张的局面，促进矿井的可持续发展。

2 概况

三汇二矿矿部位于中国重庆合川区三汇镇。矿区位于华蓥山复式背斜宝顶背斜的东翼，地处合川区、北碚区、渝北区三地交界地带，井田范围行政区划属重庆市北碚区金刀峡镇和渝北区华蓥山镇所辖。襄（湖北）渝（重庆）国铁和仪碚公路纵跨矿区西侧，交通较为便利。

三汇二矿为煤与瓦斯突出矿井，历年来发生煤与瓦斯突出7次，最大突出煤量为5000t。K1煤层瓦斯含量为11.53～22.86m3/t，原始瓦斯压力最高为3.8MPa，K3煤层瓦斯含量为8.771～10.25m3/t，原始瓦斯压力为2.1MPa，K4煤层瓦斯含量为11.53～17.4m3/t，原始瓦斯压力为2.5MPa。2016年矿井绝对涌出量为44.19m3/min，相对瓦斯涌出量为61.93m3/t。

3 矿井前期保护层部署情况

根据矿井地质情况及生产部署，矿井生产格局将按照“两薄两中厚”进行部署准备。矿井历年来保护层工作面均布置在K4煤层中，矿井南、北翼均布置为新水平首采工作面。

4 矿井保护层开采方案选择

对矿井煤层地质情况和保护层开采的合理性、可靠性进行分析，矿井可供开采的保护层为K3煤层和K4煤层，因此提出两种方案进行比选。

方案一：K4煤层作保护层开采。

方案描述：矿井选择K4煤层作保护层开采。①在K1煤层与K4煤层中间选择在K3煤层顶板“小铁板”位置施工K4煤层瓦斯专用底板巷；②采取水力压裂措施和穿层抽放措施进行区域瓦斯治理；③工作面开采前施工机、风巷顺层钻孔进行工作面区域措施补充；④局部再补充抽、排放钻孔进行局部瓦斯治理；⑤工作面开采过程中设置工作面尾抽管，进行工作面采空区和上隅角瓦斯抽放；⑥保护层工作面开采同时在被保护层K1煤层进行卸压抽放，最终达到保护层和被保护瓦斯治理效果。

方案二：K3煤层作保护层开采。

方案描述：矿井选择K3煤层作保护层开采。由于矿井+550m水平和+525m水平茅口大巷不具备K3煤层穿层钻孔施工条件，并且矿井开采+550m、+525m水平K3煤层埋深均小于500m，且矿井K3煤层未发生过突出，矿井南、北翼K3煤层f值均大于0.3，符合本层条带抽放钻孔作为区域防突措施条件[1]。

由于矿井煤层地质条件限制，因此将方案一和方案二进行对比和分析，最终选择方案二进行实施。矿井按照现阶段生产水平情况将K3煤层瓦斯治理分为两种不同的方案实施，同时在+550m南四边界区域对K3煤层穿层区域措施进行效果试验，为+525m以下水平K3煤层瓦斯治理打下基础，保证K3煤层做好护层开采的顺利进行。

5 局部瓦斯治理技术方案

根据区域顺层条带钻孔施工情况、地质情况、瓦斯和预测情况，在掘进工作面时增补短孔抽放作为区域防突措施的补充。短孔抽放控制范围在区域条带钻孔控制范围内，每循环设计抽放钻孔8～10个，控制巷道上部、下部8～10m，前方25～35m范围。同时，按照抽放孔的施工要求进行现场资料收集和钻孔施工，施工完毕进行封孔接抽，抽采时间为3～5天[2]。

6 项目实施

6.1 实施地点

根据矿井保护层部署和矿井地质情况。矿井南翼从+550m南二边界以北100m开始转入K3煤层保护层开采即3321工作面，矿井北翼从+525m北一以南200m开始转入K3煤层保护层开采即33101工作面。矿井南翼K3保护层布置巷道为3321机巷、3321风巷、3332机巷、3332风巷、3342机巷、3342风巷；矿井北翼K3保护层布置巷道为33103机巷、33101风巷、33103风巷。

6.2 瓦斯抽采达标情况

+550m水平K3煤层原始瓦斯含量为8.771m3/t，+525m水平原始瓦斯含量为10.25m3/t。根据矿井实测K3煤层抽采流量情况，K3煤层抽采钻孔施工完毕正式接抽到抽采达标时间（正式接抽前为边打孔边抽）：+525m水平为5～7天，+550m为4～7天。

6.3 实施效果

6.3.1 经济效果

根据K3、K4煤层保护层瓦斯治理工程情况，矿井在+525m及以上水平保护层开采瓦斯治理工程（按照走向400m）进行经济效益分析如下：

①减少瓦斯底板巷施工产生的效益。

由于K3煤层直接在茅口大巷进行穿层抽放孔施工，将减少瓦斯底板巷施工，按照工作面平均400m走向计算，将减少400m瓦斯底板巷施工，石门巷道40m。瓦斯底板巷预算单价为4300元/m，可以减少井巷投入189.2万元。

②减少本层钻孔产生的效益。

由于K3煤层瓦斯抽采效果比K4煤层好（瓦斯抽采半径K3煤层为2m，K4煤层为1.5m），由计算可知，走向长400m工作面需增加本层钻尺19920m。本层钻孔钻尺预算单价为35元/m，可以减少本层钻孔投入69.72万元[3]。

③工作面顺层钻孔投入。

K3煤层和K4煤层工作面顺层钻孔间距和孔深均一致，工程投入上基本一致。但K4煤层受伪顶薄，顶板坚硬影响施工难度上更大。

④经济效益。

根据上述工程量经济效益分析如下：根据以上计算可以得出，转层至K3煤层保护层开采后+525m及以上水平每个工作面瓦斯治理费用将节约258.9万元，同时矿井将增加被保护层提产增效的巨大效益。

189.2＋69.72=258.9万元

6.3.2 安全效果

①开采K3保护层以后，加快了保护层准备进度，根据现阶段保护层掘进进度南翼3321、3332工作面和北翼N34101、33101工作面均能够按照生产部署时间节点正常接替。杜绝因此生产部署失调而导致的安全生产隐患。

其中矿井保护层部署兑现。

②开采K3保护层以后，不但能够加大K1煤层保护效果和范围，实现K1煤层瓦斯高效抽采，而且还能够更好地满足《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿安全规程》等安全法规的要求，从而实现合法生产。同时，将大大减轻煤与瓦斯突出威胁，甚至消灭煤与瓦斯突出，为矿井安全生产持续、稳定、健康发展奠定了基础，因此安全效益是十分明显的。

7 结语

①矿井保护层从K4煤层转入K3煤层是可行的，满足《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿安全规程》等安全法规的要求。

②K3煤层区域顺层条带抽放孔抽采达标时间为3～7天，K3煤层保护层综合掘进单进为27～59m，平均为44m，较K4煤层综合掘进单进提高了1.1倍。3332机巷、3332风巷正常掘进单进为58.6m/月和51.8m/月，最大达到80.8m/月。

③K3煤层掘进防突超标率为0～0.018次/m，平均为0.01次/m，较K4煤层防突超标率降低了33.3%。

④K3煤层掘进本层抽、排钻孔平均施工量为29.5m/月，K4煤层本层抽、排钻孔施工量为54.4m/月，本层钻尺施工量减少了45.8%。