煤与瓦斯突出煤层下保护层铝土矿开采技术可行性分析

耿春喜

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西 左权 032600）

0 引 言

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中常发生的严重自然灾害之一。目前，保护层开采被证实为最有效的防治煤与瓦斯突出手段，通过选择非突出煤层或具有开采价值的岩层作为保护层开采，保护层开采以后，采场周围的煤岩体会发生变形、位移、卸压，使得煤岩体的应力场，发生重新分布[1-2]，在采空区顶底板内的一定范围内地应力降低，出现卸压效果，处于顶底板内的煤层发生膨胀变形，使得突出煤层地应力下降，煤层透气性增加，从而使保护范围内的煤层瓦斯压力释放、瓦斯含量降低[3]，使有突出危险性煤层转变成没有突出危险性的煤层，高瓦斯煤层变成低瓦斯煤层。采掘活动时，瓦斯涌出量大大减少，可显著提高煤矿开采安全及社会经济效益。左权阜生煤矿15 号为煤与瓦斯突出煤层，受瓦斯制约，单个掘进工作面掘进慢，采掘活动严重失调，不能持续稳定生产。基于此，通过现场调研及矿井地质考察，认为可选择15 号煤层上覆的13、14 号煤层或下方的铝土泥岩层作为开采保护层对象，通过开采保护层以消除15 号煤层的煤与瓦斯突出危险性。

1 工程地质情况

山西潞安集团左权阜生煤矿井田处于沁水煤田的东北部边缘地段。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。含煤地层平均总厚169.90 m，共含煤层15 层，煤层平均总厚约11.83 m。主采煤层为15 号煤，煤层厚度3.17～7.40 m，均厚6.01 m，煤层结构简单，煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，底板为泥岩，为稳定的全井田可采煤层。15 号煤层位于太原组下段中下部，上距K2灰岩5.97～12.03 m，平均厚度为9.46 m。下距太原组底界K1 砂岩5.85 m。15 号煤层具有煤与瓦斯突出危险性，煤层瓦斯相对涌出量为39.26 m3/t、绝对涌出量为36.94 m3/min，属煤与瓦斯突出煤层。15 号煤层局部钻孔监测的瓦斯含量见表1 所示。

表1 15 号煤层瓦斯含量监测结果

2 保护层开采选择分析

根据《防治煤与瓦斯突出细则》中对开采保护层选择的原则[4]，15 号煤层上部13、14 号煤层符合上保护层选择的基本原则，15 号煤层下部的铝土泥岩符合下保护层开采的基本原则。通过对阜生矿现场考察，从开采安全、保护效果、安全风险、经济效益等因素进行分析，15 号煤层底板下方的铝土泥岩是保护层开采的最优选择。

1）从开采安全角度分析。15 号煤层底板下方60 m 范围内主要为泥岩、砂质泥岩、铝土泥岩等软岩层，其中，具有开采价值的铝土泥岩上距15 号煤平均间距17 m，在进行掘进工作时，掘进工作面没有瓦斯的涌出；铝土泥岩作为保护层开采，不涉及保护层突出危险性，不涉及保护层内煤自然发火问题，不涉及对被保护层顶板的影响。所以下保护层开采是能保证安全生产的。

2）从保护效果分析。根据矿井综合柱状图分析，15 号煤层与上覆邻近煤层之间有K2、K3 灰岩岩层的存在，会影响其保护效果。15 号煤层与铝土泥岩层之间主要为泥岩和砂质泥岩等软岩，对保护效果没有影响。

3）从安全风险角度分析。铝土矿开采无火灾危险性、无煤与瓦斯突出危险、对已有的采区巷道无破坏。对保护层回采工作面，可以设计走向高位钻孔抽采裂隙带瓦斯；对于被保护层（15 号煤层）可以采用在保护层工作面两顺槽布置穿层钻孔，覆盖整个被保护层工作面范围，穿层钻孔预抽被保护层（15 号煤层）瓦斯工艺。瓦斯抽采难度较为容易，可以有效的解决矿井瓦斯抽采的难题。

4）从经济效益角度考虑。结合其他矿井煤下铝采出情况分析，矿井煤下铝的品质均较好，可以带来良好的社会和经济效益。可以有效的解决矿井服务年限较短的缺点，增加矿井服务年限，稳定施工队伍，减轻社会就业压力，保障社会稳定。

3 下保护层开采技术研究

3.1 铝土矿开采技术分析

1）开采方法。针对铝土矿开采，我国常用的开采法有长壁式崩落法、房柱法和综合机械化开采[5]。综合机械化开采是采用煤矿开采工艺开采铝土矿，自然垮落法管理顶板。其主要优点在于形成走向长壁工作面，采矿机械化程度高，能够实现连续高效生产，安全性强。设计保护层采高为1.6 m，工作面长度为200 m，设计生产能力为60 万t/a。为实现连续高效生产。选择综合机械化开采方式。作业采用连续回采的方式进行机械落矿，刮板级装矿，胶带输送机运输矿石，综采液压支架支护，全部垮落法管理顶板。

2）工作面布置。考虑巷道掘进以及设备安装时间、工作面回采时间、采空区稳定时间，实现便建设边生产的采掘衔接。设计将保护层的采区划分与被保护层（15 号煤层）相同。均划分为3 个采区，不单独布置采区巷道。为保证对15 号煤层工作面瓦斯的卸压作用，有效的实现对煤层顺槽的消突效果，保护层工作面设计选用等长平错的布置方式，如图1 所示。

图1 保护层工作面等长平错布置方式

3.2 瓦斯抽采技术分析

3.2.1 邻近层瓦斯涌出量计算

式中：q邻为邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i 个邻近层厚度，m；m1为开采层的开采厚度，m；W0i为第i 层的原始瓦斯含量，m3/t；Wci为第i 邻近层残存瓦斯含量，m3/t；ki为第i 邻近层瓦斯排放系数。

通过上式计算可得15 号煤层邻近层瓦斯涌出量见表2 所示。

表2 15 号煤层邻近层瓦斯涌出量

3.2.2 保护层瓦斯涌出量计算

1）保护层回采工作面瓦斯涌出量。由于保护层为铝土泥岩，在回采过程中本身不会有瓦斯涌出，根据表2 可知，保护层回采工作面的瓦斯主要来自于被保护层（15 号煤层）以及邻近范围内的13、14 号煤层的涌出。

保护层回采工作面相对瓦斯涌出量计算：

保护层回采工作面绝对瓦斯涌出量计算：

保护层工作面产量估算为：600 000 t÷330d×95% = 1 152 t/d，即当保护层工作面日产量为1 152 t/d 时，工作面绝对瓦斯涌出量为：

2）掘进工作面瓦斯涌出量计算。工作面瓦斯涌出量包括掘进时煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出：

式中：qj为掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；q3为掘进工作面巷道壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；q4为掘进工作面落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min。

因为保护层工作面沿铝土泥岩掘进，因此无瓦斯涌出，即qj=0。

3.2.3 瓦斯抽采技术

按照《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》相关规定，当回采工作面瓦斯涌出量大于5 m3/min 时，需要进行瓦斯抽采。通过计算得到被保护层回采工作面的瓦斯涌出量为42.24 m3/min，远远大于5 m3/min。故需要进行瓦斯抽采技术设计：穿层钻孔预抽15 号煤层瓦斯，临近巷走向长钻孔预抽15 号煤层瓦斯，回风顺层钻孔、走向定向长钻孔抽采15 号煤层瓦斯。在实现保护层安全开采的同时，实现了被保护层的瓦斯抽采。

1）穿层钻孔预抽15 号煤层瓦斯技术。为解决保护层工作面上隅角瓦斯超限问题，采用顶板穿层高位钻孔抽采上邻近层瓦斯。高位钻孔抽采上邻近层瓦斯，设计在工作面两顺槽顶板开孔，施工迎向高位钻孔。沿工作面顺槽每间隔8 m 布置1 组钻孔，每组布置15 个钻孔，呈扇形布置，终孔位置设计为穿透15 号煤层顶板1 m，布置方式如图2 所示。

图2 预抽被保护层瓦斯穿层钻孔布置

2）邻近巷定向长钻孔预抽15 号煤层瓦斯技术。以被保护层首采工作面为例，利用邻近工作面巷道，提前施工15 号本煤层瓦斯预抽钻孔，以实现开采保护层同时抽采15 号煤层瓦斯。布置方式见图3。

图3 定向长钻孔预抽15 号煤层瓦斯钻孔布置

3）顺层钻孔预抽15 号煤层瓦斯技术，布置方式如图4 所示。

4）走向定向长钻孔预抽15 号煤层瓦斯技术，布置方式如图5 所示。

图4 顺层钻孔预抽15 号煤层瓦斯钻孔布置

图5 走向定向长钻孔预抽15 号煤层钻孔布置

4 下保护层开采作用效果预估分析

1）消除突出危险性方面：因15 号煤层位于下保护层开采后的裂隙带上边缘和弯曲下沉带下边缘，预计下保护层开采后对15 号煤层致裂效果较好，透气性可增加2000 倍，煤层瓦斯通过煤体裂隙释放，瓦斯压力降低，再通过保护层工作面高位钻孔抽采煤层裂隙瓦斯，预估可完全消除突出危险性。

2）经济效益方面：保护层开采彻底代替15 号煤之前的区域防突措施，15 号煤层回采工作面本煤层预抽钻孔和2 个顺槽掘进工作面的煤层条带瓦斯预抽消突措施钻孔均被开采保护层代替，也无需再施工高抽巷。经估算，每个工作面可节约钻孔施工费用1 057.82 万元，节约高抽巷施工费用800 万元。此外，铝土矿开采可以带来良好的社会和经济效益，与潞安化工企业“一核两翼”的战略方向高度契合，为左权地区煤炭资源发展趟出一条新路。

3）矿井高效生产方面：掘进巷道不再受瓦斯条件制约，未开采保护层时工作面顺槽单进为每月100 m，开采保护层后预计可提高1 倍，达到每月200 m；开采保护层后，能从根本上解决采掘衔接紧张的局面，回采工作面割煤速度和推进度将完全不受瓦斯影响，可以达到核定生产能力120 万t/a，回采工作面相比矿井目前实际年产量，多产40 万t/a，提前收益40 万t/a×500 元/t=2 亿元/a。

5 结 论

阜生煤矿15 号煤层以下约17 m 的铝土泥岩作为下保护层开采在安全风险、经济效益以及卸压效果等皆为最佳保护层。设计将保护层的采区划分与被保护层相同，选用保护层工作面等长平错布置，并利用保护层穿层钻孔预抽煤层瓦斯，不仅可消除15号煤层的突出危险性，还能从根本上解决采掘衔接紧张的局面，并为矿井创造良好的经济效益。