張文豪

(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山西 太原 030053)

保護層開采和預(yù)抽是煤與瓦斯突出礦井的兩項區(qū)域防突技術(shù)措施。上下保護層開采、順層瓦斯預(yù)抽、穿層瓦斯預(yù)抽、地面井預(yù)抽等方法在工程實踐中的應(yīng)用，在某種程度上降低了煤與瓦斯突出煤層的突出危險性。

本文以屯蘭礦近距離突出煤層群區(qū)域防突工程實踐為基礎(chǔ)，提出了適合屯蘭礦生產(chǎn)實際的防突區(qū)域規(guī)劃與區(qū)域防突技術(shù)措施，緩解了礦井采、掘、抽接替緊張的問題，滿足了礦井安全生產(chǎn)的要求。

1 煤層與瓦斯賦存特征

1.1 礦井概況

屯蘭礦位于太原古交市西南，距古交市城區(qū)約6 km。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，煤層傾角2°～15°，一般6°左右。礦井共布置有主斜井、副斜井、副立井以及各盤區(qū)進、回風(fēng)井共10個井筒，斜－立井多水平綜合開拓方式，設(shè)計劃分+750 m、+650 m 2個開采水平9個生產(chǎn)盤區(qū)，走向和傾向長壁后退式一次采全高全部垮落綜合機械化采煤方法，工作面目前主要采用沿空留巷“Y型”通風(fēng)和“U型”通風(fēng)。

1.2 煤層賦存特征

屯蘭礦井田范圍內(nèi)共含煤18層，包括01、02、03、1、2、3、4、4下、6、7、8、8a、9 和 10、11 號等煤層，有經(jīng)濟價值、參與儲量計算的有 8 層:02、03、2、4、6、7、8和9號。屯蘭礦可采煤層賦存情況見表1。

表1 屯蘭礦可采煤層賦存表

1.3 瓦斯賦存特征

屯蘭礦井田范圍內(nèi)地層呈一個由北北東向南南西傾斜的波浪狀單斜構(gòu)造，自上而下變質(zhì)程度逐漸加深，自西北向東南變質(zhì)程度逐漸加深，煤種由肥煤、焦煤到瘦煤變質(zhì)程度不斷加深。井田范圍內(nèi)瓦斯壓力從東到西、從北到南逐漸增大，瓦斯含量由東北向西南方向逐漸增加。

1.4 煤與瓦斯突出鑒定狀況

經(jīng)鑒定，屯蘭礦2、4、8、9號煤層為突出煤層。屯蘭礦突出煤層參數(shù)見表2。其中，上組煤2#和4#煤層，下組煤8#和9#煤層為近距離突出煤層群。

表2 屯蘭礦突出煤層參數(shù)表

2 屯蘭礦回采與防突現(xiàn)狀

2.1 盤區(qū)劃分與回采現(xiàn)狀

屯蘭礦共9個盤區(qū)，屯馬鐵路與屯蘭河保護煤柱西北側(cè)劃分為北一、北三盤區(qū)(北二、北三盤區(qū)已合并為北三盤區(qū))，屯馬鐵路與屯蘭河保護煤柱東南側(cè)、古交斷層保護煤柱西北側(cè)劃分為南一、南二、南三盤區(qū)，古交斷層保護煤柱東南側(cè)、土地溝斷層與原平河保護煤柱西北側(cè)劃分為南四、南五盤區(qū)，土地溝斷層與原平河保護煤柱東南側(cè)劃分為南六、南七盤區(qū)。

北一盤區(qū)上組2#煤層已采完，下組8#煤共設(shè)計有15個工作面，已采完8個工作面，正在回采28110工作面。北三盤區(qū)正在進行盤區(qū)大巷開拓的準(zhǔn)備。南二盤區(qū)上組2#煤層已采完，南二盤區(qū)左翼下組8#煤層布置4個工作面已經(jīng)采完，9#煤19203工作面已采，正在回采19205工作面，南二盤區(qū)右翼正在準(zhǔn)備18202工作面。南三盤區(qū)上組2#煤層已經(jīng)采完。南四盤區(qū)左翼上組煤2#煤層設(shè)計共有6個回采工作面，其中，12401、12403、12405工作面已回采完畢，12407工作面正在準(zhǔn)備，后續(xù)還有12409以及12411工作面。南五盤區(qū)上組2#煤12503回采完畢，12501正在回采，西北翼02#煤層10502工作面正在準(zhǔn)備。南一、南六、南七盤區(qū)尚未開拓。

2.2 屯蘭礦防突現(xiàn)狀

1)保護層與井上下預(yù)抽多措并舉。

屯蘭礦在北三、南三、南四、南五、南七等盤區(qū)布置地面井抽采瓦斯。井下采用千米鉆機和普通鉆機開展順層預(yù)抽。在北一、南四、南五回采下組8#煤作為上保護層保護9#煤。

2)瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)研究。

屯蘭礦先后委托相關(guān)科研單位展開煤層突出危險性鑒定、礦區(qū)突出危險性區(qū)域預(yù)測、瓦斯地質(zhì)圖繪制等研究工作，通過第3方單位實測、科學(xué)預(yù)測、本單位實測等多種手段，獲得了礦區(qū)各盤區(qū)瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)，以指導(dǎo)礦山瓦斯突出防治工作。屯蘭礦各盤區(qū)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)匯總見表3。

表3 屯蘭礦各盤區(qū)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)匯總表

2.3 屯蘭礦防突工作存在問題

1)采掘抽接替緊張。屯蘭礦消突后的安全煤量低于實際產(chǎn)量，預(yù)抽時間緊張，目前屯蘭礦的防突消突方案與生產(chǎn)需要的矛盾突出。

2)鄰近層瓦斯涌出治理難度大。鑒于屯蘭礦煤層賦存特征為近距離突出煤層群，主采煤層上組煤2#、4#煤層和下組煤8#、9#煤層平均層間距只有9 m和15 m左右。加上各主采煤層還有數(shù)個上下鄰近層，首采保護層時上下鄰近層瓦斯涌出量較大，影響了上隅角瓦斯治理。

3)區(qū)域防突措施缺乏合理規(guī)劃。防突措施分為3個層面:礦井防突設(shè)計、盤區(qū)(采區(qū))防突設(shè)計、工作面防突設(shè)計。屯蘭礦已形成“一面一策”的工作面防突設(shè)計和盤區(qū)防突設(shè)計，但還應(yīng)加強礦井層面的防突設(shè)計，統(tǒng)籌設(shè)計與規(guī)劃。

3 屯蘭礦區(qū)域防突措施優(yōu)化

3.1 屯蘭礦防突區(qū)域劃分

根據(jù)屯蘭礦盤區(qū)生產(chǎn)接續(xù)實際，把屯蘭礦9個盤區(qū)劃分3個瓦斯綜合防治區(qū)域，即生產(chǎn)區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、規(guī)劃區(qū)。開采區(qū)為北一、南二盤區(qū)，準(zhǔn)備區(qū)為北三、南三、南四、南五盤區(qū)，規(guī)劃區(qū)為南一、南六、南七盤區(qū)。

3.2 保護層開采優(yōu)化

回采被保護層之前，應(yīng)對保護層保護效果進行實測考察和驗證，包括保護垂距、沿傾斜方向保護范圍、沿走向保護范圍、保護層回采工作面超前距。

1)生產(chǎn)區(qū)保護層開采。

北一、南二盤區(qū)下組8#、9#煤層的平均層間距約為15.11 m，9#煤層處于8#煤層(上保護層)有效保護垂距范圍內(nèi)，8#煤可作為上保護層進行開采。8#煤層平均煤層厚度為3.41 m，焦煤含量相對較少，含硫相對較高，在目前礦井采掘接替緊張的前提下，開采8#煤層作為保護層能夠滿足礦井達產(chǎn)的目標(biāo)。因此，北一、南二盤區(qū)采取開采8#煤層作為9#煤層上保護層具備技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性。北一、南二盤區(qū)下組煤回采時，應(yīng)選擇開采8#煤層作為9#煤層的上保護層。

2)準(zhǔn)備區(qū)保護層開采。

屯蘭礦準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)北三、南四、南五盤區(qū)可選擇6#、7#、02#、4#作為保護層，準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)保護層與被保護層的平均層間距等參數(shù)見表4。

表4 屯蘭礦準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)保護層優(yōu)選

北三盤區(qū)內(nèi)，6#煤層賦存穩(wěn)定，7#煤層賦存較穩(wěn)定。2#煤處于6#、7#煤(下保護層)有效保護垂距范圍內(nèi);8#煤層處于6#、7#煤(上保護層)有效保護垂距范圍內(nèi)。目前，屯蘭礦6#煤層未測定瓦斯壓力，7#煤層測定最大瓦斯壓力達0.53 MPa，瓦斯壓力較低，7#煤可作為上下保護層，進行開采。北三盤區(qū)開采7#煤層作為上下保護層具備技術(shù)可行性，可同時保護上組2#煤層以及下組8#、9#煤層，實現(xiàn)一層煤開采，多層煤同時卸壓。北三盤區(qū)回采順序為:7#→2#→8#→9#煤層。

南三盤區(qū)2#煤已經(jīng)回采完畢，盤區(qū)內(nèi)6#、7#煤賦存穩(wěn)定性和煤厚資料較少，初步選擇7#煤可作為上保護層進行開采。南三盤區(qū)采取開采7#煤層作為上保護層具備技術(shù)可行性，經(jīng)濟合理性需根據(jù)盤區(qū)內(nèi)煤層實際賦存情況進一步確定。南三盤區(qū)回采順序為7#→8#→9#煤層。

南四盤區(qū)內(nèi)7#煤層賦存較穩(wěn)定。2#煤處于7#煤(下保護層)有效保護垂距范圍內(nèi);8#煤層處于7#煤(上保護層)有效保護垂距范圍內(nèi);9#煤處于7#煤(上保護層)有效保護垂距范圍內(nèi)。南四盤區(qū)開采7#煤層作為上下保護層具備技術(shù)可行性，可同時保護上組2#煤層以及下組8、9#煤層，實現(xiàn)一層煤開采，多層煤同時卸壓。南四盤區(qū)回采順序為7#→2#→8#→9#煤層。

南五盤區(qū)內(nèi)02#、4#煤層較穩(wěn)定，2#煤層處于02#煤層(上保護層)和4#煤層(下保護層)的有效保護垂距內(nèi)。南五盤區(qū)上組煤盤區(qū)大巷已經(jīng)形成，目前已經(jīng)回采了2個2#煤工作面，根據(jù)生產(chǎn)實際，選擇02#煤層作為2#煤層的上保護層進行開采，更為經(jīng)濟合理。南五盤區(qū)上組煤回采順序為02#→2#→4#煤層。

3)規(guī)劃區(qū)保護層開采。

南一、南六、南七盤區(qū)保護層開采，從保護層保護垂距及下鄰近層垮落帶高度兩方面考慮，主要有02#、6#、7#煤層可能作為保護層開采。回采上組煤時，選擇開采02#煤層作為2#煤層的上保護層進行開采;回采下組煤時，為減少下鄰近層瓦斯涌出帶來的影響，選擇7#煤層作為下組8#、9#煤層的上保護層開采。若屯蘭礦南一、南六、南七盤區(qū)范圍內(nèi)02#和7#煤為突出危險區(qū)，應(yīng)對02#、7#煤預(yù)抽消突后開采。目前02#、6#、7#煤層皆未進行過參數(shù)測定及煤與瓦斯突出鑒定，無法確定是否突出及突出危險性大小，有條件時應(yīng)進行02#、7#煤層的煤與瓦斯突出鑒定，若為突出煤層突出危險區(qū)，則應(yīng)對保護層采取區(qū)域預(yù)抽措施;若為非突出危險區(qū)或非突煤層，則優(yōu)先作為南一、南六、南七盤區(qū)2#、8#煤層的上保護層進行開采。

3.3 預(yù)抽優(yōu)化

1)生產(chǎn)區(qū)預(yù)抽。

生產(chǎn)區(qū)北一、南二盤區(qū)下組煤預(yù)抽優(yōu)化前是在9#煤層中布置8#煤層的瓦斯抽采巷，采用邁步鉆場布置9#煤順層鉆孔預(yù)抽該瓦斯抽采巷條帶瓦斯，然后在瓦斯抽采巷布置穿層鉆孔預(yù)抽8#煤順槽條帶瓦斯，待消突后掘進8#煤層順槽，進而采用8#煤本煤層順層鉆孔預(yù)抽工作面瓦斯。采用9#煤層瓦斯抽采巷預(yù)抽8#煤層回采區(qū)域瓦斯，具有無巖巷施工工程量小、穿層鉆孔施工工程量小、工期短、有效鉆孔長度利用率高等優(yōu)點，適合于突出危險性較小煤層的預(yù)抽瓦斯。

生產(chǎn)區(qū)北一、南二盤區(qū)下組煤預(yù)抽方案優(yōu)化后，在9#煤層底板15 m處，與順槽內(nèi)錯25 m，布置底板巖石走向瓦斯抽采巷，穿層預(yù)抽8#煤層順槽條帶瓦斯，控制8#煤層工作面順槽兩幫至少15 m。封孔深度應(yīng)不小于8 m，封孔管直徑大于50 mm。根據(jù)該礦經(jīng)驗，8#煤層采用底板穿層鉆孔預(yù)抽順槽條帶瓦斯時，采用的直徑113 mm鉆孔，終孔間距5 m時，預(yù)抽時間不得少于180 d。設(shè)計抽放天數(shù)、終孔間距應(yīng)根據(jù)實測瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)、抽放半徑等參數(shù)確定。采用本煤層順層鉆孔預(yù)抽8#煤層回采區(qū)域瓦斯，具有預(yù)抽效果好、時間短、克服8#煤順槽和9#煤底抽巷掘進時鄰近層瓦斯涌出量大、有效鉆孔長度利用率高等優(yōu)點，適用于該礦生產(chǎn)區(qū)內(nèi)北一、南二盤區(qū)下組8#煤上下鄰近層瓦斯涌出較多的特點，見圖1。

圖1 北一、南二盤區(qū)下組煤預(yù)抽優(yōu)化前與優(yōu)化后

2)準(zhǔn)備區(qū)區(qū)域預(yù)抽。

地面井預(yù)抽。該礦準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)北三、南五盤區(qū)具備地面井預(yù)抽的條件，已經(jīng)施工或者計劃施工地面井預(yù)抽。地面井預(yù)抽是北三盤區(qū)消突的有益補充措施。

準(zhǔn)備區(qū)上組煤預(yù)抽。該礦北三、南三、南四盤區(qū)上組2#煤層預(yù)抽，采用穿層預(yù)抽2#煤順槽條帶瓦斯、本煤層遞進式順層鉆孔預(yù)抽2#煤回采區(qū)域瓦斯，見圖2。該礦南五盤區(qū)上組02#煤層采用千米鉆機順層預(yù)抽順槽條帶瓦斯和回采區(qū)域瓦斯，南五盤區(qū)上組2#煤層采用千米鉆順層預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯，見圖3。

圖2 北三盤區(qū)上組煤預(yù)抽優(yōu)化前與優(yōu)化后

圖3 南五盤區(qū)西北翼02#煤順槽條帶和回采區(qū)段、東南翼2#煤預(yù)回采區(qū)段預(yù)抽圖

準(zhǔn)備區(qū)下組煤預(yù)抽。北三、南四、南五盤區(qū)下組8#煤層預(yù)抽，與北一、南二盤區(qū)8#煤預(yù)抽消突措施相同。

3)規(guī)劃區(qū)預(yù)抽。

規(guī)劃區(qū)地面井預(yù)抽。該礦南六、南七盤區(qū)已進行了地面井預(yù)抽，目前抽放瓦斯量為5萬m3/d，以地面井抽采10年為例，按目前地面抽采情況，10年共能抽瓦斯約1.825×108m3，估算南六、南七盤區(qū)的煤炭儲量約1.2億t，則南六、南七盤區(qū)煤層瓦斯含量能降低約1.5 m3/t，根據(jù)南七盤區(qū)2#煤層平均瓦斯含量達13.28 m3/t，按此估算，瓦斯含量未能降到 8 m3/t，則仍需進行井下預(yù)抽煤層瓦斯。

規(guī)劃區(qū)上組煤預(yù)抽。屯蘭礦規(guī)劃區(qū)南一、南六、南七盤區(qū)上組02#、2#煤層應(yīng)預(yù)抽消突。屯蘭礦南一、南六、南七盤區(qū)02#、2#煤的瓦斯預(yù)抽方案與屯蘭礦生產(chǎn)區(qū)上組02#、2#煤的煤巷條帶瓦斯、回采區(qū)域瓦斯預(yù)抽方案相同，預(yù)抽時間應(yīng)根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)瓦斯賦存實際情況進行調(diào)整。

規(guī)劃區(qū)下組煤預(yù)抽。該礦規(guī)劃區(qū)南一、南六、南七盤區(qū)預(yù)抽8#煤消突措施和屯蘭礦+650水平北一、南二、北三、南五盤區(qū)8#煤預(yù)抽消突措施相同，預(yù)抽時間應(yīng)根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)瓦斯賦存實際情況進行調(diào)整。

綜上所述，南六、南七盤區(qū)采用的區(qū)域預(yù)抽防突措施主要有:開采保護層、地面井預(yù)抽、分別在4#、9#煤底板穿層預(yù)抽02#、7#煤順槽條帶瓦斯、分別在4#、9#煤底板穿層抽2#、8#煤卸壓瓦斯、順層遞進式預(yù)抽02#、7#煤回采區(qū)域瓦斯。

4 結(jié)論與建議

1)盤區(qū)地質(zhì)資料有待進一步完善。該礦應(yīng)進一步完善北一、南一、南三、南六、南七盤區(qū)地質(zhì)說明書等資料，包括斷層、褶皺等構(gòu)造力學(xué)性質(zhì)、頂?shù)装逦锢砹W(xué)性能等，并加強該礦地質(zhì)、抽采、防突、通風(fēng)各職能單位的資料共享。

2)進一步補充瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)。該礦應(yīng)進一步補充實測北三、南一、南三、南四、南五等盤區(qū)的主采煤層瓦斯壓力、含量、透氣性系數(shù)、抽排放半徑等參數(shù)，加快02#、6#、7#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定或鑒定工作。

3)考察保護層保護效果。該礦應(yīng)加強保護層對被保護層的保護效果、保護范圍及保護超前距的考察工作。

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