胡正田
(重慶能源(貴州)煤電有限公司,貴州 畢節(jié) 551700)
對江南煤礦煤層群開采保護(hù)層選擇分析
胡正田
(重慶能源(貴州)煤電有限公司,貴州 畢節(jié) 551700)
基于對江南煤礦煤層群開采時(shí)遇到的實(shí)際問題,以及對該礦井田范圍內(nèi)可采煤層賦存及瓦斯賦存條件進(jìn)行分析,提出了對江南煤礦煤層群開采保護(hù)層的方法來解決礦井瓦斯災(zāi)害的重要性。通過對對江南煤礦煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)、瓦斯賦存、煤層賦存條件分析,同時(shí)對該礦可采煤層的開采順序進(jìn)行分析研究,確定優(yōu)先選擇突出危險(xiǎn)程度較小的M51煤層作為保護(hù)層先行開采的技術(shù)方案。通過開采保護(hù)層的方法來解決對江南煤礦煤層群開采時(shí)礦井瓦斯災(zāi)害問題,是一種綜合治理瓦斯問題的有效合理化建議,可為黔北礦區(qū)具有類似條件的礦井在科研、初步設(shè)計(jì)過程中提供借鑒指導(dǎo)意義。
煤層群開采;保護(hù)層;瓦斯賦存;瓦斯治理;
目前我國大多數(shù)礦井屬于高瓦斯礦井。隨著煤炭開采深度的不斷增加,煤層瓦斯含量和壓力也隨之增大[1-2],煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增加,嚴(yán)重影響和制約著井下職工的人身安全和礦井的安全生產(chǎn)。而且大部分礦井的煤層具有透氣性低,煤層瓦斯應(yīng)力和圍巖應(yīng)力高等特點(diǎn),高瓦斯礦井瓦斯抽采效果不理想,不能徹底消除瓦斯事故的隱患[3-4]。通過不斷的探索實(shí)踐,煤層開采后會(huì)引起煤層頂?shù)装鍑鷰r變形移動(dòng),煤層的透氣性會(huì)增大數(shù)十倍甚至數(shù)百倍,圍巖產(chǎn)生的大量裂隙為瓦斯運(yùn)移和抽采提供了有利的條件[5-7]。因而,在煤層群開采條件下,利用下保護(hù)層開采的采動(dòng)效應(yīng)來提高卸壓煤層的透氣性,同時(shí)對卸壓煤層進(jìn)行瓦斯抽放,這是目前實(shí)現(xiàn)區(qū)域性預(yù)防煤與瓦斯突出和低透氣性煤層瓦斯治理最簡單、最有效和最經(jīng)濟(jì)的措施[8-10]。
貴州煤礦煤層氣的抽采對策是研究原始應(yīng)力條件和改變原始應(yīng)力條件下礦井煤層氣的賦存和涌出規(guī)律,研究強(qiáng)化抽采技術(shù),提高煤層氣的抽采濃度和抽采量,通過對煤層群的整體考慮,采用保護(hù)層開采,利用卸壓范圍內(nèi)煤巖滲透性大量增加的特點(diǎn),卸除被保護(hù)煤層的瓦斯應(yīng)力和圍巖應(yīng)力,有效降低煤層瓦斯壓力和含量,消除被保護(hù)煤層的瓦斯突出,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯的高效共采[11-13]。
對江南煤礦屬煤層群開采,井田含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l),含可采煤層4層,分別為M18,M29,M51,M78煤層;井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤層瓦斯含量高,煤層的低透氣性差給礦井瓦斯治理和安全生產(chǎn)帶來了重大影響。由于保護(hù)層選擇是解決礦井瓦斯災(zāi)害的核心和關(guān)鍵,因此,對江南煤礦亟需對煤層群保護(hù)層進(jìn)行合理選擇和規(guī)劃,從而對礦井瓦斯綜合治理和高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
對江南煤礦屬新建礦井,位于貴州省大方縣行政區(qū)劃隸屬于高店鄉(xiāng)、綠塘鄉(xiāng)、岔河鄉(xiāng)、馬場鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)所轄。井田南北走向長12.48 km,東西傾斜寬3.15 km,面積39.38 km2.井田內(nèi)有煤炭資源量210.02 Mt,設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量77.33 Mt,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a,服務(wù)年限61.4 a.按照煤與瓦斯突出礦井設(shè)計(jì)。
1.1 煤層賦存條件
根據(jù)大方縣對江南煤礦地質(zhì)勘探資料[11],對江南煤礦受大方背斜和落腳河向斜構(gòu)造控制,構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。
井田內(nèi)含可采煤層4層,煤層平均厚度為1.20~2.33 m,煤層傾角4°~25°,屬近水平~緩傾斜的薄及中厚煤層群開采,其可采煤層賦存特征見表1.
1.2 瓦斯賦存條件
對江南煤礦地勘期間,礦井測定了部分勘探鉆孔揭露煤層的瓦斯含量,采取瓦斯樣195件,其實(shí)測的瓦斯含量均較高,見表2.
表1 對江南煤礦煤層賦存特征表
表2 對江南煤礦地勘期間實(shí)測煤層瓦斯含量表
1.3 突出危險(xiǎn)性指標(biāo)
根據(jù)《貴州省大方縣對江南煤礦煤炭資源勘探地質(zhì)報(bào)告》采樣測試結(jié)果[11],實(shí)測了對江南煤礦各煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性指標(biāo),見表3.
表3 對江南煤礦實(shí)測瓦斯突出危險(xiǎn)性指標(biāo)表
鑒于對江南煤礦位于貴州省劃定黔北礦區(qū)的大方縣,該礦區(qū)為突出危險(xiǎn)礦區(qū)。雖礦井暫未對煤層的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行鑒定,但地勘期間實(shí)測的瓦斯含量高,周邊礦井曾發(fā)生過煤與瓦斯突出事故。因此,對江南煤礦各煤層應(yīng)按照突出煤層進(jìn)行管理,按照突出煤層進(jìn)行設(shè)計(jì)。
當(dāng)?shù)V井開采突出煤層群時(shí),充分考慮防突、安全、經(jīng)濟(jì)和有利于長期可持續(xù)開采等因素,保護(hù)層選擇時(shí)應(yīng)遵循以下原則[14-16]。
1)優(yōu)先選擇無突出危險(xiǎn)煤層作為保護(hù)層、礦井所有煤層都有突出危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)選擇危險(xiǎn)程度較小的煤層作保護(hù)層;
2)優(yōu)先選擇上保護(hù)層、選擇下保護(hù)層時(shí),不得破壞被保護(hù)層的開采條件;
3) 在突出礦井開采突出煤層群時(shí),選擇突出危險(xiǎn)程度較小的煤層作保護(hù)層先行開采,但保護(hù)層開采時(shí)不得破壞被保護(hù)層的開采技術(shù)條件,且采掘前必須采取預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施并進(jìn)行效果檢驗(yàn);
4) 突出煤層群保護(hù)層選擇時(shí),應(yīng)從防突角度、開采技術(shù)條件及達(dá)產(chǎn)能力等方面綜合比較分析,擇優(yōu)突出危險(xiǎn)性小、煤層賦存穩(wěn)定、開采技術(shù)條件好、保護(hù)效果好、具備建立區(qū)域防突措施時(shí)空條件的可采煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采;
5) 突出煤層群開采時(shí),保護(hù)層選擇應(yīng)考慮在煤層采動(dòng)影響關(guān)系的前提下,能夠保證開采水平、采區(qū)、采煤工作面的正常接替,保證礦井持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和高效生產(chǎn)。
3.1 瓦斯賦存條件
查閱對江南煤礦周邊礦井突出危險(xiǎn)性和開采情況來看,其周邊煤礦在開采M18,M29煤層均發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,在M51,M78煤層開采過程中尚未發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。
從表1可以看出,對江南煤礦M29,M51煤層厚度較小,對于黔北礦區(qū)煤層賦存與突出危險(xiǎn)性程度的關(guān)系來分析,其M29,M51煤層突出危險(xiǎn)性程度相對較低。
從表2可以看出,對江南煤礦可采的M18,M29,M78煤層地勘期間實(shí)測的瓦斯含量相當(dāng),均在17~20 mL/g·m之間,其瓦斯參數(shù)情況相當(dāng)。
從周邊礦井開采及揭露的上述4個(gè)煤層的賦存情況來看,其M18,M29煤層相對于M51,M78煤層破壞類型較高,硬度相對較差。
因此,結(jié)合對江南煤礦地勘期間瓦斯含量測試結(jié)果與周邊礦井各煤層賦存及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的分析來看,其M18,M29煤層的突出危險(xiǎn)性程度高于M51,M78煤層。
從瓦斯賦存條件及周邊礦井各煤層的突出危險(xiǎn)性程度來看,礦井保護(hù)層應(yīng)優(yōu)先選擇突出危險(xiǎn)程度較小的M51,M78煤層作保護(hù)層先行開采。
3.2 煤層賦存條件
從表1可以看出,礦井M18,M29,M51,M78煤層賦存均相對穩(wěn)定,屬薄及中厚煤層。
因此,從煤層穩(wěn)定性的角度分析,上述M18,M29,M51、M78煤層均可作為保護(hù)層先行開采,可實(shí)現(xiàn)降低被保護(hù)層開采的安全風(fēng)險(xiǎn)。
3.3 煤層突出危險(xiǎn)性
從表3可以看出,礦井M18,M29,M51,M78煤層實(shí)測的瓦斯放散初速度相當(dāng),均在17.56~18.03之間,而瓦斯壓力均在2.29~2.75 MPa之間,區(qū)別也不明顯,但煤的堅(jiān)固性系數(shù)差別較大,M18,M29分別為1.23,1.22,而M51,M78則分別為1.73,2.3,同時(shí)結(jié)合周邊礦井開采及揭露的上述4個(gè)煤層的賦存情況來看,其M18,M29煤層相對于M51,M78煤層破壞類型高,硬度相對較差,因而,M51,M78煤層突出危險(xiǎn)性小于M18,M29.
從表4可以看出,按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》有關(guān)煤層突出危險(xiǎn)性鑒定指標(biāo)[12],煤的破壞類型Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,瓦斯放散初速度(ΔP)≥10,煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)≤0.5,煤層瓦斯壓力(P)(MPa)≥0.74,4個(gè)指標(biāo)全部達(dá)到或超過臨界指標(biāo)值時(shí),判定為具有突出危險(xiǎn)性,從上述實(shí)測指標(biāo)和對江南煤礦周邊礦井突出危險(xiǎn)性以及實(shí)際開采情況分析,其周邊煤礦在開采M18,M29煤層均發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,在M51,M78煤層開采過程中到目前為止尚未發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。因此,M18,M29煤層具有突出危險(xiǎn)性,M51,M78煤層無突出危險(xiǎn)性,均可以作為保護(hù)層先行開采。
表4 突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值
3.4 區(qū)域瓦斯治理?xiàng)l件
結(jié)合對江南煤礦可采煤層實(shí)測突出危險(xiǎn)性指標(biāo)、瓦斯賦存、煤層賦存條件分析,礦井應(yīng)優(yōu)先選擇M51或M78煤層作為保護(hù)層先行開采。
根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[15]附錄D.3,緩傾斜或傾斜煤層下保護(hù)層開采時(shí),對上覆被保護(hù)層的最大保護(hù)垂距不超過100 m;通過礦井可采煤層層間距情況來看,M78與M51煤層層間距為64.21~112.36 m,平均達(dá)97 m,若首先開采M78煤層,按照下保護(hù)層開采對上覆煤層最大保護(hù)范圍100 m來看,其對M51煤層的保護(hù)效果非常差,不能足以達(dá)到消除M51煤層突出危險(xiǎn)性的程度。若首先開采M51煤層,其上覆M29,M18均在最大保護(hù)范圍內(nèi),其對M29,M18煤層具有良好的保護(hù)效果。
因此,從煤層賦存的層間距情況考慮,對江南煤礦應(yīng)選擇M51煤層作為保護(hù)層先行開采。其首采M51煤層時(shí),其煤巷掘進(jìn)工作面可設(shè)底板瓦斯抽采巷穿層抽采煤巷掘進(jìn)條帶瓦斯,回采工作面可采取順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯,可有效實(shí)現(xiàn)煤層的區(qū)域瓦斯治理。
3.5 開采技術(shù)條件
通過上述分析,對江南煤礦首先開采M51煤層作為保護(hù)層,但不得破壞被保護(hù)層的開采條件;按照頂板管理系數(shù)法、比值判別法和“三帶”判別法分別進(jìn)行計(jì)算[16]。
根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[12]附錄D.4,
當(dāng)α<60°時(shí),H=KMcosα.
式中H為允許采用的最小層間距,m;M為保護(hù)層的開采厚度,m;α為煤層傾角,(°);K為頂板管理系數(shù)。冒落法管理頂板時(shí),K取10,充填法管理頂板時(shí),K取6.
H=10×1.26×cos4=12.57,即開采M51煤層時(shí)允許采用的最小層間距為12.57 m,小于M29與M51煤層的最小層間距42.87 m;符合開采下保護(hù)層時(shí),不破壞上部被保護(hù)層的最小層間距規(guī)定。
按照比值判別法計(jì)算,K>7.5;按照“三帶”判別法計(jì)算,M51煤層開采后垮落帶最大高度為4.67 m,小于M29與M51煤層的最小層間距;因此,礦井選擇M51煤層作為保護(hù)層開采時(shí),不會(huì)破壞上部M29煤層的開采技術(shù)條件。
3.6 保護(hù)層選擇
按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)保護(hù)層選擇原則,綜合對江南煤礦煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)、瓦斯賦存、煤層賦存和區(qū)域瓦斯治理?xiàng)l件的分析[17-19],礦井應(yīng)優(yōu)先選擇M51煤層作為保護(hù)層先行開采。
由于開采M51煤層時(shí),上覆的M18,M29煤層均在保護(hù)范圍內(nèi),下覆的M78煤層未在保護(hù)范圍內(nèi),因此M51煤層作為保護(hù)層開采后,接續(xù)開采的被保護(hù)煤層應(yīng)在M18和M29煤層進(jìn)行選擇確定。
上述M18,M29,M51煤層開采后,其多重上保護(hù)層采動(dòng)作用,可影響下覆的M78煤層,因此M78煤層待上述煤層開采完畢后再進(jìn)行開采。
通過對江南煤礦煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)、瓦斯賦存、煤層結(jié)構(gòu)及賦存條件等分析,得出如下結(jié)論。
1)經(jīng)綜合比較分析,M51作為保護(hù)層首先開采可有效保護(hù)上覆的M18,M29煤層,使之喪失突出危險(xiǎn)性,同時(shí)又不破壞其開采技術(shù)條件,有利于全礦井瓦斯治理及早日達(dá)產(chǎn),有利于提高礦井綜合經(jīng)濟(jì)效益;因此礦井應(yīng)當(dāng)選擇M51煤層作為保護(hù)層首先開采;
2) M78煤層作為單一煤層開采考慮,其瓦斯治理措施需結(jié)合上覆各煤層開采后煤層瓦斯參數(shù)變化情況而定;
3) 對江南煤礦保護(hù)層選擇對貴州黔北礦區(qū)類似條件下煤層群開采的保護(hù)層選擇具有一定的借鑒和參考意義。
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Analysis on the selection of protective seam exploitation in coal seams of Duijiangnan coal mine
HU Zheng-tian
(ChongqingEnergy(Guizhou)CoalandElectricCo.,Ltd.,Bijie551700,China)
Based on actual problems of the Duijiangnan coal mine and the analysis of coal seam gas occurrence conditions within the scope of the mine field,a method is proposed for the Duijiangnan coal mine protective layer to solve the gas disaster.Through the Duijiangnan coal seam outburst danger index,gas occurrence,and analysis of coal seam conditions,the mine coal seam mining sequence were analyzed to determine the preference for a smaller degree risk of M51 as a protective seam layer for first mining.To solve the coal mine seam gas disaster by mining protective layer is an effective rational proposal for a comprehensive treatment of gas issues,which is of reference for similar Qianbei mine in the research and preliminary design process.
coal seams exploitation;protective seam;gas occurrence;gas management
2015-05-10 責(zé)任編輯:高 佳
胡正田(1965-),男,重慶璧山人,高級(jí)工程師,E-mail:1357931839@qq.com
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0509
1672-9315(2015)05-0579-05
TD 713
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