張創(chuàng)業(yè) 孫 朋 唐建平 胡良平

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦，河南省平頂山市，467000；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

隨著煤礦開采深度的增加，煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增大，礦井煤與瓦斯突出的危險性也隨之增大，單靠傳統(tǒng)的風(fēng)排瓦斯已經(jīng)遠不能滿足瓦斯治理的需求。對于具備保護層開采條件的煤層，保護層開采是最有效、最經(jīng)濟的防治煤與瓦斯突出治理方法，我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“對于有突出危險的煤層，應(yīng)采取開采保護層或預(yù)抽煤層瓦斯等區(qū)域性防治突出措施”、“在突出礦井開采煤層群時，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護層防治突出措施?！?保護層開采是指首先開采與突出煤層相鄰而又無突出危險的煤層，由于采動的影響，使煤層地應(yīng)力、瓦斯壓力大幅度降低，煤層的透氣性顯著提升，利用保護層開采的卸壓增透作用，使被保護層的透氣性增加成百上千倍。國內(nèi)研究人員和工程技術(shù)人員對突出煤層保護層開采做了大量的研究，如遠距離下煤層保護層開采技術(shù)、近距離突出危險性煤層群上保護層開采技術(shù)、急傾斜煤層俯偽斜下保護層技術(shù)、千米深井煤層保護層開采技術(shù)等。這些技術(shù)不僅有效地解決了煤與瓦斯突出現(xiàn)場實際問題，同時豐富了我國區(qū)域防突瓦斯治理技術(shù)。

目前絕大部分研究都是針對常規(guī)厚度煤層，對于薄煤層來講，將其作為保護層研究的相對較少。薄煤層工作面回采過程中不僅容易使煤中含有大量的矸石，而且容易造成工作面瓦斯?jié)舛瘸蓿绻扇娭圃鐾复胧?，可能會使頂板垮落和損傷煤層，造成不必要的損失。平煤股份十二礦將己14薄煤層作為上保護層開采，保護下己15煤層，同時在薄煤層開采過程中采取相應(yīng)的措施，為回采工作面的開采提供相應(yīng)的安全保障。

1 礦井試驗區(qū)域概況

十二礦是中國平煤神馬集團第一對煤與瓦斯突出礦井。自1989年1月3日己六采區(qū)己15-17-16101回風(fēng)巷首次發(fā)生煤與瓦斯突出以來，共發(fā)生煤與瓦斯突出27次。目前，礦井已進入深部開采區(qū)域(垂深已達1100 m)，主要在己七采區(qū)深部和三水平進行采掘活動，己14煤層位于山西組中下部，井田南部鉆孔及井下工程偶見己14煤層，井田北部鉆孔及井下工程均已見己14煤層，煤層厚度0～1 m，平均厚度0.3 m，工作面可采走向長571.9 m，傾斜寬150 m，煤層傾角平均6°。無突出危險，己14煤層頂板為白色細砂巖，含白云母片及植物化石，層位穩(wěn)定，巖性堅硬，堅固性系數(shù)為6～10。己15煤層上距己14煤層8～14 m，平均煤厚3.4 m，煤層可采性指數(shù)1，煤厚變異系數(shù)10.3%～23.6%，煤層原始瓦斯壓力為1.78 MPa，煤層原始瓦斯含量15.256 m3/t，屬高瓦斯含量突出煤層。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。己16-17煤層上距己15煤層0～12.7 m，平均煤厚2.0 m，由于己14-31010里段200 m頂板硬度較大，局部含白砂巖段，保護層開采難度大，確定自原己14-31010切眼向外200 m做切眼實施保護層開采。

2 上保護層薄煤層瓦斯治理

2.1 上保護層區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)

采用以保護層開采為主的技術(shù)線路，優(yōu)先開采己14上保護層，進而保護己15煤層及己16-17煤層，實現(xiàn)安全開采。由于己15煤層較厚，瓦斯壓力大，底板穿層鉆孔無法一次性穿透己15煤層進入己14煤層；己14煤層和己15煤層層間距不穩(wěn)定，最近僅為8 m，在己14煤層和己15煤層之間布置巖石巷道容易造成誤揭煤層。己14-31010工作面走向長1100 m，傾向長240 m，在己15-31010回風(fēng)巷向己14-31010采面打穿層鉆孔，設(shè)計孔徑89 mm，孔間距1.4 m，每7個鉆孔為一組。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 己15回風(fēng)巷向上穿層鉆孔布置示意圖

2.2 上保護層回采期間瓦斯治理技術(shù)

上保護層回采期間將己14-31010下進風(fēng)巷沿空留巷段作為頂板高抽巷，采空區(qū)側(cè)每隔10 m施工孔徑89 mm、孔深40 m的頂板走向穿層鉆孔，對己15煤層裂隙帶內(nèi)逸散至保護層己14-31010采面采空區(qū)上方裂隙帶的瓦斯進行抽采，同時配以采空區(qū)埋管抽采采空區(qū)瓦斯。頂板高抽巷以工作面采動形成的頂板裂隙(在前期己15-31010回風(fēng)巷穿層鉆孔增加了己14-31010煤層頂板裂隙的發(fā)育，為瓦斯向上流動增加了更多的通道)為通道來抽采瓦斯，留巷墻體埋管抽采采空區(qū)內(nèi)瓦斯，即在充填留巷期間，在充填墻體預(yù)埋抽采管路，抽采采空區(qū)內(nèi)部積聚的瓦斯。為保證較高的瓦斯抽采率，保證工作面本質(zhì)安全型生產(chǎn)，設(shè)計在留巷墻體每間隔10 m預(yù)埋抽采管路，當墻體充填開始時，在采空區(qū)側(cè)模板內(nèi)預(yù)埋抽采管，當墻體初凝脫模時，保留埋管孔。減少采空區(qū)瓦斯涌向工作面及上隅角。

2.3 薄保護層煤層開采技術(shù)

在開采薄煤層工作面時，因其和常規(guī)煤層不同，同時己15煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高、地應(yīng)力大、煤層透氣性差，平煤股份十二礦在己14煤層回采過程中使用了“三機配套”、沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)及堅硬頂板強制放頂技術(shù)，不僅保證了薄煤層順利采出的煤質(zhì)，同時有效解除了礦壓消極影響，提高了沿空留巷質(zhì)量，解決了本煤層采空區(qū)卸壓瓦斯大量涌出、回風(fēng)隅角瓦斯積聚等問題，實現(xiàn)了近距離被保護層己15煤層卸壓瓦斯協(xié)同高效控制、高效消突的目的。

圖2 采空區(qū)埋管抽采示意圖

(1)生產(chǎn)組織措施。在充分借鑒國內(nèi)外工作面回采的基礎(chǔ)上，十二礦提出了綜采設(shè)備選型以設(shè)備的大功率、高強度、高耐磨為原則，以達到低采高、直接破巖為目標，采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機為一體，采用天地瑪珂公司的三機聯(lián)動遠程集中控制系統(tǒng)，在工作面采用走向長壁后退式采煤法，采面于2016年2月4日開始試生產(chǎn)，截至2017年3月底回采完畢。工作面配備85人，單班最高出煤4刀(2.4 m)，日最高出煤7刀(4.2 m)，月最高推進70.5 m。工作面具備月推進度100 m的水平。

(2)沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)。沿空留巷技術(shù)具有煤炭采出率高、巷道掘進率低、掘進矸石少、工作面銜接合理等優(yōu)點。Y型通風(fēng)方式在壓差及濃度梯度的共同作用下，采空區(qū)瓦斯較均勻地直接流向沿空回風(fēng)巷，解決了上隅角瓦斯渦流問題，促使采空區(qū)瓦斯涌入回風(fēng)巷中，使上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}得到解決。沿空留巷Y型通風(fēng)方式很適合薄煤層的開采，十二礦在借鑒了屯蘭礦薄煤層沿空留巷Y型通風(fēng)成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合己14-31010薄煤層的實際情況，采用二進一回的Y型通風(fēng)方式。即在工作面回采過程中，采用混凝土材料充填保留己14-31010工作面下進風(fēng)巷作為己15-31010工作面回風(fēng)巷，工作面上進風(fēng)巷為主進風(fēng)巷，下進風(fēng)巷為輔助進風(fēng)巷。在配合采空區(qū)埋管抽采的基礎(chǔ)上，采空區(qū)瓦斯?jié)舛任闯^0.6%，完全符合標準。同時起到了被保護層己15-31010工作面的瓦斯卸壓、解放了己15-31010煤層的目的，從而實現(xiàn)安全開采。

(3)堅硬頂板強制放頂技術(shù)。薄保護層己14-31010工作面在開采過程中，頂板較為堅硬，由此帶來了突然垮落瓦斯超限、壓壞巷道等一系列問題，針對此類情形，平煤股份十二礦對薄煤層頂板采取了強制放頂，在進風(fēng)巷采用深孔爆破的方法強迫采空區(qū)老頂垮落。為了解決裝藥過程中的卡孔問題，采用了專門的PVC套管技術(shù)，即運用PVC炮棍將裝有的水膠炸藥和PVC管依次送入孔內(nèi)，之后運用炮泥機進行封孔，除沿空留巷墻體有部分片幫外，爆破效果良好。之后對工作面礦壓進行監(jiān)測，初次來壓步距由原來的68 m變?yōu)楝F(xiàn)在的58 m，周期來壓步距由原來的35 m變?yōu)楝F(xiàn)在的20～30 m。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，墻體側(cè)最終變形量為67 mm，下幫最終變形量為96 mm，兩幫最終變形量為163 mm，頂板最大下沉速度8 mm/d。

3 瓦斯治理綜合分析

(1)由于施工時間長，原抽采時，大部分鉆孔已抽不出瓦斯。保護層開采后，瓦斯抽采量急劇上升，開采被保護層己15-31010工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔?.12%升至0.38%，升高216.7%，己15-31010工作面月風(fēng)排瓦斯量由4萬m3升至28.5萬m3，升高612.5%，工作面瓦斯抽采率由18.5%升至75.5%，升高308.11%。保護層己14-31010工作面月風(fēng)排瓦斯量由14.92萬m3增加35.23萬m3，風(fēng)排瓦斯量增加2.36倍，月抽采量由6萬m3增加68.89萬m3，瓦斯抽采量增加11.48倍。己15煤層評價區(qū)域?qū)崪y殘余瓦斯含量最大4.96 m3/t，殘余瓦斯壓力最大0.4 MPa。

(2)在成本控制方面，保護層開采治理瓦斯費用總額為20486.33萬元，噸煤成本171.72元/t。底抽巷方案治理瓦斯費用總額為23697.73萬元，噸煤成本198.64元/t。保護層方案費用比底抽巷方案總費用低3211.4萬元，噸煤成本比底抽巷低26.92元/t。

(3)在建設(shè)工期方面，開采保護層治理瓦斯方案總工期63個月，底抽巷治理瓦斯方案總工期67.3個月，節(jié)省工期4.3個月。

(4)在安全方面，采用底抽巷治理，己15-31010采面配風(fēng)量2414 m3/min，回風(fēng)外口平均瓦斯?jié)舛?.49%，采面上隅角瓦斯?jié)舛?.9%～1.5%，平均瓦斯?jié)舛?.3%；風(fēng)排瓦斯量11.8 m3/min；保護層方案己15-31010采面配風(fēng)1930 m3/min，下降了484 m3/min；回風(fēng)外口平均瓦斯?jié)舛?.26%，下降了0.23%；采面上隅角瓦斯?jié)舛?.5%～0.8%，平均瓦斯?jié)舛?.6%，下降了0.7%；風(fēng)排瓦斯量5.0 m3/min，下降6.8 m3/min。

4 結(jié)論

(1)利用保護層開采的基本理論，選擇己14薄煤層作為己15煤層的上保護層。在其保護范圍內(nèi)的己15煤層瓦斯抽采量、工作面風(fēng)排瓦斯量及瓦斯抽采率得到了極大提高，殘余瓦斯含量最大4.96 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.4 MPa，己15煤層的突出危險性降低，采面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.5%～0.8%，杜絕了上隅角瓦斯超限問題。同時與底抽巷對比分析，在成本控制、建設(shè)工期、安全等方面保護層開采具有較大的優(yōu)勢。

(2)在己14-31010保護層薄煤層開采過程中，在己15-31010回風(fēng)巷穿層鉆孔對己14-31010保護層工作面進行瓦斯抽采，采用留巷墻體埋管抽采采空區(qū)內(nèi)瓦斯，同時使用了“三機配套”、沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)及堅硬頂板強制放頂技術(shù)進行薄煤層開采，取得了良好的效果，對其他薄煤層保護層開采的瓦斯治理具有一定的借鑒意義。

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