長平礦井保護(hù)層開采治理瓦斯技術(shù)研究

摘要：長平礦井3#煤三、四、五盤區(qū)瓦斯含量高，透氣性較差，瓦斯抽采的難度大，由于煤層瓦斯分布不均勻，在生產(chǎn)過程中，局部區(qū)域多次發(fā)生瓦斯異常涌出，瓦斯隱患已嚴(yán)重威脅長平礦井的安全生產(chǎn)。本文根據(jù)長平礦井目前瓦斯制約安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了一套開采保護(hù)層并結(jié)合被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采的區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)，即通過保護(hù)層開采增加3#煤透氣性能。開采保護(hù)層并結(jié)合被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采已經(jīng)成為目前瓦斯區(qū)域性治理最有效、最合理的技術(shù)。

1、研究背景

長平礦井主要可采煤層有山西組3＃煤層及太原組15#煤層。局部可采煤層有山西組2#煤層及太原組8#煤層，目前長平礦井僅開采3＃煤層。3＃煤層瓦斯賦存明顯存在區(qū)域性差異，煤層瓦斯含量4 m3/t～15 m3/t，且3＃煤層透氣性較差，衰減普遍較快，瓦斯抽采的難度大。透氣性系數(shù)為0.0116 ～0.0520m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1101d-1～0.1147d-1，屬于較難抽放煤層。以Ⅲ4304工作面為例，瓦斯含量最高達(dá)到15.09m3/t，按照目前瓦斯抽采工藝，掘進(jìn)鉆孔施工過程中，噴孔、夾鉆等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，掘進(jìn)工作面瓦斯含量降到8m3/t以下需要預(yù)抽期為162d，嚴(yán)重影響了礦井掘進(jìn)速度，導(dǎo)致長平礦井采、掘、抽接續(xù)緊張，嚴(yán)重制約了礦井安全生產(chǎn)。

2、研究意義

集團(tuán)公司目前主要采用三級瓦斯治理體系綜合治理瓦斯，即對瓦斯含量高于16m3/t區(qū)域利用地面瓦斯抽采井提前5～8年進(jìn)行預(yù)抽采；對瓦斯含量在8～16m3/t區(qū)域利用千米鉆機(jī)等鉆具施工長距離鉆孔開展井下大面積預(yù)抽采；對瓦斯含量在8m3/t以下區(qū)域采用邊掘邊抽、邊采邊抽、采空區(qū)抽采治理采掘活動中涌出的瓦斯。但長平礦井3＃煤層為松軟、低透性煤層，抽采時極為困難，常常從煤層中抽不出瓦斯，三級瓦斯治理體系預(yù)抽瓦斯在長平礦井應(yīng)用效果不明顯，難以解除煤層開采時的瓦斯危險，實踐證明治理長平礦井低透性3＃煤層瓦斯的問題關(guān)鍵在于如何大幅度的提高煤層的透氣性。

松軟、低透性煤層瓦斯治理問題不僅是長平礦井安全生產(chǎn)的難題，而且已成為集團(tuán)公司后續(xù)發(fā)展亟待解決的難題。針對長平礦井3＃煤松軟、低透性煤層瓦斯治理的難題，長平礦井在集團(tuán)公司大力支持下率先在集團(tuán)公司內(nèi)部開展了保護(hù)層開采治理瓦斯技術(shù)研究，將瓦斯治理工程與煤炭開采結(jié)合起來，通過保護(hù)層開采卸壓使瓦斯從煤體中游離出來，通過礦井開采新水平延伸、井巷開拓、煤層開采程序、采煤工作面布置，實現(xiàn)瓦斯治理由局部治理向區(qū)域治理邁進(jìn)，實現(xiàn)保護(hù)層開采高瓦斯煤層向低瓦斯煤層轉(zhuǎn)化、突出煤層像非突出煤層轉(zhuǎn)換的綜合治理工程，從根本上扭轉(zhuǎn)長平礦井被動抽放瓦斯局面，實現(xiàn)長平礦井安全高效化生產(chǎn)。

3、保護(hù)層開采可行性分析

3.1理論分析：

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2011年版）第193條規(guī)定：“在突出礦井開采煤層群時，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護(hù)層防治突出措施”，以及《保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》（AQ1050-2008）中明確指出“在突出礦井開采煤層群時，必須采用開采保護(hù)層防治突出措施”。按目前長平礦井采掘計劃，一、二、四盤區(qū)低瓦斯區(qū)域僅可開采三年，但長平礦井3#煤煤層透氣性很低，屬于難以抽采煤層，煤層瓦斯抽采若要滿足《煤礦瓦斯抽采指標(biāo)》要求以及礦井產(chǎn)量，必須采取措施對低透氣性煤層增加透氣性能，目前當(dāng)賦存條件滿足時，開采保護(hù)層是最為理想的增透途徑，即采取保護(hù)層開采技術(shù)并進(jìn)行卸壓瓦斯抽采。淮南、雞西等礦區(qū)實踐表明，開采保護(hù)層并結(jié)合被保護(hù)層的卸壓瓦斯抽采是最有效、最合理的區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)。

3.2技術(shù)上分析：

3.2.1保護(hù)層方案的確定依據(jù)

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范的規(guī)定：在突出礦井開采煤層群時，必須采用開采保護(hù)層防治突出措施。保護(hù)層選擇上應(yīng)優(yōu)先開采無突出危險煤層作為保護(hù)層；當(dāng)煤層群中有幾個煤層都可作保護(hù)層時，應(yīng)根據(jù)安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的合理性綜合比較分析，擇優(yōu)選定；礦井中所有煤層都有突出危險時，可選擇突出危險程度較小的煤層作為保護(hù)層；可采煤層不能作為保護(hù)層開采的，在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，可選擇鄰近不可采煤層作為保護(hù)層開采。

根據(jù)長平礦井各煤層賦存的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，目前可供選擇的保護(hù)層方案有2個，分別是2#煤層作為上保護(hù)層和8#煤層作為下保護(hù)層。因此需要對上述兩個方案進(jìn)行論證，分析兩個方案的可行性，確定合理的保護(hù)層開采方案和瓦斯抽采技術(shù)體系。

3.2.2保護(hù)層方案的對比分析

（1）2#煤層為3#煤層的上保護(hù)層開采可行性分析

① 2#煤層為上保護(hù)層技術(shù)上可行性分析

2#煤層厚度0～3.02 m，平均0.84 m，結(jié)構(gòu)簡單。井田內(nèi)東厚西薄，東部可采，為不穩(wěn)定的局部可采煤層。3#煤層厚度4.60 m～6.35 m，平均厚度5.58 m，煤層穩(wěn)定、全區(qū)可采煤層。其中2#煤層下距3#煤層9.40 m～25.69 m，平均間距20.68 m，預(yù)計2#煤層開采深度280 m～370 m。依據(jù)開采保護(hù)層規(guī)范，當(dāng)在開采深度小于550 m與回采工作面長度大于120 m，保護(hù)層與被保護(hù)層之間的有效垂距，依據(jù)下式確定。

S＇上—下保護(hù)層和上保護(hù)層的理論有效垂距，m。它與工作面長度L和開采深度H有關(guān)，參照表《煤礦安全規(guī)程》取值。長平礦井2#煤層為3#煤層上保護(hù)層時，S＇上=90m。

β1—保護(hù)層開采的影響系數(shù)，當(dāng)M≤M0時，β1=M／M0，當(dāng)M＞M0時，β1=1；長平礦井2#煤層開采厚度M=0.84m，參照保護(hù)層最小有效開采厚度曲線圖，保護(hù)層的最小有效厚度M0=0.45m，M＞M0時，β1=1；

β2—層間堅硬(砂巖、石灰?guī)r)含量系數(shù)，以η表示在層間巖石中所占的百分比，當(dāng)η≥50%時，β2=1-0.4η/100，當(dāng)η＜50%時，β2=1。長平礦井2#煤層與3#煤層間以泥巖、沙質(zhì)泥巖為主，且＜50%，則β2=1。

經(jīng)計算S上=S＇上β1β2=90m。

2#煤層下距3#煤層9.40m～25.69m，平均間距20.68m，煤層間距小于理論有效垂距，可見2#煤層為3#煤層理論上是可行的。

② 2#煤層為上保護(hù)層開采條件上分析

2#煤層位于山西組中上部，上距K8砂巖10.74 m～28.32 m，平均間距17.25 m，下距3#煤層9.40 m～25.69 m，平均間距20.68m，煤層厚度0～3.02 m，平均厚度0.84m，結(jié)構(gòu)簡單。井田內(nèi)東厚西薄，東部可采，為不穩(wěn)定的局部可采煤層。2#煤層的直接充水含水層為其頂板砂巖裂隙水含水層，鉆孔單位涌水量為0.0223 L/ s·m，滲透系數(shù)0.1226 m/d，屬弱富水性含水層。由于開采時形成的導(dǎo)水裂隙，可能溝通上覆其它含水層，使其成為煤層開采的間接充水含水層。井田內(nèi)2#煤層底板標(biāo)高在230.80 m～717.30 m之間，奧灰水位標(biāo)高在640.73 m～693.97 m之間，奧灰水水位大多高出2#煤層底板，與煤層之間有120 m左右的隔水層相隔。2#煤層底板奧灰水突水系數(shù)均小于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，屬突水性安全區(qū)。在沒有導(dǎo)水構(gòu)造溝通的情況下，奧灰水突水的可能性很小，一般不會發(fā)生突水危險。3#煤層瓦斯賦存特征西高東低，三盤區(qū)、五盤區(qū)瓦斯含量高，突出危險性大，而3#煤層三盤區(qū)、五盤區(qū)相應(yīng)的2#煤層不可采，2#煤層起不到對3#煤層高瓦斯區(qū)域的卸壓保護(hù)作用，確定2#煤層不具備開采上保護(hù)層條件。

（2）8#煤層為3#煤層的下保護(hù)層開采可行性分析

① 8#煤層為下保護(hù)層可行性理論分析

開采下保護(hù)層時，保護(hù)層與被保護(hù)層之間的有效垂距參照《煤礦安全規(guī)程專家解讀》中表2-4-14，如下：

8#煤層厚度0.00～2.85 m，平均厚度1.22 m，8#煤層上距3#煤層間距30.53 m～41.07 m，平均間距37.13 m，8#煤層下距15#煤層間距38.92 m～70.79 m，平均間距49.08 m，8#煤層與3#煤層間距小于理論有效垂距。

開采下保護(hù)層時，上部被保護(hù)層不被破壞的最小層間距離:

當(dāng)α<60°時，H=KMcosα ；

當(dāng)α≥60°時，H=KMsinα/2α；

H－允許采用的最小層間距，m；

M－保護(hù)層的開采厚度，m；

α－煤層傾角，度；

K－頂板管理系數(shù)。冒落法管理頂板時，K采用10，充填法管理頂板時，K采用6。

對于長平煤礦，其中α=6°，K=10。

當(dāng)M=1.22 m時，則確定最小層間距離為H=12.13m。

理論計算最小層間距小于兩煤層之間的平均層間距37.13 m，可見，開采下保護(hù)層滿足不破壞上被保護(hù)層的原則，開采8#煤層為3#煤層的下保護(hù)層是可行的。

② 8#煤層為下保護(hù)層開采條件分析

8#煤層厚度0.00～2.85 m，平均1.22 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬較穩(wěn)定的大部可采煤層。頂板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，偶見中細(xì)砂巖，底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、次為粉砂巖和細(xì)、中粒砂巖。原煤發(fā)熱量為26.943-30.09MJ/kg，平均值28.53MJ/kg，浮煤發(fā)熱量為31.523-32.831MJ/kg，平均值32.177 MJ/kg。無煤塵爆炸危險性。8號煤層直接充水含水層單位涌水量0.0050L/s·m，富水性弱，構(gòu)造發(fā)育地段存在奧灰突水可能性，礦井水文地質(zhì)類型為Ⅱ類。8#煤層基本全區(qū)可采，其中3#煤層四盤區(qū)4304、4306、4308、4310工作面與其相對應(yīng)的8#煤層厚度0.8 m～2.2 m，可見8#煤層作為3#煤層的下保護(hù)層開采是可行的。

3.3保護(hù)層開采條件下的瓦斯抽采方式

根據(jù)3#煤層瓦斯賦存條件，為確保礦井安全生產(chǎn)，在下保護(hù)層開采的同時，結(jié)合采取底板巖巷向上穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯的區(qū)域防突措施以及采取高位鉆孔抽采方法、順層鉆孔抽采方法的局部防突措施綜合治理瓦斯。

(1) 底板巖巷上向穿層鉆孔抽采方法（區(qū)域防突措施）

底板巖巷上向穿層鉆孔瓦斯抽采方法是首先在被抽采的3#煤層工作面底板巖層內(nèi)施工一條或多條巖石巷道，在巖石巷道中每隔一定距離施工鉆場，在鉆場內(nèi)施工上向穿層鉆孔抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯。底板巖巷上向穿層鉆孔瓦斯抽采方法是抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯的最基本方法，也是我國被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采中普遍應(yīng)用的方法，該方法抽采效果穩(wěn)定、抽采率高。

（2）高位鉆孔抽采方法（局部防突措施）

工作面在推進(jìn)過程中，煤層上覆巖層被破壞、移動產(chǎn)生裂隙，上覆巖層在豎直方向上分為垮落帶、裂隙帶、下沉彎曲帶，工作面推進(jìn)方向則出現(xiàn)“重新壓實區(qū)、離層區(qū)、煤壁支撐影響區(qū)”，即工作面開采過程中的“三帶”、“三區(qū)”。 將走向高位鉆孔的終孔位置布置到煤層工作面上覆巖層的裂隙帶內(nèi)，同時抽采本煤層工作面采空區(qū)瓦斯和被保護(hù)層的裂隙瓦斯。

(3) 順層鉆孔抽采方法（局部防突措施）

順層孔抽采方法包括邊掘邊抽和邊采邊抽。邊掘邊抽是在掘進(jìn)巷道兩幫每隔一定距離掘一鉆場，在鉆場向工作面推進(jìn)方向施工超前鉆孔進(jìn)行抽采。邊采邊抽是在工作面兩側(cè)每隔一定距離施工平行與工作面的鉆孔進(jìn)行抽采。

3.4保護(hù)層開采應(yīng)用效果預(yù)計

8#煤層的地質(zhì)儲量為7344萬t，保護(hù)層開采具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。考慮目前長平礦井的生產(chǎn)接替關(guān)系，現(xiàn)在3#煤層低瓦斯區(qū)域的可采期約為3年，為了快速實現(xiàn)對3#煤層四盤區(qū)的保護(hù)，8#煤層保護(hù)層開拓巷道利用3#煤層現(xiàn)有的開拓系統(tǒng)，采用暗斜井的方式進(jìn)入8#煤層。

將長平礦井與淮南潘一礦、潘三礦對比分析，潘一、潘三通過開采下保護(hù)層11-2煤層開采，被保護(hù)層13-1煤層透氣性增大2880倍，鉆孔抽放量增大160倍。長平礦井保護(hù)層與被保護(hù)層的間距遠(yuǎn)小于潘一礦、潘三礦，雖然保護(hù)層開采高度小于潘一礦、潘三礦，根據(jù)二者開采條件的綜合對比分析，長平礦井保護(hù)層開采瓦斯抽采效果不會劣于淮南潘一礦、潘三礦。因此預(yù)計長平礦井8#煤層回采后，被保護(hù)層3#煤層透氣性將至少增大千倍，鉆孔抽放量將增大百倍，將完全消除3#煤層的煤與瓦斯突出危險，能夠保障3#煤巷道安全快速掘進(jìn)以工作面正常回采。長平礦井保護(hù)層開采治理瓦斯技術(shù)研究，解決了長平礦井瓦斯治理工作中消極埋怨煤層抽采條件差、瓦斯治理停滯不前的局面，更為集團(tuán)公司提供了一條全新的松軟、低透性煤層瓦斯治理理念，實現(xiàn)了通過礦井前期開采新水平延伸、井巷開拓、煤層開采順序的方式，扭轉(zhuǎn)瓦斯治理工作由被動向主動轉(zhuǎn)變。

4、實踐應(yīng)用前景

晉城礦區(qū)以寺河礦和成莊礦作為試驗礦井，率先進(jìn)行了“采煤采氣一體化”和“三級”瓦斯治理模式，為晉城礦區(qū)其他礦井透性良好的煤層開采提供了可靠瓦斯治理經(jīng)驗，但長平礦、趙莊礦透氣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于寺河礦和成莊礦，由于對煤層透氣性與抽放效果之間的關(guān)系認(rèn)識不深，采用相同方法抽放瓦斯沒有達(dá)到治理瓦斯的預(yù)期效果。

淮南礦區(qū)通過對低透氣性煤層保護(hù)層開采，安全高效的消除了被保護(hù)煤層的突出危險性，改善了煤層瓦斯抽放性能，滿足了自身高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需要。淮南礦區(qū)保護(hù)層開采技術(shù)的成功，為其他低透性煤層礦區(qū)積累了豐富的保護(hù)層開采技術(shù)經(jīng)驗，并提供了大量翔實的考察資料，得出了對生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義的結(jié)論，對保護(hù)層開采具有普遍的參照價值。我國淮南、陽泉、南桐、鐵法、雞西等礦區(qū)都在應(yīng)用這一技術(shù)并取得了很好效果。

參考文獻(xiàn)：

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