胡正田

（重慶能源（貴州）煤電有限公司，貴州 畢節 551700）

對江南煤礦煤層群開采保護層選擇分析

胡正田

（重慶能源（貴州）煤電有限公司，貴州 畢節 551700）

基于對江南煤礦煤層群開采時遇到的實際問題，以及對該礦井田范圍內可采煤層賦存及瓦斯賦存條件進行分析，提出了對江南煤礦煤層群開采保護層的方法來解決礦井瓦斯災害的重要性。通過對對江南煤礦煤層突出危險性指標、瓦斯賦存、煤層賦存條件分析，同時對該礦可采煤層的開采順序進行分析研究，確定優先選擇突出危險程度較小的M51煤層作為保護層先行開采的技術方案。通過開采保護層的方法來解決對江南煤礦煤層群開采時礦井瓦斯災害問題，是一種綜合治理瓦斯問題的有效合理化建議，可為黔北礦區具有類似條件的礦井在科研、初步設計過程中提供借鑒指導意義。

煤層群開采；保護層；瓦斯賦存；瓦斯治理；

0 引 言

目前我國大多數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]，煤與瓦斯突出危險性增加，嚴重影響和制約著井下職工的人身安全和礦井的安全生產。而且大部分礦井的煤層具有透氣性低，煤層瓦斯應力和圍巖應力高等特點，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]。通過不斷的探索實踐，煤層開采后會引起煤層頂底板圍巖變形移動，煤層的透氣性會增大數十倍甚至數百倍，圍巖產生的大量裂隙為瓦斯運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，利用下保護層開采的采動效應來提高卸壓煤層的透氣性，同時對卸壓煤層進行瓦斯抽放，這是目前實現區域性預防煤與瓦斯突出和低透氣性煤層瓦斯治理最簡單、最有效和最經濟的措施[8-10]。

貴州煤礦煤層氣的抽采對策是研究原始應力條件和改變原始應力條件下礦井煤層氣的賦存和涌出規律，研究強化抽采技術，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，采用保護層開采，利用卸壓范圍內煤巖滲透性大量增加的特點，卸除被保護煤層的瓦斯應力和圍巖應力，有效降低煤層瓦斯壓力和含量，消除被保護煤層的瓦斯突出，實現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龍潭組（P3l），含可采煤層4層，分別為M18，M29，M51，M78煤層；井田內地質構造復雜，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帶來了重大影響。由于保護層選擇是解決礦井瓦斯災害的核心和關鍵，因此，對江南煤礦亟需對煤層群保護層進行合理選擇和規劃，從而對礦井瓦斯綜合治理和高效生產奠定基礎。

1 礦井概況

對江南煤礦屬新建礦井，位于貴州省大方縣行政區劃隸屬于高店鄉、綠塘鄉、岔河鄉、馬場鎮4個鄉鎮所轄。井田南北走向長12.48 km，東西傾斜寬3.15 km，面積39.38 km2.井田內有煤炭資源量210.02 Mt，設計可采儲量77.33 Mt，礦井設計生產能力為0.9 Mt/a，服務年限61.4 a.按照煤與瓦斯突出礦井設計。

1.1 煤層賦存條件

根據大方縣對江南煤礦地質勘探資料[11]，對江南煤礦受大方背斜和落腳河向斜構造控制，構造復雜程度為中等。

井田內含可采煤層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測煤層瓦斯含量表

1.3 突出危險性指標

根據《貴州省大方縣對江南煤礦煤炭資源勘探地質報告》采樣測試結果[11]，實測了對江南煤礦各煤層煤與瓦斯突出危險性指標，見表3.

表3 對江南煤礦實測瓦斯突出危險性指標表

鑒于對江南煤礦位于貴州省劃定黔北礦區的大方縣，該礦區為突出危險礦區。雖礦井暫未對煤層的突出危險性進行鑒定，但地勘期間實測的瓦斯含量高，周邊礦井曾發生過煤與瓦斯突出事故。因此，對江南煤礦各煤層應按照突出煤層進行管理，按照突出煤層進行設計。

2 保護層選擇原則

當礦井開采突出煤層群時，充分考慮防突、安全、經濟和有利于長期可持續開采等因素，保護層選擇時應遵循以下原則[14-16]。

1）優先選擇無突出危險煤層作為保護層、礦井所有煤層都有突出危險時應選擇危險程度較小的煤層作保護層；

2）優先選擇上保護層、選擇下保護層時，不得破壞被保護層的開采條件；

3） 在突出礦井開采突出煤層群時，選擇突出危險程度較小的煤層作保護層先行開采，但保護層開采時不得破壞被保護層的開采技術條件，且采掘前必須采取預抽煤層瓦斯區域防突措施并進行效果檢驗；

4） 突出煤層群保護層選擇時，應從防突角度、開采技術條件及達產能力等方面綜合比較分析，擇優突出危險性小、煤層賦存穩定、開采技術條件好、保護效果好、具備建立區域防突措施時空條件的可采煤層作為保護層進行開采；

5） 突出煤層群開采時，保護層選擇應考慮在煤層采動影響關系的前提下，能夠保證開采水平、采區、采煤工作面的正常接替，保證礦井持續穩產和高效生產。

3 開采保護層優化選擇

3.1 瓦斯賦存條件

查閱對江南煤礦周邊礦井突出危險性和開采情況來看，其周邊煤礦在開采M18，M29煤層均發生過瓦斯動力現象，在M51，M78煤層開采過程中尚未發生瓦斯動力現象。

從表1可以看出，對江南煤礦M29，M51煤層厚度較小，對于黔北礦區煤層賦存與突出危險性程度的關系來分析，其M29，M51煤層突出危險性程度相對較低。

從表2可以看出，對江南煤礦可采的M18，M29，M78煤層地勘期間實測的瓦斯含量相當，均在17～20 mL/g·m之間，其瓦斯參數情況相當。

從周邊礦井開采及揭露的上述4個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，結合對江南煤礦地勘期間瓦斯含量測試結果與周邊礦井各煤層賦存及瓦斯動力現象的分析來看，其M18，M29煤層的突出危險性程度高于M51，M78煤層。

從瓦斯賦存條件及周邊礦井各煤層的突出危險性程度來看，礦井保護層應優先選擇突出危險程度較小的M51，M78煤層作保護層先行開采。

3.2 煤層賦存條件

從表1可以看出，礦井M18，M29，M51，M78煤層賦存均相對穩定，屬薄及中厚煤層。

因此，從煤層穩定性的角度分析，上述M18，M29，M51、M78煤層均可作為保護層先行開采，可實現降低被保護層開采的安全風險。

3.3 煤層突出危險性

從表3可以看出，礦井M18，M29，M51，M78煤層實測的瓦斯放散初速度相當，均在17.56～18.03之間，而瓦斯壓力均在2.29～2.75 MPa之間，區別也不明顯，但煤的堅固性系數差別較大，M18，M29分別為1.23，1.22，而M51，M78則分別為1.73，2.3，同時結合周邊礦井開采及揭露的上述4個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煤層突出危險性小于M18，M29.

從表4可以看出，按照《防治煤與瓦斯突出規定》有關煤層突出危險性鑒定指標[12]，煤的破壞類型Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，瓦斯放散初速度（ΔP）≥10，煤的堅固性系數（f）≤0.5，煤層瓦斯壓力（P）（MPa）≥0.74，4個指標全部達到或超過臨界指標值時，判定為具有突出危險性，從上述實測指標和對江南煤礦周邊礦井突出危險性以及實際開采情況分析，其周邊煤礦在開采M18，M29煤層均發生過瓦斯動力現象，在M51，M78煤層開采過程中到目前為止尚未發生瓦斯動力現象。因此，M18，M29煤層具有突出危險性，M51，M78煤層無突出危險性，均可以作為保護層先行開采。

表4 突出煤層鑒定的單項指標臨界值

3.4 區域瓦斯治理條件

結合對江南煤礦可采煤層實測突出危險性指標、瓦斯賦存、煤層賦存條件分析，礦井應優先選擇M51或M78煤層作為保護層先行開采。

根據《防治煤與瓦斯突出規定》[15]附錄D.3，緩傾斜或傾斜煤層下保護層開采時，對上覆被保護層的最大保護垂距不超過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97 m，若首先開采M78煤層，按照下保護層開采對上覆煤層最大保護范圍100 m來看，其對M51煤層的保護效果非常差，不能足以達到消除M51煤層突出危險性的程度。若首先開采M51煤層，其上覆M29，M18均在最大保護范圍內，其對M29，M18煤層具有良好的保護效果。

因此，從煤層賦存的層間距情況考慮，對江南煤礦應選擇M51煤層作為保護層先行開采。其首采M51煤層時，其煤巷掘進工作面可設底板瓦斯抽采巷穿層抽采煤巷掘進條帶瓦斯，回采工作面可采取順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯，可有效實現煤層的區域瓦斯治理。

3.5 開采技術條件

通過上述分析，對江南煤礦首先開采M51煤層作為保護層，但不得破壞被保護層的開采條件；按照頂板管理系數法、比值判別法和“三帶”判別法分別進行計算[16]。

根據《防治煤與瓦斯突出規定》[12]附錄D.4，

當α<60°時，H=KMcosα.

式中H為允許采用的最小層間距，m；M為保護層的開采厚度，m；α為煤層傾角，（°）；K為頂板管理系數。冒落法管理頂板時，K取10，充填法管理頂板時，K取6.

H=10×1.26×cos4=12.57，即開采M51煤層時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；符合開采下保護層時，不破壞上部被保護層的最小層間距規定。

按照比值判別法計算，K>7.5；按照“三帶”判別法計算，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煤層作為保護層開采時，不會破壞上部M29煤層的開采技術條件。

3.6 保護層選擇

按照《防治煤與瓦斯突出規定》和《煤礦安全規程》有關保護層選擇原則，綜合對江南煤礦煤層突出危險性指標、瓦斯賦存、煤層賦存和區域瓦斯治理條件的分析[17-19]，礦井應優先選擇M51煤層作為保護層先行開采。

由于開采M51煤層時，上覆的M18，M29煤層均在保護范圍內，下覆的M78煤層未在保護范圍內，因此M51煤層作為保護層開采后，接續開采的被保護煤層應在M18和M29煤層進行選擇確定。

上述M18，M29，M51煤層開采后，其多重上保護層采動作用，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行開采。

4 結 論

通過對江南煤礦煤層突出危險性指標、瓦斯賦存、煤層結構及賦存條件等分析，得出如下結論。

1）經綜合比較分析，M51作為保護層首先開采可有效保護上覆的M18，M29煤層，使之喪失突出危險性，同時又不破壞其開采技術條件，有利于全礦井瓦斯治理及早日達產，有利于提高礦井綜合經濟效益；因此礦井應當選擇M51煤層作為保護層首先開采；

2） M78煤層作為單一煤層開采考慮，其瓦斯治理措施需結合上覆各煤層開采后煤層瓦斯參數變化情況而定；

3） 對江南煤礦保護層選擇對貴州黔北礦區類似條件下煤層群開采的保護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 責任編輯：高 佳

胡正田（1965-），男，重慶璧山人，高級工程師，E-mail：1357931839@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0509

1672-9315（2015）05-0579-05

TD 713

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