溫家莊煤礦首采區保護層選擇及煤層開采順序分析

文/董洪生

陽煤集團溫家莊礦井為煤層群開采，投產盤區為一水平11盤區和二水平23盤區，煤層賦存較穩定，但不同煤層厚度差異較大，且可采煤層均具有煤與瓦斯突出危險性。通過對保護層保護效果及對上鄰近層影響進行分析，選取最優的保護層層位，實現逐層對鄰近層進行消突。該方案既有效解放煤層瓦斯，降低礦井煤與瓦斯突出措施工程費用，又平衡礦井產量，獲得了較好的經濟效益。

一、基本情況

1.煤層賦存

（1）產狀

11盤區開采煤層從上到下為3、81和 82號煤層，其中 3、82號煤層首采盤區內大部可采，81號煤層首采盤區內全區可采。

23盤區開采煤層從上到下為12、15和15下號煤層，其中12號煤層僅23盤區南翼西側的231202、231204工作面可采。

（2）可采煤層

①一水平首采盤區可采煤層。一水平11盤區內可采煤層為3、81和82號煤層，各煤層鉆孔揭露情況分述如下：

3號煤層：煤層厚度0.8～1.45m，平均厚度1.15m。煤層結構簡單，含0～1層夾矸，除11盤區北翼西側區域不可采，首采盤區內大部可采。

81號煤層：扣除采空區部分，剩余7個鉆孔，揭露煤層厚度為1.57～2.35m，平均 1.96m。煤層結構簡單，首采區內不含夾矸，全區可采。

82號煤層：煤層厚度0.85～1.80m，平均厚度1.43m。煤層結構簡單，含0～1層夾矸，除11盤區北翼西側局部區域不可采，首采盤區內大部可采。

②二水平首采盤區可采煤層。二水平23盤區內可采煤層為12、15和15下號煤層，各煤層鉆孔揭露情況分述如下：

12號煤層：23盤區內12號煤層僅231202、231204工作面可采，鉆孔2個，揭露煤層厚度為0.85～0.95m，平均厚度0.90m。煤層結構簡單，不含夾矸，首采區內局部可采，僅南翼西側可布置約3個工作面。

15號煤層：煤層厚度3.32～7.15m，平均4.53m。煤層結構較簡單，含0～3層夾矸，首采盤區內全區可采。

15下號煤層：煤層厚度0.90～1.76m，平均厚度1.58m。煤層結構簡單，含0～3層夾矸，首采盤區內僅23盤區北翼可采。

③可采煤層間距。根據地質報告，該礦井可采煤層6層，分別為3、81、82、12、15、15下號煤層，煤層平均間距分別為 44.72m、3.98m、31.84m、36.91m、5.05m。

2.水文地質

該井田水文地質勘查類型可劃分為兩類：山西組為第二類第一型，即水文地質條件簡單的頂板直接充水的裂隙充水礦床，太原組為第三類第一亞類第一型，即水文地質條件簡單的頂板間接充水的溶蝕裂隙為主的充水礦床。水文地質類型應定為水文地質中等型礦井。

3.其他開采條件

瓦斯：該礦井按煤與瓦斯突出礦井設計。

煤塵：可采煤層中除3、15號煤層煤塵無爆炸危險性外，其余煤層煤塵均具有爆炸危險性。

該礦井煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級，鑒定結論為不易自燃。地質報告中82、12、15號煤的自燃傾向性均為不易自燃。

地溫：本區屬地溫正常區。

二、保護層保護效果分析

根據 《保護層開采技術規范（AQ1050-2008）》附錄 A 中對保護層與被保護層之間的有效垂距計算公式，下保護層的最大有效距離：

上保護層的最大有效距離：

式中：

S'下、S'上—下保護層和上保護層的理論有效垂距，m。與工作面長度 L（一水平200m，二水平260m）和開采深度H有關；

β1—保護層開采的影響系數，當 M≤M0時，β1=M/M0， 當 M>M0時，β1=1；

M—保護層的開采厚度，m；

M0—保護層的最小有效厚度，m；

β2—層間硬巖（砂巖、石灰巖）含量系數。

經過上述分析結果可知，在所有可采煤層均全區可采的情況下，采用上保護層開采，保護層有效垂距均大于煤層間距，能夠起到消突作用，但是考慮到該礦井12號煤層僅在中央分區可采，其他區域絕大部分不可采。如仍采用上保護層開采，開采82號煤層時有效垂距為56m，而此時82號煤層與15號煤層的層間距達到了73.38m，導致無法對15號煤層起到保護作用，因此一水平煤層不適合作為保護層開采，只能考慮二水平可采煤層。采用下保護層的方式，根據煤層賦存情況，兩層煤均為大部可采煤層，作為下保護層開采時，均能對全井田可采煤層起到保護作用。3號煤層到15號、15下號煤層間距分別為 124.97m和 131.39m，15下號煤層作為保護層開采時，3號煤層位于其保護范圍的臨界，保護效果有限。

三、保護層對上部被保護煤層破壞程度的分析

根據《煤礦安全規程》《防治煤與瓦斯突出規定》等相關規定，選擇下保護層開采時，不得破壞被保護層的開采條件，本次設計通過理論計算對15號及15下號煤層作為下保護層開采時對上部煤層的破壞程度進行分析驗證。

1.按照《防治煤與瓦斯突出規定》附錄D中D.4規定，開采下保護層時，上部被保護層不被破壞的最小層間距離計算公式計算：

H=KMcosα

式中：

H—允許采用的最小層間距，m；

K—頂板管理系數，冒落法管理頂板采用10；

M—保護層的開采厚度；

α—煤層傾角，取 8°。

2.按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中的公式計算最小層間距：

H=100×M/(1.6M+3.6)+5.6m

式中：

H—導水裂隙帶高度，m；

M—煤層采厚。

設計根據地質報告對每個鉆孔進行了詳實具體的分析。計算結果顯示，15號煤層作為保護層開采時，上部被保護層不被破壞的最小層間距離值及導水裂隙帶高度均小于煤層間距，因此不會對其上部的82號煤層產生大的影響，是可行的。同理設計對15下號煤層做同樣的分析后發現，15號和15下號煤層間距較小，15下號煤層作為保護層開采時，上部被保護層不被破壞的最小層間距離值及導水裂隙帶高度均大于煤層間距，會對其上部的15號煤層造成較大的影響，故15下號煤層不能作為礦井下保護層開采。

經過以上分析，確定礦井中央分區12號煤層全區可采，采用上保護層開采，逐層對下鄰近層進行保護，達到安全生產的目的。其他區域12號煤層均不可采，設計選擇15號煤層作為下保護層，15號煤層保護層開采結束后，采用煤層下行開采。

四、結論

根據上述分析，溫家莊礦井煤層開采順序如下：

一水平：3號煤層→81號煤層→82號煤層，11、16盤區受開采現狀影響，先開采81號煤層；

二水平：12號煤層→15號煤層→15下號煤層，15號煤層作為保護層開采范圍內，優先開采15號煤層。

采用上述方案選取保護層，不僅有效解決了瓦斯突出問題，同時實現了煤層的薄厚搭配回采，對礦井安全生產、穩產、達產均起到關鍵作用。