單一突出煤層分叉段保護層開采技術研究

谷 峰 ，易書鋼

（1. 河南焦煤能源有限公司中馬村礦，河南 焦作 454150 ；2. 河南能源焦煤公司科研所，河南焦作 454000）

0 引 言

焦作礦區主采煤層為二1煤，該煤層瓦斯含量高、透氣性較差、且具有煤與瓦斯突出危險性。由于上覆的煤層薄且層位理想，故焦作礦區一直以來將預抽煤層瓦斯作為區域防突措施。中馬村礦27012 工作面為第二層工作面，頂層工作面27011 工作面已經回采完畢。按初始設計27011 工作面由切眼向外推進52m處，回風巷煤層會出現分叉，回風巷布置在上分叉煤中，由于前方75m 范圍煤厚為0～2.5m，局部夾矸達7.1m，若按設計布置方式，工作面回采初期即進入薄煤區域，也給工作面設備、煤質和頂板管理帶來困難。經過對工作面瓦斯、頂板、煤厚探測資料進行綜合分析，決定在27012 工作面實施保護層開采區域防突措施。

1 27012 工作面概況

27012 工作面位于27 采區東翼上部，工作面北為27011（上）工作面采空區北部，南為2703 工作面采空區，東為27011 工作面采空區里段，西臨27 回風下山，工作面煤層結構復雜，存在煤層分叉情況，其兩層煤間夾矸厚0～7.1m，平均2.1m，其夾矸在工作面南部、東部處于合并狀態，在工作面北部、西部逐漸開始分開，夾矸總體為北厚南薄，東薄西厚的分布狀態（工作面煤層綜合剖面圖如下圖1 所示）。

圖1 27012 工作面煤層綜合剖面圖

27012 工作面初始設計回風巷布置于上分層煤中，平均煤厚0.8m，運輸巷布置于下分層煤中，平均煤厚5.4m。設計總工程量797.2m、走向121m、斜長113m，可采面積13412m2，按平均煤厚2.0m、容重1.5噸 /m3計算，可采儲量 4.1 萬 t。

2 保護層開采技術

2.1 工作面保護層開采設計初步準備

從多方面收集資料，加強地質探查研究，重新對工作面煤厚、夾矸分布情況、夾矸巖性等情況進行探查分析，為修改設計提供了準確的地質資料。

1）針對27012 工作面相鄰巷道進行排查，收集相鄰巷道探鉆資料。經分析27012 回風巷南30m 處27011 回風巷、設計停采線西58m 頂層工作面橫貫、27012 運輸巷相鄰27011 運輸巷均進行過探鉆，探鉆終孔位置為L8 灰巖層位，同時在薄煤區域還設計鉆孔往頂板進行探查，經過一系列探鉆，工作面內煤層賦存情況已基本探明，

2）綜合分析27011 工作面及27011（上）工作面回采期間，探煤厚資料。27011 工作面及27011（上）工作面回采期間時施工的鉆孔，有部分鉆孔施工至下分層煤中，探明夾矸及下分層煤煤厚情況。根據夾矸分布情況在27012 工作面內繪制出夾矸2m 分界線，要求通防部門加強對夾矸2m 以上的下分煤瓦斯管理。

2.2 工作面保護層開采相關設計

根據《防治煤與瓦斯突出細則》規定礦井首次開采保護層時，可參照規定中附錄E 確定被保護工作面沿傾斜的保護范圍、沿走向方向的保護范圍、最大保護垂距等參數。

1）沿傾斜方向的保護范圍。27011 外段工作面、27011（上）工作面所采煤層產狀為N41°～72°E/SE∠10～12°，整體傾角在11°左右，根據表D1，選取卸壓角 δ3、δ4 均為 75°；27012 工作面為二層工作面，根據 27011、27011（上）工作面及 27012 工作面掘進期間地質資料顯示，27012 工作面所處范圍上分層（二1煤）煤厚0～2.8 m（頭層回采后剩余煤厚），平均0.3m，下分層（二11煤）煤厚 0.2～4.2m，平均 2.5m（工作面主要回采煤層）。27012 改造工作面煤層結構復雜，二1煤存在煤層分叉情況（分叉為二1煤與二11煤），其兩層煤間夾矸厚0.9～7.2m，平均4.7m，其夾矸在工作面南部、東部較薄，在工作面北部、西部較厚，總體呈北厚南薄，東薄西厚的分布狀態。根據27011、27011（上）工作面兩個頂層工作面回采資料，27011（上） 回風巷距下分層（二11煤） 最大間距為3.5m，保護范圍為27011（上）回風巷下0.91m；27011運輸巷距下分層（二11煤）最大間距為3m，保護范圍為27011 運輸巷0.78m；頂層回采范圍傾斜長145m，經計算，沿傾斜方向的保護范圍為143.31m。

2）沿走向方向的保護范圍。頂層工作面最晚回采2016 年3 月份，已回采結束33 個月，卸壓比較充分，故卸壓角 δ5 為 56°- 60°；27011 工作面及27011（上）工作面停產線處距下分層（二11煤）最大間距為4m，保護范圍為停采線東2.23m，即走向保護范圍為：頂層停產線東2.23m 至27012 工作面切眼。

3）最大保護垂距。27011 外段工作面、27011（上）工作面所在煤層均屬于緩傾斜煤層，根據表D2，選取最大垂距＜50m；27012 工作面煤層結構復雜，二1 煤存在煤層分叉情況（分叉為二1煤與二11煤），其兩層煤間夾矸厚0.9～7.2m，平均4.7m，根據地質資料顯示，頂層回采范圍內距下分層（二11煤）最大垂距為7.2m，小于50m。

經計算并結合工作面設計圖，27012 改造工作面回采區域均位于27011 外段工作面、27011（上）工作面保護范圍之內。

2.3 工作面保護層開采相關優化設計

改造回風巷與原回風巷重疊布置，改造回風巷從工作面停采位置按設計搭桿換落底。巷采用3.2×2.8m 工鋼按- 6°坡度進行搭桿落底，按設計坡度施工至下分層煤層底板后沿底板掘進主巷，待施工至設計拐點位置按+24°坡度上山掘進與原回風巷貫通。修改設計后總工程量175m、走向131m、斜長113m，可采面積14803m2，按平均煤厚5.4m、容重1.5 噸/m3計算，可采儲量12 萬t。巷道設計圖如下圖2 所示。

圖2 27012 工作面巷道設計平面圖

1）27012 回風巷巷工程。27012 回風改造巷開口在測點W2255 以西12.4m 處向西掘進，開口坐標X=3907248.2，Y=38439115.0，Z=- 128.773m， 方位角a=230°53′18″。巷道采用3.2×2.8m 工鋼單棚（平棚）支護，立柱傾斜度：18°，誤差≤1°，巷高2.4m，下部凈寬4.5m。改造巷按- 6°坡度進行搭桿落底，施工至下分層煤層底板后沿底板掘進主巷，待施工至設計拐點位置按+24°坡度上山掘進于3 月3 日與原回風巷貫通（掘進工期約28 天），3 月8 日開始回采，7 月初回采結束。工作面回采煤量共計18.7 萬t。

2）27012 運輸巷工程。巷道施工前，運輸巷距停采位置30m 范圍壘設兩道風門，通過風機對掘進頭進行通風，回風利用原工作面回風系統；掘進出煤仍沿用工作面出煤系統；回風巷采用擺木垛、打設叉子棚（叉子棚底采用3.0m 工鋼配合400×400mm 鐵鞋進行支撐）對頂底板進行維護，防止改造回風巷掘進期間原回風巷塌冒；開口前后20m 范圍煤墻進行打錨桿進行加固，防止掘進期間煤墻片幫；開口處對周邊支架采用廢舊皮帶進行維護，防止爆破對支架立柱損壞；改造回風巷掘進前，在原回風巷采取煤層注水措施,降低掘進期間的粉塵濃度,對井下工人及作業場所的危害程度起到關鍵作用。

3 保護層開采區域措施效果檢驗

3.1 可解吸瓦斯量計算

按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》附錄A4 計算可解吸瓦斯量如下：

式中：Wj為煤的可解吸瓦斯量，m3/t;Wcy為實施區域瓦斯治理措施后實測煤層的殘余瓦斯含量，m3/t，取：4.26～5.18;Wc為煤在標準大氣壓力下的殘存瓦斯含量，按公式（2）計算：

式中：a，b 為吸附常數，該工作面的 a=55.39m3/t，b=0.871MPa-1；Ad為煤的灰分，%Mad為煤的水分，%；π 為煤的孔隙率，m3/m3，取 0.05；γ 為煤的容重（假密度），t/m3，取 1.5。

3.2 預計回采期間的瓦斯濃度計算

回風流中瓦斯濃度計算見下述公式

式中：C 為回風流中瓦斯濃度，%；G計為工作面計劃日產量，取1001～2500t；G底為工作面計劃日推進留有底層煤量；Wj為最大可解吸瓦斯含量，m3/t；Q為工作面百米鉆孔流量，取0.05m3/min·hm；L 為該塊段鉆孔孔深，113m；Q計為工作面計劃配風量，780m3/min；

計算27012 改造工作面殘存瓦斯含量為3.06m3/t，可解吸瓦斯含量為1.2～2.12m3/t，計劃產量1001～2500t/ 日，可解吸瓦斯含量≤7m3/t；工作面計劃配風量780m3/min，巷道最小斷面為9.2m2,可計算出風速為1.41m/s，小于4m/s；通過日產量和可解析瓦斯含量計算出該塊段回采期間的瓦斯濃度為0.29～0.57%，均滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》要求，可判定該塊段瓦斯預抽效果已經達標。

3.3 實測殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力檢驗

根據《防治煤與瓦斯突出細則》規定，委托焦煤集團科研所對工作面范圍內煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力進行現場取樣實測檢驗及現場封孔測壓，在27012 改造工作面回風巷布置殘余瓦斯含量取樣點8個,殘余瓦斯壓力測點8 個。

現場共施工取樣鉆孔8 個（1 個孔未見煤），取樣12 個，測壓7 個，取樣過程中未出現噴鉆、卡鉆、頂鉆等異常情況，所有煤樣實測殘余瓦斯含量均小于6m3/t，殘余瓦斯壓力均為0.1MPa，區域防突措施效果檢驗合格。

4 結 語

通過多角度、縱深入的分析礦井現狀，礦井首次實施了保護層開采技術，從設計到施工，再到工作面回采，礦井積累了重要的保護層開采技術經驗。開采保護層技術實施后，區域防突措施效果檢驗表明該工作面區域防突措施有效，通過實施保護層開采技術和工作面設計優化，增加可采儲量約10 萬t，工作面回采周期延長五個月以上，緩解了礦井生產接替緊張，減少了面內的出矸量，提高了煤質，經濟效益顯著。