煤與瓦斯突出煤層下保護(hù)層鋁土礦開采技術(shù)可行性分析

耿春喜

（山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600）

0 引 言

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中常發(fā)生的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一。目前，保護(hù)層開采被證實(shí)為最有效的防治煤與瓦斯突出手段，通過選擇非突出煤層或具有開采價(jià)值的巖層作為保護(hù)層開采，保護(hù)層開采以后，采場(chǎng)周圍的煤巖體會(huì)發(fā)生變形、位移、卸壓，使得煤巖體的應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)生重新分布[1-2]，在采空區(qū)頂?shù)装鍍?nèi)的一定范圍內(nèi)地應(yīng)力降低，出現(xiàn)卸壓效果，處于頂?shù)装鍍?nèi)的煤層發(fā)生膨脹變形，使得突出煤層地應(yīng)力下降，煤層透氣性增加，從而使保護(hù)范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力釋放、瓦斯含量降低[3]，使有突出危險(xiǎn)性煤層轉(zhuǎn)變成沒有突出危險(xiǎn)性的煤層，高瓦斯煤層變成低瓦斯煤層。采掘活動(dòng)時(shí)，瓦斯涌出量大大減少，可顯著提高煤礦開采安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。左權(quán)阜生煤礦15 號(hào)為煤與瓦斯突出煤層，受瓦斯制約，單個(gè)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)慢，采掘活動(dòng)嚴(yán)重失調(diào)，不能持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)?；诖?，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及礦井地質(zhì)考察，認(rèn)為可選擇15 號(hào)煤層上覆的13、14 號(hào)煤層或下方的鋁土泥巖層作為開采保護(hù)層對(duì)象，通過開采保護(hù)層以消除15 號(hào)煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

1 工程地質(zhì)情況

山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤礦井田處于沁水煤田的東北部邊緣地段。井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。含煤地層平均總厚169.90 m，共含煤層15 層，煤層平均總厚約11.83 m。主采煤層為15 號(hào)煤，煤層厚度3.17～7.40 m，均厚6.01 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板為泥巖，為穩(wěn)定的全井田可采煤層。15 號(hào)煤層位于太原組下段中下部，上距K2灰?guī)r5.97～12.03 m，平均厚度為9.46 m。下距太原組底界K1 砂巖5.85 m。15 號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤層瓦斯相對(duì)涌出量為39.26 m3/t、絕對(duì)涌出量為36.94 m3/min，屬煤與瓦斯突出煤層。15 號(hào)煤層局部鉆孔監(jiān)測(cè)的瓦斯含量見表1 所示。

表1 15 號(hào)煤層瓦斯含量監(jiān)測(cè)結(jié)果

2 保護(hù)層開采選擇分析

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中對(duì)開采保護(hù)層選擇的原則[4]，15 號(hào)煤層上部13、14 號(hào)煤層符合上保護(hù)層選擇的基本原則，15 號(hào)煤層下部的鋁土泥巖符合下保護(hù)層開采的基本原則。通過對(duì)阜生礦現(xiàn)場(chǎng)考察，從開采安全、保護(hù)效果、安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益等因素進(jìn)行分析，15 號(hào)煤層底板下方的鋁土泥巖是保護(hù)層開采的最優(yōu)選擇。

1）從開采安全角度分析。15 號(hào)煤層底板下方60 m 范圍內(nèi)主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土泥巖等軟巖層，其中，具有開采價(jià)值的鋁土泥巖上距15 號(hào)煤平均間距17 m，在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，掘進(jìn)工作面沒有瓦斯的涌出；鋁土泥巖作為保護(hù)層開采，不涉及保護(hù)層突出危險(xiǎn)性，不涉及保護(hù)層內(nèi)煤自然發(fā)火問題，不涉及對(duì)被保護(hù)層頂板的影響。所以下保護(hù)層開采是能保證安全生產(chǎn)的。

2）從保護(hù)效果分析。根據(jù)礦井綜合柱狀圖分析，15 號(hào)煤層與上覆鄰近煤層之間有K2、K3 灰?guī)r巖層的存在，會(huì)影響其保護(hù)效果。15 號(hào)煤層與鋁土泥巖層之間主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖等軟巖，對(duì)保護(hù)效果沒有影響。

3）從安全風(fēng)險(xiǎn)角度分析。鋁土礦開采無火災(zāi)危險(xiǎn)性、無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)、對(duì)已有的采區(qū)巷道無破壞。對(duì)保護(hù)層回采工作面，可以設(shè)計(jì)走向高位鉆孔抽采裂隙帶瓦斯；對(duì)于被保護(hù)層（15 號(hào)煤層）可以采用在保護(hù)層工作面兩順槽布置穿層鉆孔，覆蓋整個(gè)被保護(hù)層工作面范圍，穿層鉆孔預(yù)抽被保護(hù)層（15 號(hào)煤層）瓦斯工藝。瓦斯抽采難度較為容易，可以有效的解決礦井瓦斯抽采的難題。

4）從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮。結(jié)合其他礦井煤下鋁采出情況分析，礦井煤下鋁的品質(zhì)均較好，可以帶來良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。可以有效的解決礦井服務(wù)年限較短的缺點(diǎn)，增加礦井服務(wù)年限，穩(wěn)定施工隊(duì)伍，減輕社會(huì)就業(yè)壓力，保障社會(huì)穩(wěn)定。

3 下保護(hù)層開采技術(shù)研究

3.1 鋁土礦開采技術(shù)分析

1）開采方法。針對(duì)鋁土礦開采，我國(guó)常用的開采法有長(zhǎng)壁式崩落法、房柱法和綜合機(jī)械化開采[5]。綜合機(jī)械化開采是采用煤礦開采工藝開采鋁土礦，自然垮落法管理頂板。其主要優(yōu)點(diǎn)在于形成走向長(zhǎng)壁工作面，采礦機(jī)械化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)，安全性強(qiáng)。設(shè)計(jì)保護(hù)層采高為1.6 m，工作面長(zhǎng)度為200 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 萬t/a。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)。選擇綜合機(jī)械化開采方式。作業(yè)采用連續(xù)回采的方式進(jìn)行機(jī)械落礦，刮板級(jí)裝礦，膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)V石，綜采液壓支架支護(hù)，全部垮落法管理頂板。

2）工作面布置。考慮巷道掘進(jìn)以及設(shè)備安裝時(shí)間、工作面回采時(shí)間、采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)便建設(shè)邊生產(chǎn)的采掘銜接。設(shè)計(jì)將保護(hù)層的采區(qū)劃分與被保護(hù)層（15 號(hào)煤層）相同。均劃分為3 個(gè)采區(qū)，不單獨(dú)布置采區(qū)巷道。為保證對(duì)15 號(hào)煤層工作面瓦斯的卸壓作用，有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層順槽的消突效果，保護(hù)層工作面設(shè)計(jì)選用等長(zhǎng)平錯(cuò)的布置方式，如圖1 所示。

圖1 保護(hù)層工作面等長(zhǎng)平錯(cuò)布置方式

3.2 瓦斯抽采技術(shù)分析

3.2.1 鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算

式中：q鄰為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個(gè)鄰近層厚度，m；m1為開采層的開采厚度，m；W0i為第i 層的原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i 鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；ki為第i 鄰近層瓦斯排放系數(shù)。

通過上式計(jì)算可得15 號(hào)煤層鄰近層瓦斯涌出量見表2 所示。

表2 15 號(hào)煤層鄰近層瓦斯涌出量

3.2.2 保護(hù)層瓦斯涌出量計(jì)算

1）保護(hù)層回采工作面瓦斯涌出量。由于保護(hù)層為鋁土泥巖，在回采過程中本身不會(huì)有瓦斯涌出，根據(jù)表2 可知，保護(hù)層回采工作面的瓦斯主要來自于被保護(hù)層（15 號(hào)煤層）以及鄰近范圍內(nèi)的13、14 號(hào)煤層的涌出。

保護(hù)層回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算：

保護(hù)層回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算：

保護(hù)層工作面產(chǎn)量估算為：600 000 t÷330d×95% = 1 152 t/d，即當(dāng)保護(hù)層工作面日產(chǎn)量為1 152 t/d 時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為：

2）掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算。工作面瓦斯涌出量包括掘進(jìn)時(shí)煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出：

式中：qj為掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；q3為掘進(jìn)工作面巷道壁絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；q4為掘進(jìn)工作面落煤絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min。

因?yàn)楸Ｗo(hù)層工作面沿鋁土泥巖掘進(jìn)，因此無瓦斯涌出，即qj=0。

3.2.3 瓦斯抽采技術(shù)

按照《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，當(dāng)回采工作面瓦斯涌出量大于5 m3/min 時(shí)，需要進(jìn)行瓦斯抽采。通過計(jì)算得到被保護(hù)層回采工作面的瓦斯涌出量為42.24 m3/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5 m3/min。故需要進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)設(shè)計(jì)：穿層鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯，臨近巷走向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯，回風(fēng)順層鉆孔、走向定向長(zhǎng)鉆孔抽采15 號(hào)煤層瓦斯。在實(shí)現(xiàn)保護(hù)層安全開采的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了被保護(hù)層的瓦斯抽采。

1）穿層鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯技術(shù)。為解決保護(hù)層工作面上隅角瓦斯超限問題，采用頂板穿層高位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯。高位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯，設(shè)計(jì)在工作面兩順槽頂板開孔，施工迎向高位鉆孔。沿工作面順槽每間隔8 m 布置1 組鉆孔，每組布置15 個(gè)鉆孔，呈扇形布置，終孔位置設(shè)計(jì)為穿透15 號(hào)煤層頂板1 m，布置方式如圖2 所示。

圖2 預(yù)抽被保護(hù)層瓦斯穿層鉆孔布置

2）鄰近巷定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯技術(shù)。以被保護(hù)層首采工作面為例，利用鄰近工作面巷道，提前施工15 號(hào)本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔，以實(shí)現(xiàn)開采保護(hù)層同時(shí)抽采15 號(hào)煤層瓦斯。布置方式見圖3。

圖3 定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯鉆孔布置

3）順層鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯技術(shù)，布置方式如圖4 所示。

4）走向定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯技術(shù)，布置方式如圖5 所示。

圖4 順層鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層瓦斯鉆孔布置

圖5 走向定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽15 號(hào)煤層鉆孔布置

4 下保護(hù)層開采作用效果預(yù)估分析

1）消除突出危險(xiǎn)性方面：因15 號(hào)煤層位于下保護(hù)層開采后的裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，預(yù)計(jì)下保護(hù)層開采后對(duì)15 號(hào)煤層致裂效果較好，透氣性可增加2000 倍，煤層瓦斯通過煤體裂隙釋放，瓦斯壓力降低，再通過保護(hù)層工作面高位鉆孔抽采煤層裂隙瓦斯，預(yù)估可完全消除突出危險(xiǎn)性。

2）經(jīng)濟(jì)效益方面：保護(hù)層開采徹底代替15 號(hào)煤之前的區(qū)域防突措施，15 號(hào)煤層回采工作面本煤層預(yù)抽鉆孔和2 個(gè)順槽掘進(jìn)工作面的煤層條帶瓦斯預(yù)抽消突措施鉆孔均被開采保護(hù)層代替，也無需再施工高抽巷。經(jīng)估算，每個(gè)工作面可節(jié)約鉆孔施工費(fèi)用1 057.82 萬元，節(jié)約高抽巷施工費(fèi)用800 萬元。此外，鋁土礦開采可以帶來良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，與潞安化工企業(yè)“一核兩翼”的戰(zhàn)略方向高度契合，為左權(quán)地區(qū)煤炭資源發(fā)展趟出一條新路。

3）礦井高效生產(chǎn)方面：掘進(jìn)巷道不再受瓦斯條件制約，未開采保護(hù)層時(shí)工作面順槽單進(jìn)為每月100 m，開采保護(hù)層后預(yù)計(jì)可提高1 倍，達(dá)到每月200 m；開采保護(hù)層后，能從根本上解決采掘銜接緊張的局面，回采工作面割煤速度和推進(jìn)度將完全不受瓦斯影響，可以達(dá)到核定生產(chǎn)能力120 萬t/a，回采工作面相比礦井目前實(shí)際年產(chǎn)量，多產(chǎn)40 萬t/a，提前收益40 萬t/a×500 元/t=2 億元/a。

5 結(jié) 論

阜生煤礦15 號(hào)煤層以下約17 m 的鋁土泥巖作為下保護(hù)層開采在安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益以及卸壓效果等皆為最佳保護(hù)層。設(shè)計(jì)將保護(hù)層的采區(qū)劃分與被保護(hù)層相同，選用保護(hù)層工作面等長(zhǎng)平錯(cuò)布置，并利用保護(hù)層穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，不僅可消除15號(hào)煤層的突出危險(xiǎn)性，還能從根本上解決采掘銜接緊張的局面，并為礦井創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。