阜生礦15 號煤層保護層開采可行性研究

邱玉銘

（山西潞安集團 左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600）

0 引 言

國內外目前技術條件下，保護層開采被認為是最有效的防治煤與瓦斯突出手段。保護層開采可以使保護范圍內的煤層瓦斯壓力大量釋放、瓦斯含量迅速降低，從而達到消除煤與瓦斯突出危險性的目的，很好的解決煤礦瓦斯治理的難題[1-2]。阜生礦由于瓦斯賦存不均，給瓦斯抽采帶來巨大的困難，現有的瓦斯防治措施效果不佳，在約6 m 厚煤層中施工瓦斯抽采鉆孔很容易出現抽采盲區，導致部分區域抽采一年多，仍然達不到瓦斯抽采暫行規定，導致采掘銜接緊張，礦井生產受到瓦斯嚴重制約。因此，開采保護層勢在必行，開采保護層是阜生礦脫困的突破口，通過對保護層開采的可行性研究，可為其他同類高瓦斯突出礦井在保護層開采方面提供經驗。

1 工程背景

1.1 礦井概況

山西潞安集團左權阜生煤業有限公司設計生產能力為120 萬t/a，井田內共劃分為3 個采區，其中生產采區為一采區，準備采區為二采區，三采區尚未布置。根據現場調研發現，阜生礦為煤與瓦斯突出礦井，主采的15 號煤層受瓦斯制約，一采區、二采區單個掘進工作面月進尺不足100 m，準備煤量、抽采煤量不足，采掘活動嚴重失調，生產不能持續穩定，實際生產能力只有80 萬t/a，現有瓦斯治理手段已不能滿足安全生產的需求。因此阜生礦急需尋求新的、高效的瓦斯治理手段，根據綜合考慮，結合礦井實際，決定采取開采保護層卸壓消突措施，以解決二采區、三采區的瓦斯治理難題，確保礦井采掘銜接及產量達標。

1.2 礦井瓦斯地質情況

阜生礦主采15 號煤層，煤層厚度3.17～7.40 m，均厚6.01 m，煤層結構簡單，煤層頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板為泥巖，為穩定的全井田可采煤層，煤層頂底板巖性見表1。15 號煤層煤塵有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃煤層，15 號煤層位于太原組下段中下部，上距K2 灰巖5.97～12.03 m，平均厚度為9.46 m，下距太原組底界K1 砂巖5.85 m。15 號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，煤層瓦斯相對涌出量為39.26 m3/t，絕對涌出量36.94 m3/min，掘進最大絕對涌出量8.73 m3/min。其中，一采區煤層瓦斯含量最高8.5 m3/min，二采區煤層瓦斯含量最高11.2 m3/min，三采區煤層瓦斯含量最高18.43 m3/min。

表1 15 號煤層及頂、底板巖性Table 1 No.15 coal seam,roof and floor lithology

2 保護層開采技術原理

在煤層群開采條件下，應首先選擇保護層開采及被保護層卸壓瓦斯抽采技術，區域性消除煤層的突出危險性。保護層是煤層群中的首采層，應首選瓦斯含量低或突出危險性相對較小煤層或軟巖層，通過保護層開采的卸壓作用抽采上、下鄰近煤層的卸壓瓦斯，區域性消除鄰近煤層的突出危險性。

保護層開采以后，采場周圍的煤巖體發生變形、位移、卸壓，使得煤巖體的應力場，裂隙場發生重新分布，在采空區頂底板內的一定范圍內地應力降低，出現卸壓效果，處于頂底板內的煤層發生膨脹變形，突出煤層地應力下降，煤層透氣性呈數百至上千倍增加。據統計，下部被保護層煤層相對膨脹變形可達4‰，上部被保護層煤層相對變形量可達20‰以上，下部被保護層透氣性系數可增加幾百到上千倍，上部被保護層透氣性系數可增加2 000～3 000 倍，保護范圍內煤層抽采率可達50%以上，煤層瓦斯壓力一般降至0.6 MPa 以下，煤層瓦斯含量至少下降60%，煤層的堅固性系數可提高48%～100%，從而使保護范圍內的煤層瓦斯壓力釋放、瓦斯含量減低，突出危險性消除。采掘活動時，瓦斯涌出量大大減少，可顯著提高煤礦開采的安全及社會效益。保護層開采作用原理如圖1 所示。

圖1 保護層開采作用原理示意Fig.1 Principle of protective layer mining

3 保護層開采可行性分析

3.1 可供開采的保護層選取

根據阜生礦地質報告、綜合柱狀圖和煤層情況、瓦斯概況等基礎資料，對15 號煤層的上部和下部地層巖性進行分析，預選出滿足保護層開采要求的煤層或巖層，并對預選的保護層進行綜合對比分析，研究各預選保護層開采的可行性，從而選擇最優的15 號煤層保護層，確保在安全可靠的前提下，全面消除15 號煤層的突出危險性。對可供開采的保護層選取，根據《防治煤與瓦斯突出細則》附錄E，保護層與被保護層之間的最大保護垂距可參照表2 確定。

表2 保護層與被保護層之間的最大保護垂距Table 2 Maximum vertical distance between protective layer and protected layer

根據《防治煤與瓦斯突出細則》第六十一條：優選擇無突出危險的煤層作為保護層、優先開采保護效果最好的煤層、優先選擇上保護層[3]。按照阜生礦提供的地質和實際生產資料綜合分析，阜生礦15 號煤層屬緩傾斜煤層，15 號煤層頂板以上50 m和底板以下60 m 范圍內的煤巖層中，13 號、14 號煤層符合上保護層選擇的基本原則。15 號煤層底板以下60 m 范圍內有鋁土泥巖符合下保護層開采的基本原則。因此，提出3 種保護層開采方案。

方案一：開采距離15 號煤層頂板28.66 m 的13 號煤層。

方案二：開采距離15 號煤層頂板9.46 m 的14號煤層。

方案三：開采距離15 號煤層底板17 m 的鋁土泥巖。

3.2 各保護層基本情況

3.2.1 13 號煤層概況

13 號煤層底距離15 號煤層頂平均垂距為11.82（13 號煤底板）+6.74（K2 灰巖）+0.64（14號煤）+9.46（14 號煤底板）=28.66 m。13 號煤層極不穩定，厚0～0.50 m，平均0.31 m。13 號煤層無煤與瓦斯突出危險性，無自燃發火危險性。13號煤層頂板為K3 石灰巖，厚2.40～5.53 m，平均3.88 m；底板為砂巖、砂質泥巖及泥巖互層，厚9.78～13.34 m，平均11.82 m。13 號煤層頂底板綜合柱狀圖如圖2 所示。

圖2 13 號煤層頂底板巖層柱狀圖Fig.2 Histogram of roof and floor strata in No.13coal seam

3.2.2 14 號煤層概況

14 號煤層底距15 號煤層5.97～12.03 m，平均9.46 m。14 號煤層平均厚度0.64 m，厚0.25～0.86 m，平均0.64 m。14 號煤頂板為K2 石灰巖，厚5.00～7.50 m，平均6.74 m。底板主要為灰黑色—灰白色砂質泥巖、泥巖及細中粒砂巖，厚5.97～12.03 m，平均9.46 m。14 號煤層無煤與瓦斯突出危險性。14 號煤層硫、磷含量極高，很容易自燃發火。14 號煤層頂底板綜合柱狀圖如圖3 所示。

圖3 14 號煤層頂底板巖層柱狀圖Fig.3 Histogram of roof and floor strata in No.14 coal seam

3.2.3 鋁土泥巖概況

15 號煤層底板的鋁土泥巖上距15 號煤層平均垂距為17 m，平均厚度2.1 m。該鋁土泥巖賦存于石炭系中統本溪組，奧陶系中統峰峰組頂部侵蝕面之上，主要為淺灰色，厚層狀—塊狀，透水性差，平行不整合于峰峰組石灰巖巖榕裂隙含水層之上，阻隔其上下含水層之間的水力聯系。15 號煤層底板綜合柱狀圖如圖4 所示。

圖4 15 號煤層底板巖層柱狀圖Fig.4 Histogram of floor strata in No.15 coal seam

3.3 保護層開采可行性對比分析

3.3.1 從保護層開采安全角度分析

（1）14 號煤層與15 號煤層之間巖柱約9.46 m，但實際情況局部僅有4 m 左右，以至于保護層開采后開采被保護層時頂板支護成為最大的難題，頂板太薄，難以支護。此外，14 號煤層硫、磷含量極高，很容易自燃發火。因此，從頂板支護情況及煤層自燃發火方面考慮，14 號煤層作為15 號煤層的上保護層開采需要慎重選擇。

（2）13 號煤層與15 號煤層之間巖柱約28.66 m，頂板支護和工作面初采期間頂板問題可以解決，因此，從頂板支護管理分析，13 號煤層作為15 號煤層的上保護層開采是可行的。

（3）選擇鋁土泥巖作為下保護層時，保護層純巖石開采，不涉及保護層突出危險性，不涉及保護層煤自燃發火問題，15 號煤層平均厚度6.01 m，開采底板17 m 處鋁土泥巖時，15 號煤層位于裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，不會破壞15 號煤層，不涉及對被保護層頂板的影響。所以下保護層開采，本身是安全可行的。

3.3.2 從保護效果角度分析

根據綜合柱狀圖，13 號煤層與15 號煤層之間的K3、K2 灰巖因致密且透氣性差，會影響保護層的卸壓效果。14 號煤層與15 號煤層之間不存在影響卸壓效果的石灰巖，且距離被保護的15 號煤層較近，保護效果優于13 號煤層。開采底板17 m 處鋁土泥巖時，15 號煤層位于裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，且不會破壞15 號煤層，是良好的下保護層開采對象。

3.3.3 從經濟效益角度分析

（1）13 號煤層平均厚度0.31 m，14 號煤層平均厚度0.64 m，煤層儲量較低，開采期間最低平均采高需1.6 m，開采出的煤質含矸量較高，發熱量較低，回采投入成本較高，收益較低，初步分析經濟效益較差。

（2）鋁土泥巖平均厚度2.1 m，可采全高，結合相鄰礦井產出的煤下鋁情況，品質較好，可以帶來良好的社會和經濟效益。同時，阜生礦因煤炭資源有限，礦井服務年限較短，下保護層開采，不僅解決了瓦斯抽采的難題，還可以開采煤下鋁，增加了礦井服務年限。

3.3.4 保護層開采可行性綜合對比與選擇

為全面對比各方案的可行性，便于對各保護層開采可行性進行總體評價，將各方案的回采難度、安全風險及經濟效益等預估情況進行列表匯總，匯總結果見表3。

表3 各保護層開采可行性對比一覽表Table 3 Comparison of mining feasibility of each protective layer

通過對15 號煤層可供開采的保護層進行綜合對比分析，15 號煤層以下約17m 的鋁土泥巖作為15 號煤層下保護層開采，相對最優，確定為15 號煤層的保護層。

4 下保護層開采效果預估

（1）消除突出危險性方面。因15 號煤層位于下保護層開采后的裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，預計下保護層開采后對15 號煤層致裂效果較好，透氣性可增加2 000 倍，煤層瓦斯通過煤體裂隙釋放，瓦斯壓力降低，再通過保護層工作面高位鉆孔抽采煤層裂隙瓦斯，預估可完全消除突出危險性。

（2）直接經濟效益方面。保護層開采徹底代替了15 號煤之前的區域防突措施，15 號煤層回采工作面本煤層預抽鉆孔和2 個順槽掘進工作面的煤層條帶瓦斯預抽消突措施鉆孔均被開采保護層代替，也無需再施工高抽巷。經估算，每個工作面可節約鉆孔施工費用1 057.82 萬元，節約高抽巷施工費用800 萬元。

（3）礦井高效生產方面。掘進巷道不再受瓦斯條件制約，未開采保護層時工作面順槽單進為100m/ 月，開采保護層后預計可提高1 倍，達到200 m/月；開采保護層后，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度將完全不受瓦斯影響，礦井可以達到核定生產能力120 萬t/a，回采工作面相比礦井目前實際年產量，每年多產40 萬t，提前收益40 萬t×500元/t=2 億元。

5 結 語

通過對阜生礦15 號煤層可供開采的3 個保護層開采可行性進行綜合對比，15 號煤層以下約17 m 的鋁土泥巖作為下保護層開采在安全風險、經濟效益以及卸壓效果等皆為最佳方案，可完全消除15 號煤層突出危險性，預估礦井單個工作面即可節約瓦斯治理費用1 857.82 萬元，掘進巷道單進水平可由每月100 m 提升至200 m，礦井年產量可由80 萬t 提升至120 萬t。