杨彦宏 丁 杨

(中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司,北京市西城区,100120)



突出煤层群保护层开采及巷道布置研究

杨彦宏 丁 杨

(中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司,北京市西城区,100120)

摘 要针对西上庄矿井高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层群开采存在的瓦斯防治难题,选择弱突煤层作为保护层开采,采用理论计算判定方法论证了下保护层开采的可行性,确定了下保护层的保护垂距。在此基础上对采区主要巷道系统布置方式进行研究,确定突出煤层群开采的主要巷道布置参数。

关键词煤与瓦斯突出煤层 上行开采 内错尾巷 走向高抽巷 岩石底抽巷

Study on protective seam mining and roadway layout of outburst coal seam group

Yang Yanhong,Ding Yang
(Beijing Huayu Engineering Co.,Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group,Xicheng,Beijing 100120,China)

Abstract Aiming at gas prevention and control problem existed in high-gas and coal and gas outburst coal seam group mining,and choosing a weak outburst coal seam as a protective seam,the feasibility of underside protective seam mining was demonstrated by theoretical calculation methods,and the protective vertical distance of underside protecting seam was determined.And on this basis main roadway system layout of mining area was researched,then the main roadway layout parameters of the outburst coal seam group mining were determined.

Key words coal and gas outburst coal seam,ascending mining,inner stagger tail roadway,high level suction roadway on the strike,rock bed plate suction roadway

保护层开采、预抽煤层瓦斯为煤与瓦斯突出矿井煤层群开采主要的区域性防突措施.合理的采区巷道布置是保障区域防突措施有效实施的关键,直接影响到矿井正常生产接续及安全生产.因此,研究高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层群保护层开采及采区巷道布置方式的合理性对矿井设计和生产都有重要的意义.

1　工程概况

西上庄矿井位于沁水煤田东北边缘,阳泉矿区西南部,东邻阳煤集团二矿扩区,北邻新景矿及保安煤矿,南接孟家村煤炭勘探区,西为七元井田.井田北东～南西走向长约10.0 km,南西倾斜宽约5.5 km,面积约58.316 km2.地质资源量合计1047.06 Mt,设计生产能力为5.00 Mt/a,服务年限为75.6 a.主立井、副立井和中央回风立井3个井筒均布置在工业场地内,设计采用两个水平开拓.

井田内可采煤层有:山西组3＃、6＃煤层,太原组8＃、9＃、12＃、15＃、15下＃煤层,煤层倾角5°～12°,8＃、15＃煤层全区可采,为本矿井的主采煤层.根据各可采煤层间距,将井田7个可采煤层共划分4个煤组,分别为3＃、8＃、12＃和15＃煤组.其中6＃、8＃、9＃煤层间距较小,具备联合开采条件,划分为8＃煤组,15＃、15＃下煤层划分为15＃煤组.上部3＃、8＃煤组由一水平开采,水平标高为＋386 m;下部12＃、15＃煤组由二水平开采,水平标高为＋282 m.

根据地勘数据,矿井主要可采煤层瓦斯含量平均值在6.66～11.09 m3/t,最大值为20.11 m3/t,矿井属高瓦斯矿井.由于矿井尚处于建井阶段,参照邻近新景矿、阳煤二矿、保安煤矿资料,新景煤矿在开采3＃煤层时发生多起煤与瓦斯突出事故,经鉴定新景矿3＃煤层为突出煤层,根据保安煤矿鉴定结论,8＃、9＃煤层为煤与瓦斯突出煤层,＋247 m水平以上区域15＃煤层为非突出煤层.本矿井按煤与瓦斯突出矿井设计.

2　保护层开采的选择论证

2.1保护层的选择

高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井煤层群开采通常要优先选择保护层开采.根据地质勘探报告和周边矿井经验,本矿井主要可采煤层均可能存在突出危险性,15＃煤层瓦斯含量、瓦斯压力较低,其余各煤层的瓦斯含量、瓦斯压力均较高.设计选择突出危险程度较小的15＃煤层作为保护层先行开采.

2.2下保护层开采可行性分析

下保护层开采可行性分析包括两个方面,一是下保护层开采不会破坏上部被保护煤层;二是能够较大程度地实现对上部煤层瓦斯卸压,提高煤层透气性,为瓦斯抽放提供较好的条件.被保护层处于裂隙带的中上部是较为理想的位置.上行开采可行性判别方法包括比值法、三带判别法、围岩平衡法等.另外,开采下保护层最小层间距可按《防治煤与瓦斯突出规定》中计算方法确定.

(1)比值法.比值法采用上下煤层的层间距H与下部煤层的采高M之比采动影响倍数K (K ＝H/M)判定,本矿井下保护层15＃煤层采高3.87 m,与上部12＃煤层间距为39.11 m,采动影响倍数约为10,大于我国经验采动影响倍数7.5,满足上行开采要求.

(2)三带判别法.当上煤层位于下层煤开采的冒落带时,上行开采不可行,当上煤层位于下层煤开采的裂隙带或者弯曲下沉带时,可以上行开采.本矿井15＃煤层与12＃煤层之间主要为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩及石灰岩,单轴抗压强度多为20～40 MPa,为中硬岩层,根据三带计算方法,冒落带高度为10.40 m±2.2 m,裂隙带高度为39.52 m±5.6 m,12＃煤层位于裂隙带上位岩层或弯曲下沉带下位岩层,可以进行上行开采.

(3)围岩平衡法.所谓平衡岩层就是煤层的上覆岩层中能够保持一定的整体性,不发生台阶错动,能形成平衡结构,从下位煤层的顶板到平衡岩层的高度叫做围岩平衡高度.根据相关计算式计算得上行开采必要的层间距为25.35 m,而上部12＃煤层位于围岩平衡高度之上,所以可以进行上行开采.

(4)保护层开采最小间距限定.开采下保护层时,不破坏上部被保护层的最小层间距可按有关计算式计算得38.55 m.而15＃煤层与上部12＃煤层平均间距39.11 m,大于计算的允许采用的最小层间距.

综合以上分析可知,本矿井15＃煤层作为下保护层开采可行.

2.3下保护层保护垂距

矿井采用15＃煤层作为下保护层,根据《防治煤与瓦斯突出规定》保护层与被保护层之间的最大保护垂距有两种确定方法.

方法一:按表1选择保护垂距的范围,矿井煤层倾角为5°～12°,为缓倾斜煤层,且为下保护层,故最大保护垂距＜100 m.

表1　保护层与被保护层之间的最大保护垂距　m

方法二:按下保护层最大保护垂距计算式计算确定.

式中:S下——下保护层最大保护垂距,m;

S′下——下保护层的理论最大保护垂距,m;

β1——保护层开采的影响系数,取1;

β2——层间硬岩含量系数,取0.6.

S′下与工作面长度L、开采深度H有关,参照《防治煤与瓦斯突出规定》附录D中S′下和L、H关系表选取.本矿井工作面长度245 m,开采深度660 m,由于L＞0.3H,所以按照工作面长度为0.3H,即198 m对照附录D,选取S′下为146 m.

将S′下为146 m及相关数据代入式(1),得S下为87.6 m.

综合以上两种确定方法,保护层最大保护垂距为87.6 m.15＃煤层上部87.6 m范围内的煤层为8＃、9＃、12＃煤层,故8＃、9＃、12＃煤层均为被保护层.

3　采准巷道布置

3.1准备巷道布置

按照煤组划分,每个煤组单独布置1组采准巷道,全矿井共布置4组,每组布置4条巷道,即带式输送机大巷、辅助运输大巷、1号回风大巷和2号回风大巷.

矿井初期开采二水平的15＃煤层组,15＃煤层组含15＃煤层和15下＃煤层2个煤层,煤层平均间距6.07 m,具备联合开采的条件.考虑到其服务年限和便于使用,提出两种采区大巷布置方案.

方案一:15＃煤组中,将1、2号回风巷布置在煤层中,带式输送机大巷、辅助运输大巷布置在15下＃煤层底板10 m的岩层中,每条大巷水平间距为50 m,回采工作面均通过联络巷与各巷道相联,见图1(a).

方案二:将带式输送机大巷、辅助运输大巷布置在15下＃煤层底板15 m的岩层中,1、2号回风大巷布置在15下＃煤层底板10 m的岩层中,每条大巷水平间距为50 m,回采工作面均通过联络巷与各巷道相联,见图1(b).

图1　15＃煤组采区大巷布置方案

方案一的优点为1、2号回风大巷布置在煤层中,便于掌握煤层变化,煤巷施工投资低,但15＃煤层虽为弱突煤层,不排除突出的可能性,施工过程中可能存在突出危险,煤巷维护困难,两条回风大巷距离远,不便于双巷施工,施工进度慢,采区变电所施工联络困难等问题.方案二的优点为全岩巷施工,不存在瓦斯问题,巷道易于维护,采区变电所布置简单,双巷施工方便,但存在岩巷施工投资高,不易掌握煤层变化,施工时需提前探明的问题.综合考虑,为保证施工安全,设计推荐方案二,即带式输送机大巷、辅助运输大巷布置在15下＃煤层底板15 m的岩层中,1、2号回风大巷布置在15下＃煤层底板10 m的岩层中.采区大巷布置方案见图1.

3.2回采巷道布置

矿井为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井,设计提出两种回采巷道布置方案.

3.2.1工作面平巷布置方式

方案一:回采工作面采用2进2回的双巷道布置方式,分别为胶运巷、辅运巷,1、2号回风巷,巷道中心距25 m,上下巷道每200 m布置1条联络巷,工作面巷道布置见图2(a).

图2　工作面巷道布置

方案二:回采工作面巷道采用1进2回的单巷道布置方式,分别为胶运巷、回风巷,距回风巷内侧水平距离10 m的14＃煤层中布置瓦斯内错尾巷(半煤岩巷),工作面巷道布置见图2(b).

方案一的优点为采用双巷掘进可实现全负压通风,巷道掘进长度不受通风能力不足的限制.通风系统为双“U”型通风,提高了工作面的抗灾能力,工作面安全性较好.但也存在联络巷施工量大,采空区联络巷内密闭量大,区段煤柱较多,存在上隅角瓦斯超限问题等缺点.方案二的优点是通风系统为“U＋I”型通风,利用瓦斯内错尾巷解决上隅角瓦斯超限问题,且区段煤柱少,掘进工程量小,但存在巷道长距离单巷掘进通风能力不足的限制,需采取一定的措施,保证施工安全.从解决上隅角瓦斯超限问题及节省工程量角度,推荐采用方案二,“1进2回”的单巷道布置方式.

3.2.2瓦斯内错尾巷

在15＃煤层顶板裂隙带,距回风巷道内侧10 m处的14＃煤层中布置一条瓦斯内错尾巷.内错尾巷位于工作面上方,不与工作面贯通,通过回采过程中的滞后自然垮塌,与支架后方采空区沟通,形成一个低压区,高浓度瓦斯流在自然瓦斯压力差的作用下向上运移至内错尾巷,使低压区由上隅角转移至内错尾巷与采空区沟通处,截流了内错尾巷与胶运巷之间采空区的瓦斯,减小了上隅角的瓦斯压力,有效处理了上隅角瓦斯问题.瓦斯内错尾巷布置见图2(b)、(c).

3.2.3岩石底抽巷

15＃煤层虽为弱突出煤层,但不排除其突出的可能性,所以在15＃煤层工作面胶运巷、回风巷掘进前,在15下＃煤层底板下10 m处布置2条底板瓦斯预抽巷,1条底抽巷与回风巷内侧水平距离25 m,另1条底抽巷与胶运巷内侧水平距离12 m,两条底抽巷在15＃煤层工作面开切眼与辅助开切眼中间贯通.在底抽巷顶板布置穿层条带预抽钻孔对15＃、15下＃煤层工作面巷道左右两侧15 m条带范围内煤层进行瓦斯预抽,对煤层进行消突,以确保巷道掘进安全及施工进度.底板瓦斯预抽巷及穿层钻孔布置见图2(b)、(c).

3.2.4顶板走向高抽巷

15＃煤层作为上部8＃、9＃、12＃煤层的解放层开采,由于15＃煤层开采的瓦斯卸压作用,导致上部8＃、9＃、12＃煤层瓦斯大量涌出,对15＃煤层开采影响较大,为有效解决邻近层瓦斯涌出问题,在距工作面回风巷道水平距离75 m,距15＃煤层垂直距离40 m左右的12＃煤层中布置1条顶板走向高抽巷,抽放15＃煤层工作面开采时邻近层瓦斯.该区域处于15＃煤层工作面开采的采动裂隙带范围内,邻近层瓦斯涌出密集、瓦斯卸压效果好,且不易受采动影响破坏,便于抽放.据邻近的新景矿、阳煤二矿的实践证明,在15＃煤层工作面上部布置走向高抽巷抽放邻近8＃、9＃、12＃煤层瓦斯,抽出率都在80％～90％,最大抽采量可达100 m3/min以上,是阳泉矿区防治邻近层瓦斯一种行之有效的方法.走向高抽巷布置见图2(b)、(c).

4　结语

(1)西上庄矿井高瓦斯、突出煤层群开采优先选择瓦斯含量、瓦斯压力相对低的弱突出煤层15＃煤层作为下保护层.理论判别计算结果表明上行开采可行,下保护层开采间距满足要求,下保护层保护垂距87.6 m.

(2)采区准备巷道布置在15下＃煤层底板下10 m左右的岩层中,共4条.工作面巷道采用1 进2回的单巷道布置方式,通风方式为U＋I型通风.在15＃煤层顶板裂隙带,距回风巷道内侧10 m处的14＃煤层中布置一条瓦斯内错尾巷,解决上隅角瓦斯超限问题.

(3)在15下＃煤层底板10 m左右的岩层中布置底板瓦斯预抽巷,穿层条带预抽巷道瓦斯,对掘进巷道两侧条带煤层进行消突.在距回风巷道水平距离75 m,12＃煤层中布置1条走向高抽巷,抽放15＃煤层工作面开采时邻近层瓦斯.

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(责任编辑 张毅玲)

作者简介:杨彦宏(1984－),男,山西临汾人,工程师,主要从事矿井设计方面的工作。

中图分类号TD353

文献标识码A