特厚煤层首分层采后煤与瓦斯突出危险性研究

李 奇

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室)

特厚煤层首分层采后煤与瓦斯突出危险性研究

李 奇1,2

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室)

从单项指标区域预测评价、本煤层残余瓦斯含量突出危险性评价、工作面预测指标突出危险性评价、首分层开采后下分层煤与瓦斯突出危险性评价等几个方面，综合评定了老虎台煤矿矿井目前采区工作面煤与瓦斯突出危险性，为矿井采掘工作面防突提供了可靠依据。

特厚煤层 分层开采 煤与瓦斯突出 评价

对于高瓦斯突出矿井，在采掘前必须制定区域综合防突措施和局部综合防突措施，通过对采取防突措施区域煤与瓦斯突出危险性的研究，确定所采取的防突措施是否有效可靠，进而保障矿井安全生产，防止煤与瓦斯突出事故发生。

1 矿井概况

老虎台矿位于抚顺煤田中部，主采煤层为本层煤，由2～38个分层组成，煤厚0.6～110.5 m，平均55～75 m。

现生产水平为-830和-730 m，采用综合机械化放顶煤采煤法。矿井现有三个回采面和一个准备面，分别为63003#综放面、38001#复采综放面、73004#准备面和83002#工作面。采掘工作面平面见图1。

2 矿井煤与瓦斯突出危险性综合评价

2.1 单项指标区域预测评价

区域预测突出危险性指标可根据煤的破坏类型、瓦斯放散速度(△P)、煤的坚固性系数(f)和煤层瓦斯压力(P)进行判定，当全部指标达到临界值时即可划为突出危险区域[1-3]，如表1。

图1 老虎台矿采掘工程平面图

表1 单项指标临界值

老虎台矿东、中、西3个采区煤样单项指标测定结果如表2，△P与f值分布如图2、图3所示。

上分层开采后下分层(四分层)各水平的瓦斯压力下降明显，远小于0.74 MPa。从单项指标看，东、中、西采区单项指标均未超过临界值，说明上分层开采后下分层煤与瓦斯突出危险性已解除。

表2 区域突出危险性预测指标测定结果

图2 △P值分布

图3 f值分布

2.2 本煤层残余瓦斯含量突出危险性评价

采用直接法在东、中、西各采区不同地点测定了本层煤残余瓦斯含量(见表3)，利用间接法计算出各水平的瓦斯含量(见表4)。从表4看出，上分层未开采之前本层煤的瓦斯含量较高，在-530 m水平以下瓦斯含量远大于8.0 m3/t。而表3当上分层开采卸压后，下分层瓦斯含量明显降低，残余瓦斯含量远低于规定值，也远低于该矿本煤层始突瓦斯含量(8.59 m3/t)，说明上分层开采后已消除了下分层煤与瓦斯突出危险。

首分层开采(78001综放面)后，二分层综放工作面(78002综放面)的相对瓦斯涌出量仅为首分层开采时的1/4左右，间接说明卸压作用使煤层瓦斯含量大大降低。

2.3 工作面预测指标突出危险性评价

2.3.1 历次测值统计分析

采用钻屑量S和瓦斯解吸指标Δh2作为工作面预测指标，历次资料统计结果如图4～图6所示。

表3 东、中、西各采区本层煤(四分层)残余瓦斯含量测定结果

表4 各水平平均瓦斯含量计算表

图4 东区突出指标百分比

图5 中区突出指标百分比

图6 西区突出指标百分比

通过对历次工作面预测指标分析，东中西各采区都在临界值范围内，煤与瓦斯突出危险已经消除。

2.3.2 现采煤体井下实测数据分析

东区55002准备综采面各点突出实测指标见表5，中区73004准备面各点突出实测指标见表6，西区83002综放面各点突出实测指标见表7。

从实测数据分析，在各个采区中钻屑瓦斯解吸指标max△h2为40 Pa，min△h2为10 Pa；钻屑量指标maxS为3.4 kg/m，minS为1.4 kg/m，两项指标均未超标。

表5 东区55002准备综放面各地点突出指标实测值

注：△h2单位为Pa;S单位为kg/m。

表6 中区73004准备面各地点突出指标实测值

注：△h2单位为Pa;S单位为kg/m。

表7 西区83002综放面各地点突出指标实测值

注：△h2单位为Pa;S单位为kg/m。

2.4 首分层采后下分层煤与瓦斯突出危险性评价

老虎台矿是单一特厚缓倾斜和倾斜煤层，煤层倾角小于25°，采面至上而下分层开采，开采上分层来保护下分层采、掘工作面(见图7)。

图7 保护层选择示意

通过分析83002、73004及55002工作面的区域预测指标、煤层残余瓦斯含量及工作面预测指标的实测结果，并综合考虑63001#保护63003#，78001#保护78002#，68002#西保护73003#，78001#、78002#、83001#保护83002#等采区的保护效果，说明老虎台矿东、中、西采区在上分层开采后，下分层区域单项突出指标(△P、f、P及煤的破坏类型)没有超标，工作面突出预测指标(△h2和S)均未超标。由此可判定老虎台矿东、中、西采区的本层煤在上分层(二、三或四分层)开采后，下分层(三、四或五分层)在保护范围内已消除了突出危险，可按无突出危险区管理。

3 老虎台矿突出机理浅析

根据煤与瓦斯突出动力现象统计分析(不包括钻孔动力现象)，老虎台矿21次煤与瓦斯突出动力现象均发生在地质构造带区域。其中14次突出动力现象发生在F26、F25等大型断层的交接部位；3次突出动力现象发生在有火成岩侵入煤层的拐点处(B层煤)，2次突出动力现象发生在向斜轴附近破碎带处，其余2次均发生在小的断裂构造或软分层处(见表8)。

通过表7可知，突出点按构造线分布，21次动力现象中有16次是沿断层构造线分布的(断层处100 m以内)，突出点发生在煤层的向斜轴、扭曲处、煤层拐点和火成岩侵入处、碎粒煤、“炉灰煤”及软、硬煤(岩)的接触处。在采掘形成的应力集中地区，如邻近层的煤柱上、下区域、相向采掘接近区、巷道开口处或贯通前等地点，突出危险性剧增。落煤时，尤其在爆破时，突出危险性因煤体受震动而增加，受其它强烈震动(冲击地压影响)也可导致煤与瓦斯突出[4]。

表8 老虎台矿历年煤与瓦斯突出统计

据煤与瓦斯突出机理的假说，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤体物理力学性质三个因素综合作用的结果,也是时间、空间因素达到适当组合的结果。揭露煤体后或在煤层中进行采掘工作，受外界因素影响，如支护不及时或支护质量差，高冒垮落后破坏了煤体及新的平衡状态，激发了煤层内储存能的释放；同时垮落后又破坏了煤层的完整性，降低了煤层中煤体的强度，导致突出发生，即延时突出[5-6]。

老虎台矿的延时突出多发生在构造区域，其主要原因是处于地质构造带的煤受到强烈的地质变化作用后，结构遭到破坏，改变了煤层原有的储存与排放瓦斯条件；另外，由于结构变化、构造带附近存在较高的构造应力，加之煤层自身强度降低，造成有利于产生突出的一系列因素，同时构造应力在平衡过程中失稳也导致了突出的延时。

老虎台矿冲击地压发生后引发煤与瓦斯突出的延迟时间很短，几乎同时发生，其中3次煤与瓦斯突出动力现象中，只有一次是在冲击地压发生后的 5 min 内发生的。

4 结论与建议

(1)老虎台矿东、中、西各采区采动后的本层煤(四分层)实测瓦斯含量最大值为2.39 m3/t，最小值1.3 m3/t，平均1.72 m3/t，远低于规定值，也远远低于老虎台矿的本层煤始突瓦斯含量(8.59 m3/t)，说明上分层开采后保护了下分层，消除了煤与瓦斯的突出危险性。

(2)对比分析83001和83002工作面钻屑指标S和△h2统计数据，可看出83001具有突出危险性，而83002已经消除突出危险性，主要原因是83001工作面是位于顶分层采面，回采原生煤体，没有开采保护层的卸压保护条件；而83002受到78002#、83001#工作面的开采保护，突出指标没有超标，突出危险性已经消除，进而说明在上部分层(首分层)开采后,下分层(二分层)在保护范围内突出危险性已经消除。

(3)分析老虎台矿东、中、西采区在上分层开采后，下分层区域单项突出指标未超标，工作面突出预测指标均未超标(△h2和S)，由此可判定老虎台矿东、中、西采区的本煤层在上部分层(二、三或四分层)开采后，下部分层(三、四或五分层)在保护范围内已经消除了突出危险，可按无突出危险区管理。

(4)通过分析,认为老虎台矿煤与瓦斯突出动力现象规律较为明显，主要特征是大部分突出发生在地质构造区域且具有延时性。同时对老虎台矿延时突出机理及开采上保护分层消突机理进行了分析。

(5)建议老虎台矿加强对地质构造的探测工作，在构造破坏带应连续进行区域验证。

[1] 国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2] 国家安全生产监督管理总局.AQ 1024—2006煤与瓦斯突出矿井鉴定规范[S].北京：煤炭工业出版社，2006.

[3] 孙学会.抚顺煤矿瓦斯综合治理与利用[M].北京:冶金工业出版社，2009.

[4] 赵全福.煤矿安全手册：第二篇[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[5] 于不凡.开采保护层的认识与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1986.

[6] 于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].北京：煤炭工业出版社，1985.

Research on Coal and Gas Outburst Hazard of Extra-thick Coal Seam After First Stratified

Li Qi1,2

(1.Shenyang Branch of China Coal Research Institute;2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology)

The coal and gas outburst hazard is evaluated comprehensively from the prospective of the single index evaluation, regional prediction of residual gas content of the coal seam outburst danger evaluation, risk evaluation ofworking face outburst danger prediction index, the first layer after mining working face of coal and gas outburst risk evaluation part layer outburst risk evaluation index prediction, so as to provide a reliable basis for preventing the coal and gas outburst in tunneling face.

Extra-thick coal, Layer mining, Coal and gas outburst, Evaluation

2014-11-19)

李 奇(1985—)，男，助理研究员，110016 辽宁省沈阳市。