平煤股份十二矿开采薄煤层保护层瓦斯治理技术

2018-05-31张创业唐建平胡良平

中国煤炭 2018年5期

张创业孙朋唐建平胡良平

(1.平顶山天安煤业股份有限公司十二矿，河南省平顶山市，467000；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037)

随着煤矿开采深度的增加，煤层的瓦斯含量和瓦斯压力不断增大，矿井煤与瓦斯突出的危险性也随之增大，单靠传统的风排瓦斯已经远不能满足瓦斯治理的需求。对于具备保护层开采条件的煤层，保护层开采是最有效、最经济的防治煤与瓦斯突出治理方法，我国《煤矿安全规程》规定：“对于有突出危险的煤层，应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”、“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施。” 保护层开采是指首先开采与突出煤层相邻而又无突出危险的煤层，由于采动的影响，使煤层地应力、瓦斯压力大幅度降低，煤层的透气性显著提升，利用保护层开采的卸压增透作用，使被保护层的透气性增加成百上千倍。国内研究人员和工程技术人员对突出煤层保护层开采做了大量的研究，如远距离下煤层保护层开采技术、近距离突出危险性煤层群上保护层开采技术、急倾斜煤层俯伪斜下保护层技术、千米深井煤层保护层开采技术等。这些技术不仅有效地解决了煤与瓦斯突出现场实际问题，同时丰富了我国区域防突瓦斯治理技术。

目前绝大部分研究都是针对常规厚度煤层，对于薄煤层来讲，将其作为保护层研究的相对较少。薄煤层工作面回采过程中不仅容易使煤中含有大量的矸石，而且容易造成工作面瓦斯浓度超限，如果采取强制增透措施，可能会使顶板垮落和损伤煤层，造成不必要的损失。平煤股份十二矿将己14薄煤层作为上保护层开采，保护下己15煤层，同时在薄煤层开采过程中采取相应的措施，为回采工作面的开采提供相应的安全保障。

1 矿井试验区域概况

十二矿是中国平煤神马集团第一对煤与瓦斯突出矿井。自1989年1月3日己六采区己15-17-16101回风巷首次发生煤与瓦斯突出以来，共发生煤与瓦斯突出27次。目前，矿井已进入深部开采区域(垂深已达1100 m)，主要在己七采区深部和三水平进行采掘活动，己14煤层位于山西组中下部，井田南部钻孔及井下工程偶见己14煤层，井田北部钻孔及井下工程均已见己14煤层，煤层厚度0～1 m，平均厚度0.3 m，工作面可采走向长571.9 m，倾斜宽150 m，煤层倾角平均6°。无突出危险，己14煤层顶板为白色细砂岩，含白云母片及植物化石，层位稳定，岩性坚硬，坚固性系数为6～10。己15煤层上距己14煤层8～14 m，平均煤厚3.4 m，煤层可采性指数1，煤厚变异系数10.3%～23.6%，煤层原始瓦斯压力为1.78 MPa，煤层原始瓦斯含量15.256 m3/t，属高瓦斯含量突出煤层。煤层顶板为砂质泥岩，底板为泥岩或砂质泥岩。己16-17煤层上距己15煤层0～12.7 m，平均煤厚2.0 m，由于己14-31010里段200 m顶板硬度较大，局部含白砂岩段，保护层开采难度大，确定自原己14-31010切眼向外200 m做切眼实施保护层开采。

2 上保护层薄煤层瓦斯治理

2.1 上保护层区域瓦斯抽采技术

采用以保护层开采为主的技术线路，优先开采己14上保护层，进而保护己15煤层及己16-17煤层，实现安全开采。由于己15煤层较厚，瓦斯压力大，底板穿层钻孔无法一次性穿透己15煤层进入己14煤层；己14煤层和己15煤层层间距不稳定，最近仅为8 m，在己14煤层和己15煤层之间布置岩石巷道容易造成误揭煤层。己14-31010工作面走向长1100 m，倾向长240 m，在己15-31010回风巷向己14-31010采面打穿层钻孔，设计孔径89 mm，孔间距1.4 m，每7个钻孔为一组。钻孔布置如图1所示。

图1 己15回风巷向上穿层钻孔布置示意图

2.2 上保护层回采期间瓦斯治理技术

上保护层回采期间将己14-31010下进风巷沿空留巷段作为顶板高抽巷，采空区侧每隔10 m施工孔径89 mm、孔深40 m的顶板走向穿层钻孔，对己15煤层裂隙带内逸散至保护层己14-31010采面采空区上方裂隙带的瓦斯进行抽采，同时配以采空区埋管抽采采空区瓦斯。顶板高抽巷以工作面采动形成的顶板裂隙(在前期己15-31010回风巷穿层钻孔增加了己14-31010煤层顶板裂隙的发育，为瓦斯向上流动增加了更多的通道)为通道来抽采瓦斯，留巷墙体埋管抽采采空区内瓦斯，即在充填留巷期间，在充填墙体预埋抽采管路，抽采采空区内部积聚的瓦斯。为保证较高的瓦斯抽采率，保证工作面本质安全型生产，设计在留巷墙体每间隔10 m预埋抽采管路，当墙体充填开始时，在采空区侧模板内预埋抽采管，当墙体初凝脱模时，保留埋管孔。减少采空区瓦斯涌向工作面及上隅角。

2.3 薄保护层煤层开采技术

在开采薄煤层工作面时，因其和常规煤层不同，同时己15煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高、地应力大、煤层透气性差，平煤股份十二矿在己14煤层回采过程中使用了“三机配套”、沿空留巷Y型通风技术及坚硬顶板强制放顶技术，不仅保证了薄煤层顺利采出的煤质，同时有效解除了矿压消极影响，提高了沿空留巷质量，解决了本煤层采空区卸压瓦斯大量涌出、回风隅角瓦斯积聚等问题，实现了近距离被保护层己15煤层卸压瓦斯协同高效控制、高效消突的目的。

图2 采空区埋管抽采示意图

(1)生产组织措施。在充分借鉴国内外工作面回采的基础上，十二矿提出了综采设备选型以设备的大功率、高强度、高耐磨为原则，以达到低采高、直接破岩为目标，采煤机、刮板输送机、转载机为一体，采用天地玛珂公司的三机联动远程集中控制系统，在工作面采用走向长壁后退式采煤法，采面于2016年2月4日开始试生产，截至2017年3月底回采完毕。工作面配备85人，单班最高出煤4刀(2.4 m)，日最高出煤7刀(4.2 m)，月最高推进70.5 m。工作面具备月推进度100 m的水平。

(2)沿空留巷Y型通风技术。沿空留巷技术具有煤炭采出率高、巷道掘进率低、掘进矸石少、工作面衔接合理等优点。Y型通风方式在压差及浓度梯度的共同作用下，采空区瓦斯较均匀地直接流向沿空回风巷，解决了上隅角瓦斯涡流问题，促使采空区瓦斯涌入回风巷中，使上隅角瓦斯浓度超限问题得到解决。沿空留巷Y型通风方式很适合薄煤层的开采，十二矿在借鉴了屯兰矿薄煤层沿空留巷Y型通风成功经验的基础上，结合己14-31010薄煤层的实际情况，采用二进一回的Y型通风方式。即在工作面回采过程中，采用混凝土材料充填保留己14-31010工作面下进风巷作为己15-31010工作面回风巷，工作面上进风巷为主进风巷，下进风巷为辅助进风巷。在配合采空区埋管抽采的基础上，采空区瓦斯浓度未超过0.6%，完全符合标准。同时起到了被保护层己15-31010工作面的瓦斯卸压、解放了己15-31010煤层的目的，从而实现安全开采。

(3)坚硬顶板强制放顶技术。薄保护层己14-31010工作面在开采过程中，顶板较为坚硬，由此带来了突然垮落瓦斯超限、压坏巷道等一系列问题，针对此类情形，平煤股份十二矿对薄煤层顶板采取了强制放顶，在进风巷采用深孔爆破的方法强迫采空区老顶垮落。为了解决装药过程中的卡孔问题，采用了专门的PVC套管技术，即运用PVC炮棍将装有的水胶炸药和PVC管依次送入孔内，之后运用炮泥机进行封孔，除沿空留巷墙体有部分片帮外，爆破效果良好。之后对工作面矿压进行监测，初次来压步距由原来的68 m变为现在的58 m，周期来压步距由原来的35 m变为现在的20～30 m。根据现场监测，墙体侧最终变形量为67 mm，下帮最终变形量为96 mm，两帮最终变形量为163 mm，顶板最大下沉速度8 mm/d。

3 瓦斯治理综合分析

(1)由于施工时间长，原抽采时，大部分钻孔已抽不出瓦斯。保护层开采后，瓦斯抽采量急剧上升，开采被保护层己15-31010工作面风流瓦斯浓度由0.12%升至0.38%，升高216.7%，己15-31010工作面月风排瓦斯量由4万m3升至28.5万m3，升高612.5%，工作面瓦斯抽采率由18.5%升至75.5%，升高308.11%。保护层己14-31010工作面月风排瓦斯量由14.92万m3增加35.23万m3，风排瓦斯量增加2.36倍，月抽采量由6万m3增加68.89万m3，瓦斯抽采量增加11.48倍。己15煤层评价区域实测残余瓦斯含量最大4.96 m3/t，残余瓦斯压力最大0.4 MPa。

(2)在成本控制方面，保护层开采治理瓦斯费用总额为20486.33万元，吨煤成本171.72元/t。底抽巷方案治理瓦斯费用总额为23697.73万元，吨煤成本198.64元/t。保护层方案费用比底抽巷方案总费用低3211.4万元，吨煤成本比底抽巷低26.92元/t。

(3)在建设工期方面，开采保护层治理瓦斯方案总工期63个月，底抽巷治理瓦斯方案总工期67.3个月，节省工期4.3个月。

(4)在安全方面，采用底抽巷治理，己15-31010采面配风量2414 m3/min，回风外口平均瓦斯浓度0.49%，采面上隅角瓦斯浓度0.9%～1.5%，平均瓦斯浓度1.3%；风排瓦斯量11.8 m3/min；保护层方案己15-31010采面配风1930 m3/min，下降了484 m3/min；回风外口平均瓦斯浓度0.26%，下降了0.23%；采面上隅角瓦斯浓度0.5%～0.8%，平均瓦斯浓度0.6%，下降了0.7%；风排瓦斯量5.0 m3/min，下降6.8 m3/min。

4 结论

(1)利用保护层开采的基本理论，选择己14薄煤层作为己15煤层的上保护层。在其保护范围内的己15煤层瓦斯抽采量、工作面风排瓦斯量及瓦斯抽采率得到了极大提高，残余瓦斯含量最大4.96 m3/t，残余瓦斯压力最大为0.4 MPa，己15煤层的突出危险性降低，采面上隅角瓦斯浓度为0.5%～0.8%，杜绝了上隅角瓦斯超限问题。同时与底抽巷对比分析，在成本控制、建设工期、安全等方面保护层开采具有较大的优势。

(2)在己14-31010保护层薄煤层开采过程中，在己15-31010回风巷穿层钻孔对己14-31010保护层工作面进行瓦斯抽采，采用留巷墙体埋管抽采采空区内瓦斯，同时使用了“三机配套”、沿空留巷Y型通风技术及坚硬顶板强制放顶技术进行薄煤层开采，取得了良好的效果，对其他薄煤层保护层开采的瓦斯治理具有一定的借鉴意义。

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