单一突出煤层分叉段保护层开采技术研究

谷 峰 ，易书钢

（1. 河南焦煤能源有限公司中马村矿，河南 焦作 454150 ；2. 河南能源焦煤公司科研所，河南焦作 454000）

0 引 言

焦作矿区主采煤层为二1煤，该煤层瓦斯含量高、透气性较差、且具有煤与瓦斯突出危险性。由于上覆的煤层薄且层位理想，故焦作矿区一直以来将预抽煤层瓦斯作为区域防突措施。中马村矿27012 工作面为第二层工作面，顶层工作面27011 工作面已经回采完毕。按初始设计27011 工作面由切眼向外推进52m处，回风巷煤层会出现分叉，回风巷布置在上分叉煤中，由于前方75m 范围煤厚为0～2.5m，局部夹矸达7.1m，若按设计布置方式，工作面回采初期即进入薄煤区域，也给工作面设备、煤质和顶板管理带来困难。经过对工作面瓦斯、顶板、煤厚探测资料进行综合分析，决定在27012 工作面实施保护层开采区域防突措施。

1 27012 工作面概况

27012 工作面位于27 采区东翼上部，工作面北为27011（上）工作面采空区北部，南为2703 工作面采空区，东为27011 工作面采空区里段，西临27 回风下山，工作面煤层结构复杂，存在煤层分叉情况，其两层煤间夹矸厚0～7.1m，平均2.1m，其夹矸在工作面南部、东部处于合并状态，在工作面北部、西部逐渐开始分开，夹矸总体为北厚南薄，东薄西厚的分布状态（工作面煤层综合剖面图如下图1 所示）。

图1 27012 工作面煤层综合剖面图

27012 工作面初始设计回风巷布置于上分层煤中，平均煤厚0.8m，运输巷布置于下分层煤中，平均煤厚5.4m。设计总工程量797.2m、走向121m、斜长113m，可采面积13412m2，按平均煤厚2.0m、容重1.5吨 /m3计算，可采储量 4.1 万 t。

2 保护层开采技术

2.1 工作面保护层开采设计初步准备

从多方面收集资料，加强地质探查研究，重新对工作面煤厚、夹矸分布情况、夹矸岩性等情况进行探查分析，为修改设计提供了准确的地质资料。

1）针对27012 工作面相邻巷道进行排查，收集相邻巷道探钻资料。经分析27012 回风巷南30m 处27011 回风巷、设计停采线西58m 顶层工作面横贯、27012 运输巷相邻27011 运输巷均进行过探钻，探钻终孔位置为L8 灰岩层位，同时在薄煤区域还设计钻孔往顶板进行探查，经过一系列探钻，工作面内煤层赋存情况已基本探明，

2）综合分析27011 工作面及27011（上）工作面回采期间，探煤厚资料。27011 工作面及27011（上）工作面回采期间时施工的钻孔，有部分钻孔施工至下分层煤中，探明夹矸及下分层煤煤厚情况。根据夹矸分布情况在27012 工作面内绘制出夹矸2m 分界线，要求通防部门加强对夹矸2m 以上的下分煤瓦斯管理。

2.2 工作面保护层开采相关设计

根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定矿井首次开采保护层时，可参照规定中附录E 确定被保护工作面沿倾斜的保护范围、沿走向方向的保护范围、最大保护垂距等参数。

1）沿倾斜方向的保护范围。27011 外段工作面、27011（上）工作面所采煤层产状为N41°～72°E/SE∠10～12°，整体倾角在11°左右，根据表D1，选取卸压角 δ3、δ4 均为 75°；27012 工作面为二层工作面，根据 27011、27011（上）工作面及 27012 工作面掘进期间地质资料显示，27012 工作面所处范围上分层（二1煤）煤厚0～2.8 m（头层回采后剩余煤厚），平均0.3m，下分层（二11煤）煤厚 0.2～4.2m，平均 2.5m（工作面主要回采煤层）。27012 改造工作面煤层结构复杂，二1煤存在煤层分叉情况（分叉为二1煤与二11煤），其两层煤间夹矸厚0.9～7.2m，平均4.7m，其夹矸在工作面南部、东部较薄，在工作面北部、西部较厚，总体呈北厚南薄，东薄西厚的分布状态。根据27011、27011（上）工作面两个顶层工作面回采资料，27011（上） 回风巷距下分层（二11煤） 最大间距为3.5m，保护范围为27011（上）回风巷下0.91m；27011运输巷距下分层（二11煤）最大间距为3m，保护范围为27011 运输巷0.78m；顶层回采范围倾斜长145m，经计算，沿倾斜方向的保护范围为143.31m。

2）沿走向方向的保护范围。顶层工作面最晚回采2016 年3 月份，已回采结束33 个月，卸压比较充分，故卸压角 δ5 为 56°- 60°；27011 工作面及27011（上）工作面停产线处距下分层（二11煤）最大间距为4m，保护范围为停采线东2.23m，即走向保护范围为：顶层停产线东2.23m 至27012 工作面切眼。

3）最大保护垂距。27011 外段工作面、27011（上）工作面所在煤层均属于缓倾斜煤层，根据表D2，选取最大垂距＜50m；27012 工作面煤层结构复杂，二1 煤存在煤层分叉情况（分叉为二1煤与二11煤），其两层煤间夹矸厚0.9～7.2m，平均4.7m，根据地质资料显示，顶层回采范围内距下分层（二11煤）最大垂距为7.2m，小于50m。

经计算并结合工作面设计图，27012 改造工作面回采区域均位于27011 外段工作面、27011（上）工作面保护范围之内。

2.3 工作面保护层开采相关优化设计

改造回风巷与原回风巷重叠布置，改造回风巷从工作面停采位置按设计搭杆换落底。巷采用3.2×2.8m 工钢按- 6°坡度进行搭杆落底，按设计坡度施工至下分层煤层底板后沿底板掘进主巷，待施工至设计拐点位置按+24°坡度上山掘进与原回风巷贯通。修改设计后总工程量175m、走向131m、斜长113m，可采面积14803m2，按平均煤厚5.4m、容重1.5 吨/m3计算，可采储量12 万t。巷道设计图如下图2 所示。

图2 27012 工作面巷道设计平面图

1）27012 回风巷巷工程。27012 回风改造巷开口在测点W2255 以西12.4m 处向西掘进，开口坐标X=3907248.2，Y=38439115.0，Z=- 128.773m， 方位角a=230°53′18″。巷道采用3.2×2.8m 工钢单棚（平棚）支护，立柱倾斜度：18°，误差≤1°，巷高2.4m，下部净宽4.5m。改造巷按- 6°坡度进行搭杆落底，施工至下分层煤层底板后沿底板掘进主巷，待施工至设计拐点位置按+24°坡度上山掘进于3 月3 日与原回风巷贯通（掘进工期约28 天），3 月8 日开始回采，7 月初回采结束。工作面回采煤量共计18.7 万t。

2）27012 运输巷工程。巷道施工前，运输巷距停采位置30m 范围垒设两道风门，通过风机对掘进头进行通风，回风利用原工作面回风系统；掘进出煤仍沿用工作面出煤系统；回风巷采用摆木垛、打设叉子棚（叉子棚底采用3.0m 工钢配合400×400mm 铁鞋进行支撑）对顶底板进行维护，防止改造回风巷掘进期间原回风巷塌冒；开口前后20m 范围煤墙进行打锚杆进行加固，防止掘进期间煤墙片帮；开口处对周边支架采用废旧皮带进行维护，防止爆破对支架立柱损坏；改造回风巷掘进前，在原回风巷采取煤层注水措施,降低掘进期间的粉尘浓度,对井下工人及作业场所的危害程度起到关键作用。

3 保护层开采区域措施效果检验

3.1 可解吸瓦斯量计算

按照《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》附录A4 计算可解吸瓦斯量如下：

式中：Wj为煤的可解吸瓦斯量，m3/t;Wcy为实施区域瓦斯治理措施后实测煤层的残余瓦斯含量，m3/t，取：4.26～5.18;Wc为煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量，按公式（2）计算：

式中：a，b 为吸附常数，该工作面的 a=55.39m3/t，b=0.871MPa-1；Ad为煤的灰分，%Mad为煤的水分，%；π 为煤的孔隙率，m3/m3，取 0.05；γ 为煤的容重（假密度），t/m3，取 1.5。

3.2 预计回采期间的瓦斯浓度计算

回风流中瓦斯浓度计算见下述公式

式中：C 为回风流中瓦斯浓度，%；G计为工作面计划日产量，取1001～2500t；G底为工作面计划日推进留有底层煤量；Wj为最大可解吸瓦斯含量，m3/t；Q为工作面百米钻孔流量，取0.05m3/min·hm；L 为该块段钻孔孔深，113m；Q计为工作面计划配风量，780m3/min；

计算27012 改造工作面残存瓦斯含量为3.06m3/t，可解吸瓦斯含量为1.2～2.12m3/t，计划产量1001～2500t/ 日，可解吸瓦斯含量≤7m3/t；工作面计划配风量780m3/min，巷道最小断面为9.2m2,可计算出风速为1.41m/s，小于4m/s；通过日产量和可解析瓦斯含量计算出该块段回采期间的瓦斯浓度为0.29～0.57%，均满足《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求，可判定该块段瓦斯预抽效果已经达标。

3.3 实测残余瓦斯含量、残余瓦斯压力检验

根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定，委托焦煤集团科研所对工作面范围内煤层残余瓦斯含量、残余瓦斯压力进行现场取样实测检验及现场封孔测压，在27012 改造工作面回风巷布置残余瓦斯含量取样点8个,残余瓦斯压力测点8 个。

现场共施工取样钻孔8 个（1 个孔未见煤），取样12 个，测压7 个，取样过程中未出现喷钻、卡钻、顶钻等异常情况，所有煤样实测残余瓦斯含量均小于6m3/t，残余瓦斯压力均为0.1MPa，区域防突措施效果检验合格。

4 结 语

通过多角度、纵深入的分析矿井现状，矿井首次实施了保护层开采技术，从设计到施工，再到工作面回采，矿井积累了重要的保护层开采技术经验。开采保护层技术实施后，区域防突措施效果检验表明该工作面区域防突措施有效，通过实施保护层开采技术和工作面设计优化，增加可采储量约10 万t，工作面回采周期延长五个月以上，缓解了矿井生产接替紧张，减少了面内的出矸量，提高了煤质，经济效益显著。