“采-选-抽-充-采”一体化开采模式应用研究

邓五先，代志旭

（平顶山天安煤业股份有限公司 十二矿，河南 平顶山467000）

近年来，随着浅部煤炭资源的枯竭，矿井不断向深部延伸，千米深井越来越多，伴随而来的高瓦斯低透气性煤层的比例也逐步扩大，据2010 年统计，我国高瓦斯矿井2 197 个，约占矿井总数的17%，煤与瓦斯突出矿井1 044 个，约占矿井总数的8.1%[1-2]。平煤十二矿三水平己15 煤层瓦斯含量高，透气性低，不具备常规保护层开采的技术条件，并且开采深度超过1 100 m，需要面对辅助提升等诸多深井开采难题[3]，实现己15 煤层煤与瓦斯协同高效共采以及瓦斯清洁利用，不仅能够满足十二矿目前的开采需求，并且符合国家绿色、环保、高效利用的资源开发理念。高瓦斯低透气性煤层安全、绿色、高效开采以及瓦斯清洁利用一直是国内外专家、学者的研究热点，通过理论分析、数值模拟以及室内、室外的大量试验研究发现，开采保护层是高瓦斯矿井最合理的、最有效的开采方式[4-5]。但是，世界各地含煤地层复杂多变，大部分的地层并不具备开采传统保护层的条件，因此保护层的合理布置依然是1 个难题。针对平煤十二矿工程地质条件以及目前面对的诸多技术难题，在传统保护层开采模式的基础上，选择近全岩作为保护层开采，并开发出1 套相适应的井下煤矸分选系统、实现了高瓦斯矿井煤与瓦斯共采以及矸石充填的“采-选-抽-充-采”一体化循环开采模式，安全、高效、多层次、全方位的解决了十二矿己15 煤层开采难题。

1 工程地质概况

十二矿三水平位于井田北部，上部紧邻己七采区，是己七采区的延伸水平和接替采区。三水平东部以20 号勘探线东500 m 平行线与八矿为界，南以己15 煤层-650 m 顶板等高线与二水平己七采区为界，西以22 号勘探线西260 m 平行线与十矿为界，北与首山一矿相邻。三水平整体走向长度2 250 m，倾斜宽度1 800 m，开采面积为4.05 km2，开采上限标高约-650 m，开采下限标高约-840 m，地面标高+180～+400 m。主采煤层为己15 煤层，该煤层瓦斯含量高达15.26 m3/t，且透气性低，天然平衡应力条件下，瓦斯很难从煤层中自主溢出，并且其上覆己14煤层煤厚较薄，不具备传统保护层开采的条件。

2 “采-选-抽-充-采”一体化循环开采模式

由于含煤地层复杂多变，高瓦斯低渗透煤层的开采往往不具备传统保护层开采的条件，为了更好的解决此关键问题，研究人员提出了“采-选-抽-充-采”一体化循环开采模式[2]，井下“采选抽充采”一体化系统立体图如图1。

图1 井下“采-选-抽-充-采”一体化系统立体图Fig.1 Three-dimensional diagram of“mining, selection,drainage, filling and mining”integrated system in underground coal mine

一体化开采具体工艺为：首先，选择仅0.5 m 厚的己14 煤层及其底部0.8 m 厚的岩层作为己15 煤的保护层，由于近全岩层开采切割难度较大，因此保护层的开采首先采用爆破预裂工艺进而配合综采进行；然后，将己14 煤层工作面采出的夹矸原煤经过合适筛孔的滚轴筛进行筛分，筛下物与其它原煤混合运输升井，筛上物需经过进一步选煤处理，选至仅剩矸石后储存至矸石仓。与此同时，在己14 与己15 煤层工作面内布置顺层钻孔与穿层钻孔进行瓦斯抽放，实现 己14 与己15 煤层的煤与瓦斯高效、协同开采；最后，在己15 煤层布设充填与综采混合工作面，并将在井下分选后储存在矸石仓中的矸石运输至充填工作面采空区，实现采空区充填，真正达到绿色、环保、高效利用的目的。

3 近全岩保护层卸压开采技术

3.1 近全岩保护层开采卸压增透原理

为了安全高效的对十二矿己15 煤进行开采，需要将其上覆近全岩层设定为保护层[6-7]，保护层开采以后，围岩原岩应力被打破，应力重新分布，导致保护层底板原有裂隙扩展贯通，并伴有新的裂隙产生，底板裂隙的发育导致被保护煤层透气性增加，瓦斯沿着裂隙溢出，达到了卸压增透的目的。近全岩保护层开采卸压增透原理如图2。

图2 近全岩保护层开采卸压增透原理Fig.2 Principle of pressure relief and permeability enhancement in near whole rock protective seam mining

3.2 保护层工作面整体规划和实施效果

矿井依据含夹矸煤层的开采思路进行保护层开采设计，三水平己14 煤层规划开采保护层工作面16个，己14 保护层工作面基本参数见表1。

上保护层回采后，使被保护层己15 工作面内的瓦斯能有效释放，顶板和煤壁的力学强度增加，煤层赋存状况稳定，实现了被保护煤层快速回采，实现了安全、高效、精采、细收的目标，不仅减少了采面复合顶掉落，而且节省了支护材料投入，降低了商品煤灰分、提高了吨煤售价。该技术自2017 年3 月至2018年6 月在己15-31030 工作面进行工业试验，试验取得成功。采出原煤79.732 9 万t，进行安全高效开采，通过该项目的实施，大大减少瓦斯超限和顶板事故的发生，经济效益非常可观。

表1 己14 保护层工作面基本参数Table 1 Basic parameters of each working face in No.14 protective layer

4 井下大流量少煤多矸处理系统

根据矿井目前的生产系统和十二矿三水平的开采现状，由于采用了近全岩保护层的开采方式，因此开采过程中大量煤矸混粒的运输以及分选问题急需解决，为了满足井下大量矸石的运输需求，在三水平的东西两翼分别布置1 条专用运矸巷，并通过联络巷将2 条专用运矸巷进行联通。按照井下矸石来源的实际情况，布置2 大矸石处理系统处理不同来源的矸石，分别为井下掘进矸石的破碎运输系统与井下分选矸石的原煤分选系统。2 个系统处理的矸石集中运输至充填采煤工作面进行充填，矸石井下处理工艺流程示意图如图3。

图3 矸石井下处理工艺流程示意图Fig.3 Engineering flow sheet of underground treatment of gangue

5 瓦斯抽放及清洁利用系统

5.1 瓦斯抽放系统布置

瓦斯抽采以己15-31010 工作面为研究对象，该工作面走向长1 041 m，倾斜长220 m，由于工作面内岩石硬度差异较大，因此将该工作面分为内外2 部分，以不同的工艺分区域进行瓦斯抽采。外段在己14-31010 工作面布置穿层钻孔与埋管抽采相结合的瓦斯抽采方式，在己15-31010 工作面布置顺层钻孔；里段的岩石硬度较高，常规抽采方式难以有效的抽采瓦斯，分析认为己14-31050 工作面采空区透气性强，因此在采空区选择埋管抽采的方式，而工作面透气性差，所以选择穿层钻孔预抽的方式抽采瓦斯。

5.2 抽放系统管路布置

根据国内外较为先进的瓦斯抽放系统布设原则，十二矿按照抽采泵站位置、开拓巷道布置、管路安装条件等因素在井下三水平及北山地面分别设置瓦斯抽放站。其中，三水平瓦斯抽放站主要用于采空区及上隅角抽放系统，北山地面瓦斯抽放站主要用于穿层抽放系统及本煤层抽放系统。瓦斯抽放管路系统布置图如图4。

图4 瓦斯抽放管路系统布置图Fig.4 Layout of gas drainage pipeline system

5.3 瓦斯清洁利用

煤矿瓦斯是一种优质清洁能源，相当长时间内国内煤矿单纯的抽放瓦斯，直接排放大气忽视了瓦斯这一宝贵资源的有效利用[8-9]。随着生产力的发展，科学技术的不断进步，多渠道开辟了瓦斯利用途径，煤矿企业逐步形成了“变害为利、以用促抽、以抽保用”的瓦斯治理新理念。

十二煤矿一直致力于瓦斯地面清洁利用方面的研究，2014 年2 月北山瓦斯发电站建成使用，发电机发电时，发电机组排烟尾气具有较高的热量，直接排到大气中不仅污染环境，而且造成热能的大量浪费，因此选择在每台发电机的排烟管道上配套安装1 台余热锅炉。单台余热锅炉出水量为7～8 t/d，4 台余热锅炉出水量为23 t/d，高热量的烟气不断对锅炉水进行加热，热水通过散热器对洗澡水、池水和井口进行散热，每天运行2～3 h 能将洗澡水池水温加热至46～50 ℃。这样的循环利用，不但实现了瓦斯的地面清洁利用，而且经济效益十分可观，根据十二矿数据统计2020 年3 月己14-31090 工作面回采结束，仅己14-31090 这1 个工作面自回采到回收可增加瓦斯利用量573 万m3，发电量增加862 万kWh，可省电费560.3 万元。

6 固体充填与综采混合开采系统

超长固体充填与传统综采混合工作面开采方法是传统垮落法综采和常规矸石充填综采的集成与创新，该开采方法可形成混采面，满足“充填”和“产能”双重指标[10-11]，具有保护环境、变废为宝、高产高效的多种技术优势。混合开采系统将1 个工作面分为2 部分：一部分应用传统的综采技术工艺进行采煤以及顶底板的管理，采空区依然选择自然垮落的方式进行处理；另一部分定为充填段，该段采煤工艺沿用综采工作面的回采工艺，但是采空区处理采用矸石充填，将近全岩采空区采出的存在矸石仓中的矸石以及矿井开拓时期产生的大量堆积矸石运输至充填段进行充填处理。

己15 被保护层开采区域分东西两翼，东翼暂规划4 个被保护层混合开采工作面，己15 首采工作面为己15-31010 工作面，该工作面为充填和综采混合工作面，己15 被保护层规划工作面基本参数见表2。

1）顶板完整程度低所需的技术措施。混合工作面过渡段往往由于超前支撑压力的作用顶板破坏严重，为了保证工作面的安全高效过渡，需要对顶板进行超前支护，并且需要提高支架的初撑力，相应还要配合锚网、锚索等进行加固处理。

2）混合工作面过渡段通风技术措施。混合工作面过渡段通风困难，瓦斯容易积聚超限，为了增加通风排气效果，将过渡支架挡矸板呈阶梯形布置，这样布置可以有效依次增加过渡段的断面积，增加通风量，并且还可以采用引导式通风的方式，例如安设导风帘布等等，使风流按照预期的路径流动，采用此过渡段处理工艺可以满足混合工作面过渡段的通风要求。

表2 己15 被保护层规划工作面基本参数Table 2 Basic parameters of each working face of VI-15 protected layer

7 效益分析

己14-31010 工作面里段累计采出煤炭3.3 万t，外段累计采出煤炭7.6 万t；己14-31050 保护层工作面目前已回采600 余m，累计采煤约7.18 万t，累计产生矸石约34.7 万t，被保护层己15-31010 混合工作面设计产煤能力达到120 万t/a、最高单产达15万t/月。

通过合理的保护层设计，被保护层己15-31010工作面开采过程中未发生煤与瓦斯突出事故，很好的保障了人身财产安全，并且工作面回采期间瓦斯累计抽放共计1.2 亿m3，抽出的瓦斯用于发电、发热等多种途径，真正达到了变害为利的目的；矿井瓦斯抽采泵站综合抽采能力达到1 000 m3/min，瓦斯地面发电能力达5.8×104kWh/d。

综合分析统计，已15 煤层首采面煤炭回采产生6.7 亿元的经济效益，三水平所有己15 煤回采将产生30.381 亿元效益。

8 结 语

1）总结分析了平煤十二矿开采技术难题，摒弃了传统的瓦斯矿井的开采理念，选用“采-选-抽-充-采”一体化开采模式，从根本上解决了十二矿高瓦斯、突出煤层的瓦斯防治难题，缓解了千米深井矸石堆放造成的环境压力，实现了高瓦斯低渗透无常规保护层煤层的煤与瓦斯协同开采。

2）“采-选-抽-充-采”一体化开采模式在平煤十二矿的应用产生了极大的经济和社会效益，该项目的推广应用能够实现被保护煤层快速回采，也可作为国内其他矿解决埋藏深、瓦斯压力大的经验借鉴，具有较高的应用推广价值。