阜生矿15 号煤层保护层开采可行性研究

邱玉铭

（山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600）

0 引 言

国内外目前技术条件下，保护层开采被认为是最有效的防治煤与瓦斯突出手段。保护层开采可以使保护范围内的煤层瓦斯压力大量释放、瓦斯含量迅速降低，从而达到消除煤与瓦斯突出危险性的目的，很好的解决煤矿瓦斯治理的难题[1-2]。阜生矿由于瓦斯赋存不均，给瓦斯抽采带来巨大的困难，现有的瓦斯防治措施效果不佳，在约6 m 厚煤层中施工瓦斯抽采钻孔很容易出现抽采盲区，导致部分区域抽采一年多，仍然达不到瓦斯抽采暂行规定，导致采掘衔接紧张，矿井生产受到瓦斯严重制约。因此，开采保护层势在必行，开采保护层是阜生矿脱困的突破口，通过对保护层开采的可行性研究，可为其他同类高瓦斯突出矿井在保护层开采方面提供经验。

1 工程背景

1.1 矿井概况

山西潞安集团左权阜生煤业有限公司设计生产能力为120 万t/a，井田内共划分为3 个采区，其中生产采区为一采区，准备采区为二采区，三采区尚未布置。根据现场调研发现，阜生矿为煤与瓦斯突出矿井，主采的15 号煤层受瓦斯制约，一采区、二采区单个掘进工作面月进尺不足100 m，准备煤量、抽采煤量不足，采掘活动严重失调，生产不能持续稳定，实际生产能力只有80 万t/a，现有瓦斯治理手段已不能满足安全生产的需求。因此阜生矿急需寻求新的、高效的瓦斯治理手段，根据综合考虑，结合矿井实际，决定采取开采保护层卸压消突措施，以解决二采区、三采区的瓦斯治理难题，确保矿井采掘衔接及产量达标。

1.2 矿井瓦斯地质情况

阜生矿主采15 号煤层，煤层厚度3.17～7.40 m，均厚6.01 m，煤层结构简单，煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，底板为泥岩，为稳定的全井田可采煤层，煤层顶底板岩性见表1。15 号煤层煤尘有爆炸性，自燃倾向性等级为Ⅱ类自燃煤层，15 号煤层位于太原组下段中下部，上距K2 灰岩5.97～12.03 m，平均厚度为9.46 m，下距太原组底界K1 砂岩5.85 m。15 号煤层具有煤与瓦斯突出危险性，煤层瓦斯相对涌出量为39.26 m3/t，绝对涌出量36.94 m3/min，掘进最大绝对涌出量8.73 m3/min。其中，一采区煤层瓦斯含量最高8.5 m3/min，二采区煤层瓦斯含量最高11.2 m3/min，三采区煤层瓦斯含量最高18.43 m3/min。

表1 15 号煤层及顶、底板岩性Table 1 No.15 coal seam,roof and floor lithology

2 保护层开采技术原理

在煤层群开采条件下，应首先选择保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采技术，区域性消除煤层的突出危险性。保护层是煤层群中的首采层，应首选瓦斯含量低或突出危险性相对较小煤层或软岩层，通过保护层开采的卸压作用抽采上、下邻近煤层的卸压瓦斯，区域性消除邻近煤层的突出危险性。

保护层开采以后，采场周围的煤岩体发生变形、位移、卸压，使得煤岩体的应力场，裂隙场发生重新分布，在采空区顶底板内的一定范围内地应力降低，出现卸压效果，处于顶底板内的煤层发生膨胀变形，突出煤层地应力下降，煤层透气性呈数百至上千倍增加。据统计，下部被保护层煤层相对膨胀变形可达4‰，上部被保护层煤层相对变形量可达20‰以上，下部被保护层透气性系数可增加几百到上千倍，上部被保护层透气性系数可增加2 000～3 000 倍，保护范围内煤层抽采率可达50%以上，煤层瓦斯压力一般降至0.6 MPa 以下，煤层瓦斯含量至少下降60%，煤层的坚固性系数可提高48%～100%，从而使保护范围内的煤层瓦斯压力释放、瓦斯含量减低，突出危险性消除。采掘活动时，瓦斯涌出量大大减少，可显著提高煤矿开采的安全及社会效益。保护层开采作用原理如图1 所示。

图1 保护层开采作用原理示意Fig.1 Principle of protective layer mining

3 保护层开采可行性分析

3.1 可供开采的保护层选取

根据阜生矿地质报告、综合柱状图和煤层情况、瓦斯概况等基础资料，对15 号煤层的上部和下部地层岩性进行分析，预选出满足保护层开采要求的煤层或岩层，并对预选的保护层进行综合对比分析，研究各预选保护层开采的可行性，从而选择最优的15 号煤层保护层，确保在安全可靠的前提下，全面消除15 号煤层的突出危险性。对可供开采的保护层选取，根据《防治煤与瓦斯突出细则》附录E，保护层与被保护层之间的最大保护垂距可参照表2 确定。

表2 保护层与被保护层之间的最大保护垂距Table 2 Maximum vertical distance between protective layer and protected layer

根据《防治煤与瓦斯突出细则》第六十一条：优选择无突出危险的煤层作为保护层、优先开采保护效果最好的煤层、优先选择上保护层[3]。按照阜生矿提供的地质和实际生产资料综合分析，阜生矿15 号煤层属缓倾斜煤层，15 号煤层顶板以上50 m和底板以下60 m 范围内的煤岩层中，13 号、14 号煤层符合上保护层选择的基本原则。15 号煤层底板以下60 m 范围内有铝土泥岩符合下保护层开采的基本原则。因此，提出3 种保护层开采方案。

方案一：开采距离15 号煤层顶板28.66 m 的13 号煤层。

方案二：开采距离15 号煤层顶板9.46 m 的14号煤层。

方案三：开采距离15 号煤层底板17 m 的铝土泥岩。

3.2 各保护层基本情况

3.2.1 13 号煤层概况

13 号煤层底距离15 号煤层顶平均垂距为11.82（13 号煤底板）+6.74（K2 灰岩）+0.64（14号煤）+9.46（14 号煤底板）=28.66 m。13 号煤层极不稳定，厚0～0.50 m，平均0.31 m。13 号煤层无煤与瓦斯突出危险性，无自燃发火危险性。13号煤层顶板为K3 石灰岩，厚2.40～5.53 m，平均3.88 m；底板为砂岩、砂质泥岩及泥岩互层，厚9.78～13.34 m，平均11.82 m。13 号煤层顶底板综合柱状图如图2 所示。

图2 13 号煤层顶底板岩层柱状图Fig.2 Histogram of roof and floor strata in No.13coal seam

3.2.2 14 号煤层概况

14 号煤层底距15 号煤层5.97～12.03 m，平均9.46 m。14 号煤层平均厚度0.64 m，厚0.25～0.86 m，平均0.64 m。14 号煤顶板为K2 石灰岩，厚5.00～7.50 m，平均6.74 m。底板主要为灰黑色—灰白色砂质泥岩、泥岩及细中粒砂岩，厚5.97～12.03 m，平均9.46 m。14 号煤层无煤与瓦斯突出危险性。14 号煤层硫、磷含量极高，很容易自燃发火。14 号煤层顶底板综合柱状图如图3 所示。

图3 14 号煤层顶底板岩层柱状图Fig.3 Histogram of roof and floor strata in No.14 coal seam

3.2.3 铝土泥岩概况

15 号煤层底板的铝土泥岩上距15 号煤层平均垂距为17 m，平均厚度2.1 m。该铝土泥岩赋存于石炭系中统本溪组，奥陶系中统峰峰组顶部侵蚀面之上，主要为浅灰色，厚层状—块状，透水性差，平行不整合于峰峰组石灰岩岩榕裂隙含水层之上，阻隔其上下含水层之间的水力联系。15 号煤层底板综合柱状图如图4 所示。

图4 15 号煤层底板岩层柱状图Fig.4 Histogram of floor strata in No.15 coal seam

3.3 保护层开采可行性对比分析

3.3.1 从保护层开采安全角度分析

（1）14 号煤层与15 号煤层之间岩柱约9.46 m，但实际情况局部仅有4 m 左右，以至于保护层开采后开采被保护层时顶板支护成为最大的难题，顶板太薄，难以支护。此外，14 号煤层硫、磷含量极高，很容易自燃发火。因此，从顶板支护情况及煤层自燃发火方面考虑，14 号煤层作为15 号煤层的上保护层开采需要慎重选择。

（2）13 号煤层与15 号煤层之间岩柱约28.66 m，顶板支护和工作面初采期间顶板问题可以解决，因此，从顶板支护管理分析，13 号煤层作为15 号煤层的上保护层开采是可行的。

（3）选择铝土泥岩作为下保护层时，保护层纯岩石开采，不涉及保护层突出危险性，不涉及保护层煤自燃发火问题，15 号煤层平均厚度6.01 m，开采底板17 m 处铝土泥岩时，15 号煤层位于裂隙带上边缘和弯曲下沉带下边缘，不会破坏15 号煤层，不涉及对被保护层顶板的影响。所以下保护层开采，本身是安全可行的。

3.3.2 从保护效果角度分析

根据综合柱状图，13 号煤层与15 号煤层之间的K3、K2 灰岩因致密且透气性差，会影响保护层的卸压效果。14 号煤层与15 号煤层之间不存在影响卸压效果的石灰岩，且距离被保护的15 号煤层较近，保护效果优于13 号煤层。开采底板17 m 处铝土泥岩时，15 号煤层位于裂隙带上边缘和弯曲下沉带下边缘，且不会破坏15 号煤层，是良好的下保护层开采对象。

3.3.3 从经济效益角度分析

（1）13 号煤层平均厚度0.31 m，14 号煤层平均厚度0.64 m，煤层储量较低，开采期间最低平均采高需1.6 m，开采出的煤质含矸量较高，发热量较低，回采投入成本较高，收益较低，初步分析经济效益较差。

（2）铝土泥岩平均厚度2.1 m，可采全高，结合相邻矿井产出的煤下铝情况，品质较好，可以带来良好的社会和经济效益。同时，阜生矿因煤炭资源有限，矿井服务年限较短，下保护层开采，不仅解决了瓦斯抽采的难题，还可以开采煤下铝，增加了矿井服务年限。

3.3.4 保护层开采可行性综合对比与选择

为全面对比各方案的可行性，便于对各保护层开采可行性进行总体评价，将各方案的回采难度、安全风险及经济效益等预估情况进行列表汇总，汇总结果见表3。

表3 各保护层开采可行性对比一览表Table 3 Comparison of mining feasibility of each protective layer

通过对15 号煤层可供开采的保护层进行综合对比分析，15 号煤层以下约17m 的铝土泥岩作为15 号煤层下保护层开采，相对最优，确定为15 号煤层的保护层。

4 下保护层开采效果预估

（1）消除突出危险性方面。因15 号煤层位于下保护层开采后的裂隙带上边缘和弯曲下沉带下边缘，预计下保护层开采后对15 号煤层致裂效果较好，透气性可增加2 000 倍，煤层瓦斯通过煤体裂隙释放，瓦斯压力降低，再通过保护层工作面高位钻孔抽采煤层裂隙瓦斯，预估可完全消除突出危险性。

（2）直接经济效益方面。保护层开采彻底代替了15 号煤之前的区域防突措施，15 号煤层回采工作面本煤层预抽钻孔和2 个顺槽掘进工作面的煤层条带瓦斯预抽消突措施钻孔均被开采保护层代替，也无需再施工高抽巷。经估算，每个工作面可节约钻孔施工费用1 057.82 万元，节约高抽巷施工费用800 万元。

（3）矿井高效生产方面。掘进巷道不再受瓦斯条件制约，未开采保护层时工作面顺槽单进为100m/ 月，开采保护层后预计可提高1 倍，达到200 m/月；开采保护层后，能从根本上解决采掘衔接紧张的局面，回采工作面割煤速度和推进度将完全不受瓦斯影响，矿井可以达到核定生产能力120 万t/a，回采工作面相比矿井目前实际年产量，每年多产40 万t，提前收益40 万t×500元/t=2 亿元。

5 结 语

通过对阜生矿15 号煤层可供开采的3 个保护层开采可行性进行综合对比，15 号煤层以下约17 m 的铝土泥岩作为下保护层开采在安全风险、经济效益以及卸压效果等皆为最佳方案，可完全消除15 号煤层突出危险性，预估矿井单个工作面即可节约瓦斯治理费用1 857.82 万元，掘进巷道单进水平可由每月100 m 提升至200 m，矿井年产量可由80 万t 提升至120 万t。