47薄煤层开采作为保护层消突技术

薄煤层开采作为保护层消突技术作者：张士环摘要：实施保护层开采防治煤与瓦斯突出技术，目前包括我国在内世界上许多国家都在进行长期大量深入的研究，而象新庄孜矿在煤层群开采过程中，选择薄煤层开采作为保护层研究尚未有先例。

通过薄煤层开采过程中对上下保护层的瓦斯治理、地应力消除等分析研究，完善了保护层开采的基本理论，对于类似条件突出矿井的保护层开采具有一定的指导意义和应用价值。

关键词：保护层；瓦斯治理；无煤柱开采；消突淮南矿业集团新庄孜煤矿位于淮南市城区，1947年8月建成投产。

井田横跨淮河南北两岸，平均走向长5.6km，倾斜宽3.75km，井田面积20.23km2，开采面积17.92km2。

新庄孜矿为具有多组煤层群开采条件的煤与瓦斯突出矿井。

矿井现开采标高为-730m，开拓标高为-812m，可采煤层总共16个层，可采煤层总厚度为31.9m，其中A1、B4、B6、B8、B11b、C13为突出煤层。

建矿以来共发生煤与瓦斯突出事故21起，近年来，随着矿井开采深度的延伸，煤层突出危险性更大。

煤与瓦斯突出严重威胁着矿井安全生产的正常进行，制约了矿井的生存和发展。

为解决矿井生产过程中煤与瓦斯突出这一重大难题。

新庄孜矿在煤层群开采中试验用薄煤层开采作为保护层消突技术：首先开采无突出危险的B10薄煤层作为保护层，B10煤层开采后，上覆的B11、下覆的B8突出煤层将得到保护，突出煤层的突出危险性消失或减小，为矿井的安全高效创造有利条件。

1 试验区概况试验工作面为五二采区的52110工作面，该工作面位于新庄孜井田F10-5断层以北，F10-5(8)断层以南，对应地表为淮河漫滩及淮河河床。

工程上限标高-506m，工程下限标高-556m，工作面走向长度600m，工作面长度170m，平均煤厚1.2m，该块段煤岩层产状为走向320o～350o∠14o～20o。

对应上阶段52010工作面已回采完毕，对应上覆的B11工作面及对应下覆的B8工作面均尚未回采。

B10煤层距上覆B11b煤层法距平均为28m，距下覆B8煤层法距平均为40m。

2 保护层开采消突原理及选择保护层开采后。

煤(岩)层发生移动，被保护层卸压地应力降低，煤层膨胀变形、透气性增加、瓦斯解析，煤(岩)层瓦斯排放能力增高，瓦斯压力降低，瓦斯含量减少了。

煤的机械强度提高，突出危险性消失或减小。

新庄孜矿五二采区B组煤层中主要B11、B10、B8、B7、B6、B4，其中B11b、B8、B6、B4均为强突出煤层，不能作为保护层开采；B7虽不是突出煤层，但开采B7对B11b起不到保护作用，所以根据选择保护层开采的基本原理和新庄孜矿的实际开采条件，选择B10薄煤层。

开采B10煤层后，上保护B11b煤层、下保护B8煤层，形成B8保护B7、B7保护B6、B6保护B4。

同时，由于采取了由上而下大剥皮开采方式，当上覆煤层开采后，可对下覆几个邻近煤层起到复式保护作用。

3 保护层开采时瓦斯涌出量预测及治理3.1 瓦斯涌出量预测(1)瓦斯来源分析。

根据上阶段52010工作面回采情况分析，B10煤层较薄，瓦斯含量不大，在52110工作面回采过程中瓦斯来源除本煤层小部分瓦斯外，主要是B10煤层的邻近层的卸压瓦斯，包含上覆高瓦斯突出煤层B11b煤层和下覆高瓦斯突出煤层B8煤层的卸压瓦斯，因此瓦斯治理重点是邻近层的瓦斯治理。

(2)52110采面瓦斯涌出量预测结果。

①本煤层相对瓦斯涌出量预计：8.1m3/t；②邻近煤层相对瓦斯涌出量预计：下覆的B8为7.11m3/t，上覆的B11为21.21m3/t；③52110工作面回采时相对瓦斯涌出量：36.4m3/t；④52110采面绝对瓦斯涌出量：52110采面设计日产量为2000t/d；则工作面绝对瓦斯涌出量为：50.6m3/min。

3.2 瓦斯治理52110工作面采用U型全负压通风方式，根据矿井通风系统网络状况和主通风机的能力，以及工作面回采过程中风排瓦斯量，计算该面风量为1400～1750m3/min。

3.2.1 采用合理的瓦斯抽采技术(1)抽采系统的建立。

该工作面共采用了10台瓦斯抽采泵(包括备用)，装机总功率1000kW，最大抽采量为530m3/min。

系统瓦斯管路安装总量6800m，其中?530mm和?630mm管路总长度为1300m；?325mm抽采管路2400m；?273mm 抽采管路3100m。

①高抽巷采用两路?325mm抽采管路；抽采泵站为：地面新淮工广永久泵站2BEF-720泵(2台)、地面新淮工广临时抽采泵站2BE1-353泵(2台)；②顺槽穿层钻孔采用一路273mm抽采管路；抽采泵站为：地面八号井抽采泵站2BE1-405泵(2台)；③上隅角、风巷倾向钻孔，各采用一路?273mm抽采管路；抽采泵站为：-506m52010移动抽采泵站抽采2BE1-353泵(4台)；一506m B10底板巷穿B8钻孔，采用一路?273mm抽采管路；抽采泵站为：地面新淮工广临时抽采泵站2BE1-353泵(2台)。

(2)抽采钻孔设计。

①-506m52110高抽巷：在-506mB10顶板施工高抽巷，巷宽2.8m，锚杆支护，断面积约为6.4m2，总工程量为600m，在52110工采面回采前封闭。

主要用于52110工作同回采期间抽采B11b煤层等邻近层卸压瓦斯；②-506m52110高抽巷顶板穿层孔：为增加B11b煤层透气性，在高抽巷完工后，又在巷道内每隔15m施工一组B11b底板穿层孔，每组6个钻孔，并于高抽巷同时封闭抽采B11b煤层卸压瓦斯，见图1①；③风巷倾向钻孔：52110工作面回风巷内每间隔15m布置倾向钻孔，抽放邻近层的卸压瓦斯，见图1②；④-556m52110顺槽施工穿层孔：在52110顺槽每隔20m施工一组B11b底板穿层孔，每组7个钻孔，预抽B11b煤层下段原始瓦斯和回采期间采动卸压瓦斯，见图1③；⑤上隅角抽放：在工作面上隅角安设一路?200mm抽放管道，然后设置三通。

一路随着工作面的推进。

在上隅角每间隔20m设置一道隔离墙，在瓦斯抽放管路上再设置一个三通，布置一竖向立管抽放；另一路随工作面进度而移动，抽放上隅角高积聚和采后卸压的瓦斯；⑥-506m利用B10～B8石门向B8煤层施工顶板穿层孔，抽采B8煤层原始瓦斯和回采期间采动卸压瓦斯，见图2。

图1 52110顺槽、风巷、高抽巷施工剖面示意图图2 B8煤层抽采钻孔施工剖面图3.3 瓦斯抽采情况为清楚的掌握52110工作面回采时的瓦斯抽采情况，对2006年11月52110工作面瓦斯情况进行了统计分析，见图3。

图3 52110工作面瓦斯情况从图3可以看出，B10煤层在开采过程中，由于受采动影响，绝对瓦斯涌出量不断增大。

由于采取了有效的瓦斯综合治理技术，工作面平均瓦斯抽采率超过80％，取得了较好的瓦斯抽采效果。

4 无煤柱开采技术降低被保护层的地应力(1)采煤工艺。

该工作面采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，采用综合机械化采煤，MG250/591-QWD型采煤机落煤、装煤，SGZ764/630型刮板输送机运煤，ZZ4000/12/24支撑掩护式支架支护顶板。

(2)采高及采煤方法。

煤层厚度为1.0～1.7m，平均1.2m，采高1.8～2.0m，平均1.9m，过断层期闯控制在1.7～2.0m。

本面采用双滚筒采煤机双向割煤，往返一次进两刀。

(3)无煤柱式回采。

该工作面位于F10-5断层F10-(8)断层之间，受其影响，次生断层较发育，由两巷掘进揭露情况分析有14条以上，其中2～3m的断层有5条，过断层期间工作面处于B10顶板内施工，给回采带来严重困难。

由于保护层开采后，在采空区上、下形成了卸压区，在其附近的煤柱(未采区)则产生了集中应力区，所以在集中区应力区内，增加了突出危险性。

统计资料表明，开采保护层后，被保护层内的突出，大多数发生在保护层煤柱的应力集中影响区内。

为提高保护层保护效果，减少应力集中的存在。

工作面过地质异常带时，采用煤机割和炮采方式强行采过，从根本上杜绝因留煤柱造成的应力集中，消除或减小被保护层的突出危险性。

5 开采B10煤层对被保护层的消突考察52110作为保护层开采面现已安全收作，但上覆的B11b和下覆的B8煤层在B10保护层开采后，均没有进行采掘作业，暂只对被保护层瓦斯压力、煤层变形进行了测定。

测定结果：B11b和B8煤层在B10保护层开采前瓦斯压力分别是：1.9MPa、1.4MPa，开采后分别是：0.32MPa、0.24MPa。

表明B10保护层后。

B11b和B8瓦斯压力急剧下降到0.32MPa和0.24MPa，低于《防治煤与瓦斯突出细则》规定的0.74MPa。

利用深部基点法，测得B11b在B10保护层开采期间最大膨胀变形为210.44mm，煤层的最大相对变形为53.96‰。

B8煤层在B10保护层开采期间最大膨胀变形为27.3mm。

煤层的最大相对变形为15.17‰。

说明B10保护层开采后，B11b和B8煤层发生较大的膨胀变形。

B10煤层对下覆B8煤层的保护效果，根据《防突细则》，上山方向的卸压角为75o，但根据现场实际，52110工作面在回采至五四石门时，对应52110顺槽铅垂下方石门段，巷道严重变形且被破坏，原巷道设计U断面，S=12m2，最后断面变形缩小到7m2，鼓底段长达50m，巷道鼓底约1m。

52110工作面在回采过程中，-612m五四石门处B6、H7、B8煤位处瓦斯涌出增大，特别是B8煤层瓦斯涌出量明显增大。

-612m五四石门进风量在2600m3/min，正常情况下风流中瓦斯浓度0.04％；2007年4月20日，52110工作面采至-612m五四石门以南100m时，该石门内瓦斯涌出开始增大，风流中瓦斯浓度在0.2％～0.35％之间，最大达到0.42％；52110采面于2007年7月27日收作，但到2007年8月22日，五四石门内风流中瓦斯浓度仍在0.2％；从工作面采至五四石门以南100m时到目前，该石门中瓦斯涌出总量约125.4万m3。

-506m B10轨道巷，风量在500m3min，正常情况下风流中瓦斯浓度在0.06％。

2006年10月20日52110工作面开始回采，到2007年1月10日，52110工作面向南回采了150m，在这过程中-506m B10轨道内瓦斯没有明显变化；再向南回采时，-506mB10轨道巷内瓦斯涌出开始增大，巷道变形、底鼓严重、水淘内气泡不断，顶底板局部瓦斯达10％以上，风流中瓦斯浓度在0.3％～0.4％，最大达到0.48％。

52110采面于2007年7月27日收作完毕，在收作之前，轨道巷内瓦斯浓度仍为0.3％。

2007年1月10日至7月27日，该轨道巷瓦斯浦出总量约42.3万m3。

52110煤层做为保护层开采，开采面积为10.2万m2，开采煤量为17.9万t；上覆B11被解放煤量38.5万t；下覆B8被解放煤量为21.8万t。