急倾斜CO2突出厚煤层保护层开采技术

工业科技　２０１０年（第３９卷）第２期　

急倾斜Ｃ０２突出厚煤层保护层开采技术　

张德运　

（窑街煤电集团公司三矿，甘肃兰州７３００８０）　

摘要：根据有关技术规定，突出煤层在开采过程中，可以利用上分层的开采保护下分层，本论述通过对瓦斯（ＣＯ：）压力、瓦　斯吨煤含量等参数的现场测定分析研究，从技术上确定了保护层开采的深度以及非突出技术判别指标，为工作面设计、安全　开采提供了技术支持。　关键词：急倾斜；厚煤层；保护层；开采技术　

三矿皮带斜井为“煤与ＣＯ：突出”矿井，矿井开采　

的煤二层属于“急倾斜单斜特厚煤层”，开采方法为：自　

上而下、走向长壁、水平（倾斜）分层放顶煤开采。在“煤　

与ＣＯ　突出危险区”煤层中开采时，利用上分层开采的　

自然卸压对下分层的被保护范围进行了研究，取得较　

好效果，实现了在突出煤层中的安全开采。　

１保护层开采技术研究的目的　

按照开采“保护层”的基本技术原理，通过对分层　

综采放顶煤开采前和开采后各种相关技术参数的测定　

与分析，经过对开采前后所获得有关“煤与ＣＯ　突出”　

参数的对比，研究确定通过上分层开采自然卸压后在　

下部煤层失去地引力制约的条件下，下部煤层瓦斯的　

自然卸压深度。在确切掌握上分层开采对下部煤层的　

有效保护深度之后，可将下～分层的安全采放高度选　

择在自然卸压有效保护范围之内，达到在突出危险煤　

层中，既可实行放顶煤开采，又可避开高压ＣＯ　突出的　

威胁，最终达到安全开采目的。　

２保护开采技术研究的主要内容　

由于甘肃窑街煤矿开采的煤层是急倾斜特厚煤　

层，开采方法是自上而下分层放顶煤开采，开采“保护　

层”实际是利用上分层开采后的自然卸压作用保护下　

分层。因此，我们的“保护层”开采技术研究必须紧密结　

合本矿井的实际情况，研究制定与我矿煤层瓦斯（ｃｏ　）　

赋存条件相适应的科学测定技术路线，获取可靠的技　

术判别指标，满足急倾斜ＣＯ：突出危险煤层分层放顶　

煤安全开采的要求。　

（１）在工作面开采前进行测定本分层和下部煤层的　

原始ＣＯ：含量、瓦斯压力。　

（２）按照原始吨煤ＣＯ　含量，计算出被开采煤层中　

的ＣＯ　总含量。　

５２　（３）测定开采过程中ＣＯ：绝对涌出量。　

（４）根据采掘过程中测定获得被开采煤层中的自　

然绝对涌出量加上采掘前的预抽ＣＯ：量，计算出应当　

自然释放量和自然绝对涌出量加预抽量的比例，对比　

分析下部煤层的卸压效果。　

（５）在下分层被保护煤层掘进前，重新测定被保护　

煤层中的ＣＯ　残存量，检验“被保护效果”。　

３保护层开采技术研究的方法　

（１）位于煤与ＣＯ。突出危险区的５５２１—６工作面　

～系统是瓦斯（ＣＯ：）浓度最高、原始吨煤含量最大的一　

块工作面。经测定煤层气体成份ＣＯ　占９８．２９％，吨煤　

ＣＯ　平均含量为８．０８７ｍ　，一系统走向长１３６ｍ，水平宽　

８０ｍ，采放高度１５．４ｍ，煤体容重１．４ｔ／ｍ　。该系统被开采　

煤量和被开采煤层中的ＣＯ　总含量为：　总煤量＝ｌ３６ｍ　Ｘ　８０ｍ　Ｘ　ｌ５．４ｍ×１．４ｔ／ｍ　２．３５×１０　ｔ　

ＣＯ２总含量＝８．０８７ｍ３／ｔ×２．３５　Ｘ　１０ｓｔ＝１．９０×１０６ｍ　。　

在被开采煤层中的ＣＯ　总含量按照６０％计算应当　

自然释放量，即：１．９０ｘ　１０　×６０％＝１１．４ｘ　１０６ｍ。。而在　

工作面采掘过程中实测ＣＯ　自然释放量高达２．１３×　

ｌ０６ｍ，。自然释放量高于应当自然释放量９．９０　Ｘ　１０　ｍ　，　

这些高出的ＣＯ　实际是从沿工作面底板下部煤层中自　

然释放出来的。　

（２）为了进一步证明上分层开采之后对下部煤层的　

自然卸压作用和有效保护深度，在５５２１—６一系统下　

部的５５２１—７一系统又进行了一次放顶煤开采测定验　

证。采放高度１５ｍ，煤体容重１．４ｔ／ｍ　，ＣＯ　浓度平均值　

９６．０２％，原始吨煤ＣＯ　含量８．０８８５ｍ３ｏ开采煤量、ＣＯ２总　

含量、应当自然释放量、实测ＣＯ　绝对自然涌出量，分　

别为：　①开采煤量：１３５ｍ　ｘ　８０ｍ　Ｘ　１５ｍ×１．４ｔ／ｍ　＝２．２７　Ｘ　１０　ｔ　

＠ｃｏ２总含量：８．０８８５ｍ３／ｔ　Ｘ　２．２７　Ｘ　１０５ｔ＝１．８３×１０６

ｍ　２０１０年（第３９卷）第２期　工业科技　

③应当自然释放量：１．８３　Ｘ　１０６ｍ　Ｘ　６０％＝１．１０　Ｘ　

ｌ０‰　。　④该分层采前预抽量：４．７７×１０　ＩＴＩ。。　

⑤该面一系统从掘进到安装的３６ｄ中，正常供风　

量是１１８ｍ３／ｍｉｎ，回风流中的ＣＯ：平均浓度１．２６％左右，　

掘进和安装期间共自然涌出ＣＯ　气体７．７１　Ｘ　１０４ｍ　。　⑥该面一系统在１０８ｄ的开采过程中，平均供风量　

为９４３ｍ３／ｍｉｎ，工作面开采过程中回风流中的ＣＯ：浓度　

为０．９％～１．４８％，平均值为１．１９％，其开采过程中的自　

然绝对涌出为：９４３ｍ３／ｍｉｎ　Ｘ　１．１９％Ｘ　６０ｍｉｎ　Ｘ　２４ｈ／ｄ　Ｘ　

１０８ｄ＝１．７５×１０６ｍ。。　该面一系统开采煤层中ＣＯ　总释放量＝预抽量＋　

掘进安装过程中的自然释放量＋开采过程中的自然释　

放量＝４７．６９＋７．７１＋１７４．５２＝２．３０　Ｘ　１０６ｍ　。与该系统开采　

过程中的应当自然释放量１．１０　Ｘ　１０６ｍ　相比，该系统实　

测ＣＯ　自然绝对涌出量为应当自然释放量的２．０８９倍，　

多涌出ＣＯ　１．２０　Ｘ　１０６ｍ　，实际就是下部煤层中向上分　

层采空区卸压逸散的ＣＯ　气体量。　

（３）开采前后的瓦斯压力测定　

为了确切掌握上分层开采后对下部煤层自然卸压　

的“有效保护深度”，５５２１—７工作面送巷之前，在１５００　

东部边界上山安全硐室设计了一组三个测压钻孔，对　

、＼　触／　

＼　／／　ｒ＿］空　、ｌ　／５５２１—６　Ｆ－Ｎ　／　＼、　ｒ－１　Ｈ　ｎ／　

二二　二二二　＝二一　

煤层一三　

厂　

说　明　

１．第一条虚线为５５２１－７工作面开采后，在距底板线以下１０ｍ　处的ｃｏ　残余含量线，煤层中的ｃｏ　残存量为２．６７ｍ３．　２．第二条虚线为５５２１－７工作面开采后，在距底板线以下１　３ｍ　处的ｃＯ　残余含量线，煤层中的ｃＯ　残余含量为３．８６ｍ３．　３．第三条虚线为上分层开采后，下部煤层自然卸压的安全深　度线，距上分层底板线以下１２．５ｍ，和自然卸压有效深度留有３ｍ　安全距．　４．第四条虚线为上分层开采后，对下部煤层的自然卸压有效　深度线，距上分层底板线为１５．５ｍ．　５．第五条虚线为上分层开采后，对下部煤层的自然卸压影响　深度线，距上分层底板线为２０．３ｍ．　．　６．图上的吨煤ｃ０　含量等值线为原始煤层ｃｏ　含量线．　

图１　瓦斯压力测定　５５２１—８工作面及其以下煤层进行瓦斯（ｃｏ　）压力测定，　

待钻孔瓦斯（ｃｏ　）压力稳定后，观测５５２１—８工作面一　

系统开采过程中的瓦斯（ｃｏ　）压力变化，钻孔呈放射状　

布置，终孔分别在不同位置和不同标高上（见图１）。　

①１＃孔孔口标高１５３１ｍ、终孔标高１５４７ｍ与　

５５２１—７一系统采空区底界垂距为２２．１ｍ，在５５２１—８　

一系统底板以下１０．５ｍ。测定获得５５２１—７一系统开采　后的８分层煤层中的ＣＯ　残余压力为０．１８Ｍｐａ。在　

５５２１—８一系统工作面推进到距该孔终孔点约１２ｍ　

时，压力开始下降。当工作面回采推进超过该钻孔终孔　

点６ｍ，将其甩在采空区后，瓦斯压力回到零位。　

②２＃孔孔口标高１５３ｌｍ，终孔标高１５４２．４ｍ，与　

５５２１—７一系统采空区底界（１５６９．９ｍ）垂距２７．５ｍ，在　

５５２ｌ一８工作面一系统底板以下１５．５ｍ，测定获得的煤　

层ＣＯ　残余压力为０．３２Ｍｐａ。在工作面开采推进到距该　孔终孔点水平距８ｍ时，孔内瓦斯压力开始缓慢下降。　

当工作面开采推进超过该孔终孔点２０ｍ之后，钻孔瓦　

斯压力下降到０．１６Ｍｐａ后停止下降。并且一直保持到　

工作面采完都未改变。　

③３＃钻孔孔口标高为１５３１ｍ，终孔标高为　

１５３７．５ｍ，与５５２１—７一系统采空区底界（１５６９．９ｍ）垂　

距３２，４ｍ，在５５２１—８一系统底板以下２０．３ｍ，采前测　

定获得钻孔瓦斯压力值为０．４５Ｍｐａ。在工作面（５５２１—　

８）一系统开采推进到该孔上方时，孔内瓦斯压力略有　

下降迹象，在工作面开采完毕后，孔内的瓦斯压力下降　

到０．２４Ｍｐａ。　（４）上分层开采自然卸压后被保护层的ＣＯ　残存　

量测定：　

根据原始煤层吨煤ＣＯ　含量实测资料，１６０１—１５４７　

水平，垂直深度５４ｍ，走向１３５ｍ一２５０ｍ范围内，原始煤　

层中的ＣＯ２含量为６．２３４ｍ３／ｔ～９．８４３ｍ３／ｔ，平均值为　

８．８０７ｍ３／ｔ。在进行上分层开采自然卸压和局部进行预抽　

后，经测定上分层底板以下１０ｍ一１３ｍ的煤层内，吨煤　ＣＯ　残余含量为２．６７ｍ，～３．８６ｍ３，分别比原始煤层吨煤　

ＣＯ２含量分别下降了３．５４６ｍ３／ｔ～６．０８３ｍ３／ｔ，下降幅度分　

别为５７％　６１％，基本和应当自然释放量相同。　

四结束语　

（１）急倾斜ＣＯ：突出厚煤层分层放顶煤开采，利用　

上分层开采后的自然卸压作用保护下分层，根据瓦斯　

压力测定和开采过程中的瓦斯压力变化观测，得出上　

分层开采后，对下部煤层的自然卸压影响深度为　

２０．３ｍ，有效保护深度为１５．５ｍ。　（２）上分层开采自然卸压后，煤层中（下转１４０页）　

５３　建筑设计　２０１０年（第３９卷）第２期　

底大致整平，推成坡度为２％的横坡，并碾压密实。　

２－３．１分层填筑　在开始路基填筑施工前，应先进行路基试验段的　

填筑施工，先确定路基填筑的参数。换填部分用Ａ组填　

料或级配碎石填筑。分层填筑时，每层压实厚度为　

２５ｅｍ，按照经过试验确定的合格填料和经过试验确定　

的工艺参数，进行分层填筑压实。　

２．３．２摊铺整平　为了保证路堤压实均匀和填层厚度符合规定，填　

料采用推土机初平，刮平机进行二次平整，使填料摊铺　

表面平整度符合要求。　

２．３．３洒水或晾晒　

填料的含水量直接影响压实密度。在相同的压实　条件下，当达到最佳含水量时密实度最大，填料含水量　

波动范围控制在最佳含水量的＋２％—一３％范围内，超　

出最佳含水量２％时应晾晒，含水量低于最佳含水量应　洒水。洒水采用洒水车喷洒，晾晒采取自然晾晒。　

２．３．４机械碾压　

碾压是保证填层达到密实度要求的关键工序。碾　

压按照按照“先静压，后振动碾压”；“先轻，后重”；“先　

慢，后快”；“先两侧，后中间”的原则。弯道部分则应由　

低边缘向高边缘碾压。对于路基边４０ｅｍ以内不易压实　

区，应采用压路机碾压轮与路基中线成４５。角进行反　

复碾压。前后两次轮迹应重叠在１５～２０ＣＭ中间。压实　

厚度的不均匀会引起不均匀的沉降。　

检验签证：压实后的检测采用Ｋ３０荷载仪进行检　

测地基系数，灌水法进行压实度的检测。　

施工防排水：回填施工时，在两侧地面上挖临时排　

水沟，避免雨水流到换填挖出的基坑内。临时排水沟的　

设置应和永久排水沟结合起来，以便节约成本和减少　

工程量。　

２．４复合土工膜的铺设　在ＤＫ６４＋２００一ＤＫ６９＋４００段为硫酸盐渍土，采用　在路床一定范围内铺筑复合土工膜处理，隔断地基中　

的盐分上升。在路基填筑达到湖到标高位置时，进行土　

工膜的铺设。在施工路基范围内，测量定出线路中心位　

置，根据设计图定出路基边线。铺设厚度１０ｅｍ的中粗