近距離突出煤層防突技術(shù)措施探討

賀文陽(yáng)(山西焦煤汾西瑞泰井礦正明煤業(yè),山西 晉中032600)

1 前言

在煤與瓦斯突出礦井開采中常見的區(qū)域防突技術(shù)措施有兩種,一是保護(hù)層開采,二是區(qū)域預(yù)抽[1-2]。在實(shí)際的操作中,上下保護(hù)層開采、本煤層區(qū)域預(yù)抽以及地面井預(yù)抽等防突措施較常用。

某礦位于某市距離城區(qū)大約6km 的西南處,該礦井設(shè)計(jì)的最大開采能力為4.0Mt/a,煤層傾角平均為6°,最大傾角15°,最小為2°。礦井設(shè)計(jì)4 個(gè)井筒,分別是有主斜井、副斜井、副立井,回風(fēng)立井,采用的是斜-立井多水平綜合開采方式。該礦在近距離突出煤層的防突工作中存在很多問(wèn)題,主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面:第一,煤層之間的采掘抽交替壓力較大,預(yù)抽時(shí)間緊張,消突效果不好,消突后的可采煤量低于計(jì)劃采煤量,生產(chǎn)與防突存在矛盾。第二,相鄰煤層的瓦斯涌出量大,治理難度大。該礦煤層的賦存特征是多為近距離突出煤層群,煤層平均間距較小,在上下保護(hù)層開采時(shí)所涌出的大量瓦斯直接影響到保護(hù)層開采時(shí)的安全生產(chǎn)。第三,防突措施實(shí)施時(shí)區(qū)域劃分不合理。通常防突措施實(shí)施分為三個(gè)階段:礦井防突、盤區(qū)(采區(qū))防突以及工作面防突,在該礦井中缺乏對(duì)礦井防突的總體設(shè)計(jì)和規(guī)劃,應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)這方面的工作。

2 煤層與瓦斯賦存特征

2.1 煤層賦存特征

本礦井井田內(nèi)共含18 層含煤層,可開采煤層有8層,可采煤層的賦存情況見表1。

表1 可開采煤層賦存現(xiàn)狀

2.2 瓦斯賦存特征

該礦井構(gòu)造呈現(xiàn)出波浪狀單斜式,變質(zhì)程度從上開始逐漸向下加深,從西向開始向東逐漸加深,煤質(zhì)的分布由肥煤、焦煤向瘦煤逐漸過(guò)渡,礦井內(nèi)部的瓦斯壓力呈現(xiàn)出東西向與北南向逐漸加大的趨勢(shì),礦井內(nèi)部的瓦斯含量從東北向西方向遞增。

2.3 煤層與瓦斯的突出鑒定

經(jīng)過(guò)勘察和鑒定,礦井中的3、4 號(hào)煤層為上組近距離突出煤層,7、8 號(hào)煤層為下組近距離突出煤層,突出煤層參數(shù)見表2。

表2 突出煤層參數(shù)

3 上下保護(hù)層開采優(yōu)化

首先要進(jìn)行防突區(qū)域劃分,根據(jù)本礦的實(shí)際情況,將現(xiàn)有的9 個(gè)盤區(qū)生產(chǎn)劃分為開采區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、規(guī)劃區(qū)共計(jì)3 個(gè)瓦斯綜合防治區(qū)域。其次,在進(jìn)行上下保護(hù)層開采。在實(shí)際開采時(shí),應(yīng)該對(duì)三個(gè)綜合防治區(qū)域的保護(hù)層分別進(jìn)行開采,在開采之前需要對(duì)所有保護(hù)層的保護(hù)效果進(jìn)行考察,重點(diǎn)考察其保護(hù)范圍、保護(hù)垂距、保護(hù)層回采工作面超前距等[3-4]。

3.1 開采區(qū)保護(hù)層的開采

從表1中我們可以得到,7、8 號(hào)煤層之間的平均間距為14.98m,下煤層也就是8 號(hào)煤層正處于上煤層7 號(hào)煤層的有效保護(hù)垂距范圍之內(nèi)。因此,在生產(chǎn)時(shí)可以將7 號(hào)煤層作為上保護(hù)層實(shí)施開采。7號(hào)煤層的平均厚度大約為3.51m,煤層的煤質(zhì)特點(diǎn)是含硫量較高,焦煤含量低,對(duì)于目前開采接替較為緊張的情況下,7 號(hào)煤層作為保護(hù)層可以有效的緩解本礦采掘抽緊張的情況。所以,應(yīng)該優(yōu)先開采7號(hào)煤層作為8 號(hào)煤層的上保護(hù)層。

3.2 準(zhǔn)備區(qū)保護(hù)層開采

準(zhǔn)備區(qū)的保護(hù)層開采原則上應(yīng)該優(yōu)先選擇賦存較為穩(wěn)定、上下保護(hù)層有效保護(hù)垂距范圍較大、瓦斯壓力較小的煤層來(lái)進(jìn)行開采。在本礦中,經(jīng)過(guò)考察發(fā)現(xiàn)6 號(hào)煤層最大的有效保護(hù)垂距范圍大約為51m,應(yīng)該優(yōu)先開采6 號(hào)煤層可達(dá)到一煤層開采、多煤層保護(hù)的目的。礦井準(zhǔn)備區(qū)保護(hù)層可選擇1、4、5、6 號(hào)煤層。經(jīng)過(guò)考察發(fā)現(xiàn),5 號(hào)煤層的賦存屬于穩(wěn)定,6 號(hào)煤層賦存屬于較為穩(wěn)定。3 號(hào)煤層的下保護(hù)層與7 號(hào)煤層的上保護(hù)層均正處于5、6 號(hào)煤層的有效保護(hù)垂距范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)測(cè)定,6 號(hào)煤層的瓦斯壓力數(shù)值最小,為0.53MPa,屬于壓力較小范圍。因此,6 號(hào)煤層可以作為上下保護(hù)層進(jìn)行優(yōu)先開采。6號(hào)煤層作為保護(hù)層優(yōu)先開采已經(jīng)具備了技術(shù)可行性,可以作為3 號(hào)煤層下保護(hù)層和7、8 號(hào)煤層的上保護(hù)層,優(yōu)先開采6 號(hào)煤層可以極大的緩解另外3組煤層的壓力。準(zhǔn)備區(qū)保護(hù)層的開采順序如下:先開采6 號(hào)煤層,再開采3 號(hào)煤層,再開采7 號(hào)煤層,最后開采8 號(hào)煤層。

3.3 規(guī)劃區(qū)保護(hù)層開采

規(guī)劃區(qū)保護(hù)層的開采從實(shí)際情況看,考慮到有效保護(hù)的垂距范圍與相鄰層的垮落帶高度,目前比較適合作為規(guī)劃區(qū)保護(hù)層的有1、5、6 號(hào)煤層。在實(shí)際的開采中,在回采上組煤層時(shí),考慮到瓦斯壓力的釋放,可以選擇1 號(hào)煤層作為3 號(hào)煤層的上保護(hù)層,在回采下組煤層時(shí)可以選則6 號(hào)煤層作為7、8 號(hào)煤層上保護(hù)煤層。經(jīng)過(guò)測(cè)定,本規(guī)劃區(qū)為突出危險(xiǎn)區(qū),在1、6 號(hào)煤層開采之前應(yīng)該先對(duì)其進(jìn)行預(yù)抽,待到消突之后再進(jìn)行開采。

4 預(yù)抽優(yōu)化

4.1 開采區(qū)預(yù)抽

開采區(qū)的煤層預(yù)抽設(shè)計(jì)是在7 號(hào)煤層中布置8號(hào)煤層的瓦斯抽采巷。所設(shè)計(jì)的抽采方式為邁步鉆場(chǎng)布置8 號(hào)煤順層鉆孔預(yù)抽該瓦斯抽采巷的條帶瓦斯,之后在該瓦斯抽采巷中設(shè)計(jì)穿層鉆孔對(duì)7 號(hào)煤層的順槽條帶瓦斯進(jìn)行預(yù)抽,等到7 號(hào)煤層突出危險(xiǎn)降低在可控范圍之內(nèi)后再進(jìn)行開采。在8 號(hào)煤層中采用穿層的方式對(duì)7 號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽,從實(shí)際角度出發(fā)其工程量較小、穿層難度較低、工期短等優(yōu)點(diǎn),這種方法非常適合突出危險(xiǎn)性較低的煤層的瓦斯預(yù)抽。

開采區(qū)煤層預(yù)抽方案進(jìn)行優(yōu)化之后,在8 號(hào)煤層的底板15m 處沿著順槽向內(nèi)錯(cuò)開2.5m 布置底板巖石瓦斯抽采巷,穿層預(yù)抽7 號(hào)煤層順槽條帶瓦斯,控制7 號(hào)煤層工作面順槽兩幫至少15m,封孔的深度至少8m,直徑不小于50mm。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),本礦7 號(hào)煤層開采通常都會(huì)采用底板穿層的方式來(lái)預(yù)抽順槽條帶瓦斯,鉆孔時(shí)應(yīng)該選擇直徑113mm 的鉆具,終孔間距5m,預(yù)抽時(shí)間要達(dá)到180d以上。在實(shí)際的操作中,預(yù)抽天數(shù)與終孔間距的確定應(yīng)該通過(guò)煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)、抽放半徑等參數(shù)進(jìn)行確定。采用本煤層順層預(yù)抽7 號(hào)煤層回采區(qū)瓦斯這種方式,可以提升預(yù)抽效果、大大縮短預(yù)抽時(shí)間,并且很好的克服了7 號(hào)煤層順槽和8 號(hào)煤層底抽巷在向前掘進(jìn)的過(guò)程中瓦斯涌出量大的情況,這種方法比較適用于上下煤層涌出量大的情況。

4.2 準(zhǔn)備區(qū)域的預(yù)抽

首先,進(jìn)行地面井預(yù)抽。礦井的準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)已經(jīng)基本上具備了地面井預(yù)抽的條件,可以設(shè)計(jì)進(jìn)行地面井預(yù)抽。地面井預(yù)抽是對(duì)現(xiàn)有的消突處理措施的一種有效補(bǔ)充。其次,進(jìn)行上組煤預(yù)抽。準(zhǔn)備區(qū)的上組煤預(yù)抽主要是對(duì)3 號(hào)煤層進(jìn)行預(yù)抽,所設(shè)計(jì)的預(yù)抽方式為穿層預(yù)抽3 號(hào)煤層的順槽條帶瓦斯與本煤層遞進(jìn)式順層鉆孔預(yù)抽3 號(hào)煤層回采區(qū)瓦斯。本礦中1 號(hào)與3 號(hào)煤層根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況均采用千米鉆機(jī)進(jìn)行順層預(yù)抽槽條帶瓦斯和回采區(qū)域內(nèi)的瓦斯。最后,進(jìn)行下組煤預(yù)抽。準(zhǔn)備區(qū)下組煤層預(yù)抽,采用上述同樣的方法對(duì)下組7 號(hào)煤層進(jìn)行預(yù)抽。

4.3 規(guī)劃區(qū)預(yù)抽

規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的地面井預(yù)抽與上述的準(zhǔn)備區(qū)域預(yù)抽一樣分為三部分,地面井預(yù)抽、上煤組預(yù)抽、下煤組預(yù)抽。首先,地面井預(yù)抽。規(guī)劃區(qū)域的地面井預(yù)抽要先對(duì)本區(qū)域內(nèi)的煤炭總量進(jìn)行估算:當(dāng)前本區(qū)域的瓦斯抽放量為50 000m3/d,設(shè)計(jì)地面開采年限為10年,如此可以抽采瓦斯總量為1.825×108m3,經(jīng)過(guò)估算規(guī)劃區(qū)內(nèi)的煤炭總量大約為12 000 萬(wàn)t,如此計(jì)算規(guī)劃區(qū)內(nèi)的瓦斯總量可以降低1.5m3/t,根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況規(guī)劃區(qū)內(nèi)的3 號(hào)煤層瓦斯含量達(dá)到了大約為13.28m3/t,按照這樣的估算如果瓦斯含量始終在8m3/t 就仍然需要進(jìn)行井下煤層的瓦斯預(yù)抽。其次,規(guī)劃區(qū)內(nèi)的上組煤層預(yù)抽。規(guī)劃區(qū)內(nèi)的1、3 號(hào)煤層屬于突出危險(xiǎn)性煤層,應(yīng)該進(jìn)行預(yù)抽消突。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的1、3 號(hào)煤層的預(yù)抽方案應(yīng)該與生產(chǎn)區(qū)上組煤的1、3 號(hào)煤層的預(yù)抽方案一樣,預(yù)抽時(shí)間的確定應(yīng)該根據(jù)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的煤層與瓦斯賦存量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)上述,總結(jié)本礦中的預(yù)抽防突措施:開采上下保護(hù)層、地面井預(yù)抽、在4、8 號(hào)煤層底板進(jìn)行穿層預(yù)抽1、6 號(hào)煤層順槽條帶瓦斯、分別在4、8號(hào)煤層對(duì)3、7 號(hào)煤層進(jìn)行穿層預(yù)抽、采用順層遞進(jìn)式的預(yù)抽方式對(duì)1、6 號(hào)煤層進(jìn)行回采區(qū)域內(nèi)的瓦斯預(yù)抽。

5 結(jié)論

要想設(shè)計(jì)出符合本礦實(shí)際情況的防突措施方案,首先要先對(duì)礦井的煤層賦存特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)了解,包括煤層賦存特點(diǎn)與瓦斯賦存特點(diǎn),只有充分了解了煤層賦存特點(diǎn)之后,才能夠設(shè)計(jì)出更為高效的防突方案,有效緩解礦井采掘抽的接替壓力。在實(shí)際生產(chǎn)中,常用的防突措施有兩種,一種是上下保護(hù)層開采,另外一種是煤層預(yù)抽,這兩種方案的設(shè)計(jì)同樣需要煤層的賦存參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),采用上下保護(hù)層開采可以達(dá)到一層開采,多層保護(hù)的效果,即高效又能有效緩解采掘抽的接替壓力。采用煤層預(yù)抽,尤其是穿層預(yù)抽可以有效緩解煤層在生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯涌出量大的問(wèn)題。