阜生礦15 號(hào)煤層保護(hù)層開采可行性研究

邱玉銘

（山西潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

0 引 言

國(guó)內(nèi)外目前技術(shù)條件下，保護(hù)層開采被認(rèn)為是最有效的防治煤與瓦斯突出手段。保護(hù)層開采可以使保護(hù)范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力大量釋放、瓦斯含量迅速降低，從而達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的目的，很好的解決煤礦瓦斯治理的難題[1-2]。阜生礦由于瓦斯賦存不均，給瓦斯抽采帶來巨大的困難，現(xiàn)有的瓦斯防治措施效果不佳，在約6 m 厚煤層中施工瓦斯抽采鉆孔很容易出現(xiàn)抽采盲區(qū)，導(dǎo)致部分區(qū)域抽采一年多，仍然達(dá)不到瓦斯抽采暫行規(guī)定，導(dǎo)致采掘銜接緊張，礦井生產(chǎn)受到瓦斯嚴(yán)重制約。因此，開采保護(hù)層勢(shì)在必行，開采保護(hù)層是阜生礦脫困的突破口，通過對(duì)保護(hù)層開采的可行性研究，可為其他同類高瓦斯突出礦井在保護(hù)層開采方面提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

1.1 礦井概況

山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 萬t/a，井田內(nèi)共劃分為3 個(gè)采區(qū)，其中生產(chǎn)采區(qū)為一采區(qū)，準(zhǔn)備采區(qū)為二采區(qū)，三采區(qū)尚未布置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，阜生礦為煤與瓦斯突出礦井，主采的15 號(hào)煤層受瓦斯制約，一采區(qū)、二采區(qū)單個(gè)掘進(jìn)工作面月進(jìn)尺不足100 m，準(zhǔn)備煤量、抽采煤量不足，采掘活動(dòng)嚴(yán)重失調(diào)，生產(chǎn)不能持續(xù)穩(wěn)定，實(shí)際生產(chǎn)能力只有80 萬t/a，現(xiàn)有瓦斯治理手段已不能滿足安全生產(chǎn)的需求。因此阜生礦急需尋求新的、高效的瓦斯治理手段，根據(jù)綜合考慮，結(jié)合礦井實(shí)際，決定采取開采保護(hù)層卸壓消突措施，以解決二采區(qū)、三采區(qū)的瓦斯治理難題，確保礦井采掘銜接及產(chǎn)量達(dá)標(biāo)。

1.2 礦井瓦斯地質(zhì)情況

阜生礦主采15 號(hào)煤層，煤層厚度3.17～7.40 m，均厚6.01 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板為泥巖，為穩(wěn)定的全井田可采煤層，煤層頂?shù)装鍘r性見表1。15 號(hào)煤層煤塵有爆炸性，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類自燃煤層，15 號(hào)煤層位于太原組下段中下部，上距K2 灰?guī)r5.97～12.03 m，平均厚度為9.46 m，下距太原組底界K1 砂巖5.85 m。15 號(hào)煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤層瓦斯相對(duì)涌出量為39.26 m3/t，絕對(duì)涌出量36.94 m3/min，掘進(jìn)最大絕對(duì)涌出量8.73 m3/min。其中，一采區(qū)煤層瓦斯含量最高8.5 m3/min，二采區(qū)煤層瓦斯含量最高11.2 m3/min，三采區(qū)煤層瓦斯含量最高18.43 m3/min。

表1 15 號(hào)煤層及頂、底板巖性Table 1 No.15 coal seam,roof and floor lithology

2 保護(hù)層開采技術(shù)原理

在煤層群開采條件下，應(yīng)首先選擇保護(hù)層開采及被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采技術(shù)，區(qū)域性消除煤層的突出危險(xiǎn)性。保護(hù)層是煤層群中的首采層，應(yīng)首選瓦斯含量低或突出危險(xiǎn)性相對(duì)較小煤層或軟巖層，通過保護(hù)層開采的卸壓作用抽采上、下鄰近煤層的卸壓瓦斯，區(qū)域性消除鄰近煤層的突出危險(xiǎn)性。

保護(hù)層開采以后，采場(chǎng)周圍的煤巖體發(fā)生變形、位移、卸壓，使得煤巖體的應(yīng)力場(chǎng)，裂隙場(chǎng)發(fā)生重新分布，在采空區(qū)頂?shù)装鍍?nèi)的一定范圍內(nèi)地應(yīng)力降低，出現(xiàn)卸壓效果，處于頂?shù)装鍍?nèi)的煤層發(fā)生膨脹變形，突出煤層地應(yīng)力下降，煤層透氣性呈數(shù)百至上千倍增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，下部被保護(hù)層煤層相對(duì)膨脹變形可達(dá)4‰，上部被保護(hù)層煤層相對(duì)變形量可達(dá)20‰以上，下部被保護(hù)層透氣性系數(shù)可增加幾百到上千倍，上部被保護(hù)層透氣性系數(shù)可增加2 000～3 000 倍，保護(hù)范圍內(nèi)煤層抽采率可達(dá)50%以上，煤層瓦斯壓力一般降至0.6 MPa 以下，煤層瓦斯含量至少下降60%，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)可提高48%～100%，從而使保護(hù)范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力釋放、瓦斯含量減低，突出危險(xiǎn)性消除。采掘活動(dòng)時(shí)，瓦斯涌出量大大減少，可顯著提高煤礦開采的安全及社會(huì)效益。保護(hù)層開采作用原理如圖1 所示。

圖1 保護(hù)層開采作用原理示意Fig.1 Principle of protective layer mining

3 保護(hù)層開采可行性分析

3.1 可供開采的保護(hù)層選取

根據(jù)阜生礦地質(zhì)報(bào)告、綜合柱狀圖和煤層情況、瓦斯概況等基礎(chǔ)資料，對(duì)15 號(hào)煤層的上部和下部地層巖性進(jìn)行分析，預(yù)選出滿足保護(hù)層開采要求的煤層或巖層，并對(duì)預(yù)選的保護(hù)層進(jìn)行綜合對(duì)比分析，研究各預(yù)選保護(hù)層開采的可行性，從而選擇最優(yōu)的15 號(hào)煤層保護(hù)層，確保在安全可靠的前提下，全面消除15 號(hào)煤層的突出危險(xiǎn)性。對(duì)可供開采的保護(hù)層選取，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》附錄E，保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距可參照表2 確定。

表2 保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距Table 2 Maximum vertical distance between protective layer and protected layer

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第六十一條：優(yōu)選擇無突出危險(xiǎn)的煤層作為保護(hù)層、優(yōu)先開采保護(hù)效果最好的煤層、優(yōu)先選擇上保護(hù)層[3]。按照阜生礦提供的地質(zhì)和實(shí)際生產(chǎn)資料綜合分析，阜生礦15 號(hào)煤層屬緩傾斜煤層，15 號(hào)煤層頂板以上50 m和底板以下60 m 范圍內(nèi)的煤巖層中，13 號(hào)、14 號(hào)煤層符合上保護(hù)層選擇的基本原則。15 號(hào)煤層底板以下60 m 范圍內(nèi)有鋁土泥巖符合下保護(hù)層開采的基本原則。因此，提出3 種保護(hù)層開采方案。

方案一：開采距離15 號(hào)煤層頂板28.66 m 的13 號(hào)煤層。

方案二：開采距離15 號(hào)煤層頂板9.46 m 的14號(hào)煤層。

方案三：開采距離15 號(hào)煤層底板17 m 的鋁土泥巖。

3.2 各保護(hù)層基本情況

3.2.1 13 號(hào)煤層概況

13 號(hào)煤層底距離15 號(hào)煤層頂平均垂距為11.82（13 號(hào)煤底板）+6.74（K2 灰?guī)r）+0.64（14號(hào)煤）+9.46（14 號(hào)煤底板）=28.66 m。13 號(hào)煤層極不穩(wěn)定，厚0～0.50 m，平均0.31 m。13 號(hào)煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，無自燃發(fā)火危險(xiǎn)性。13號(hào)煤層頂板為K3 石灰?guī)r，厚2.40～5.53 m，平均3.88 m；底板為砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖互層，厚9.78～13.34 m，平均11.82 m。13 號(hào)煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖2 所示。

圖2 13 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.2 Histogram of roof and floor strata in No.13coal seam

3.2.2 14 號(hào)煤層概況

14 號(hào)煤層底距15 號(hào)煤層5.97～12.03 m，平均9.46 m。14 號(hào)煤層平均厚度0.64 m，厚0.25～0.86 m，平均0.64 m。14 號(hào)煤頂板為K2 石灰?guī)r，厚5.00～7.50 m，平均6.74 m。底板主要為灰黑色—灰白色砂質(zhì)泥巖、泥巖及細(xì)中粒砂巖，厚5.97～12.03 m，平均9.46 m。14 號(hào)煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。14 號(hào)煤層硫、磷含量極高，很容易自燃發(fā)火。14 號(hào)煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖3 所示。

圖3 14 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.3 Histogram of roof and floor strata in No.14 coal seam

3.2.3 鋁土泥巖概況

15 號(hào)煤層底板的鋁土泥巖上距15 號(hào)煤層平均垂距為17 m，平均厚度2.1 m。該鋁土泥巖賦存于石炭系中統(tǒng)本溪組，奧陶系中統(tǒng)峰峰組頂部侵蝕面之上，主要為淺灰色，厚層狀—塊狀，透水性差，平行不整合于峰峰組石灰?guī)r巖榕裂隙含水層之上，阻隔其上下含水層之間的水力聯(lián)系。15 號(hào)煤層底板綜合柱狀圖如圖4 所示。

圖4 15 號(hào)煤層底板巖層柱狀圖Fig.4 Histogram of floor strata in No.15 coal seam

3.3 保護(hù)層開采可行性對(duì)比分析

3.3.1 從保護(hù)層開采安全角度分析

（1）14 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層之間巖柱約9.46 m，但實(shí)際情況局部?jī)H有4 m 左右，以至于保護(hù)層開采后開采被保護(hù)層時(shí)頂板支護(hù)成為最大的難題，頂板太薄，難以支護(hù)。此外，14 號(hào)煤層硫、磷含量極高，很容易自燃發(fā)火。因此，從頂板支護(hù)情況及煤層自燃發(fā)火方面考慮，14 號(hào)煤層作為15 號(hào)煤層的上保護(hù)層開采需要慎重選擇。

（2）13 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層之間巖柱約28.66 m，頂板支護(hù)和工作面初采期間頂板問題可以解決，因此，從頂板支護(hù)管理分析，13 號(hào)煤層作為15 號(hào)煤層的上保護(hù)層開采是可行的。

（3）選擇鋁土泥巖作為下保護(hù)層時(shí)，保護(hù)層純巖石開采，不涉及保護(hù)層突出危險(xiǎn)性，不涉及保護(hù)層煤自燃發(fā)火問題，15 號(hào)煤層平均厚度6.01 m，開采底板17 m 處鋁土泥巖時(shí)，15 號(hào)煤層位于裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，不會(huì)破壞15 號(hào)煤層，不涉及對(duì)被保護(hù)層頂板的影響。所以下保護(hù)層開采，本身是安全可行的。

3.3.2 從保護(hù)效果角度分析

根據(jù)綜合柱狀圖，13 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層之間的K3、K2 灰?guī)r因致密且透氣性差，會(huì)影響保護(hù)層的卸壓效果。14 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層之間不存在影響卸壓效果的石灰?guī)r，且距離被保護(hù)的15 號(hào)煤層較近，保護(hù)效果優(yōu)于13 號(hào)煤層。開采底板17 m 處鋁土泥巖時(shí)，15 號(hào)煤層位于裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，且不會(huì)破壞15 號(hào)煤層，是良好的下保護(hù)層開采對(duì)象。

3.3.3 從經(jīng)濟(jì)效益角度分析

（1）13 號(hào)煤層平均厚度0.31 m，14 號(hào)煤層平均厚度0.64 m，煤層儲(chǔ)量較低，開采期間最低平均采高需1.6 m，開采出的煤質(zhì)含矸量較高，發(fā)熱量較低，回采投入成本較高，收益較低，初步分析經(jīng)濟(jì)效益較差。

（2）鋁土泥巖平均厚度2.1 m，可采全高，結(jié)合相鄰礦井產(chǎn)出的煤下鋁情況，品質(zhì)較好，可以帶來良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，阜生礦因煤炭資源有限，礦井服務(wù)年限較短，下保護(hù)層開采，不僅解決了瓦斯抽采的難題，還可以開采煤下鋁，增加了礦井服務(wù)年限。

3.3.4 保護(hù)層開采可行性綜合對(duì)比與選擇

為全面對(duì)比各方案的可行性，便于對(duì)各保護(hù)層開采可行性進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，將各方案的回采難度、安全風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)效益等預(yù)估情況進(jìn)行列表匯總，匯總結(jié)果見表3。

表3 各保護(hù)層開采可行性對(duì)比一覽表Table 3 Comparison of mining feasibility of each protective layer

通過對(duì)15 號(hào)煤層可供開采的保護(hù)層進(jìn)行綜合對(duì)比分析，15 號(hào)煤層以下約17m 的鋁土泥巖作為15 號(hào)煤層下保護(hù)層開采，相對(duì)最優(yōu)，確定為15 號(hào)煤層的保護(hù)層。

4 下保護(hù)層開采效果預(yù)估

（1）消除突出危險(xiǎn)性方面。因15 號(hào)煤層位于下保護(hù)層開采后的裂隙帶上邊緣和彎曲下沉帶下邊緣，預(yù)計(jì)下保護(hù)層開采后對(duì)15 號(hào)煤層致裂效果較好，透氣性可增加2 000 倍，煤層瓦斯通過煤體裂隙釋放，瓦斯壓力降低，再通過保護(hù)層工作面高位鉆孔抽采煤層裂隙瓦斯，預(yù)估可完全消除突出危險(xiǎn)性。

（2）直接經(jīng)濟(jì)效益方面。保護(hù)層開采徹底代替了15 號(hào)煤之前的區(qū)域防突措施，15 號(hào)煤層回采工作面本煤層預(yù)抽鉆孔和2 個(gè)順槽掘進(jìn)工作面的煤層條帶瓦斯預(yù)抽消突措施鉆孔均被開采保護(hù)層代替，也無需再施工高抽巷。經(jīng)估算，每個(gè)工作面可節(jié)約鉆孔施工費(fèi)用1 057.82 萬元，節(jié)約高抽巷施工費(fèi)用800 萬元。

（3）礦井高效生產(chǎn)方面。掘進(jìn)巷道不再受瓦斯條件制約，未開采保護(hù)層時(shí)工作面順槽單進(jìn)為100m/ 月，開采保護(hù)層后預(yù)計(jì)可提高1 倍，達(dá)到200 m/月；開采保護(hù)層后，能從根本上解決采掘銜接緊張的局面，回采工作面割煤速度和推進(jìn)度將完全不受瓦斯影響，礦井可以達(dá)到核定生產(chǎn)能力120 萬t/a，回采工作面相比礦井目前實(shí)際年產(chǎn)量，每年多產(chǎn)40 萬t，提前收益40 萬t×500元/t=2 億元。

5 結(jié) 語

通過對(duì)阜生礦15 號(hào)煤層可供開采的3 個(gè)保護(hù)層開采可行性進(jìn)行綜合對(duì)比，15 號(hào)煤層以下約17 m 的鋁土泥巖作為下保護(hù)層開采在安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益以及卸壓效果等皆為最佳方案，可完全消除15 號(hào)煤層突出危險(xiǎn)性，預(yù)估礦井單個(gè)工作面即可節(jié)約瓦斯治理費(fèi)用1 857.82 萬元，掘進(jìn)巷道單進(jìn)水平可由每月100 m 提升至200 m，礦井年產(chǎn)量可由80 萬t 提升至120 萬t。