单一突出煤层分叉段保护层开采技术研究_谷峰.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 焦作矿区主采煤层为二1煤，该煤层瓦斯含量 高、 透气性较差、 且具有煤与瓦斯突出危险性。 由于上 覆的煤层薄且层位理想， 故焦作矿区一直以来将预抽 煤层瓦斯作为区域防突措施。 中马村矿 27012 工作面 为第二层工作面，顶层工作面 27011 工作面已经回采 完毕。按初始设计 27011 工作面由切眼向外推进 52m 处，回风巷煤层会出现分叉，回风巷布置在上分叉煤 中，由于前方 75m范围煤厚为 0～2.5m，局部夹矸达 7.1m， 若按设计布置方式， 工作面回采初期即进入薄煤 区域， 也给工作面设备、 煤质和顶板管理带来困难。经 过对工作面瓦斯、 顶板、 煤厚探测资料进行综合分析， 决定在27012 工作面实施保护层开采区域防突措施。 127012 工作面概况 27012 工作面位于 27 采区东翼上部，工作面北 为 27011 （上） 工作面采空区北部， 南为 2703 工作面 采空区， 东为 27011 工作面采空区里段， 西临 27 回风 下山， 工作面煤层结构复杂， 存在煤层分叉情况， 其两 层煤间夹矸厚 0～7.1m， 平均 2.1m， 其夹矸在工作面 南部、 东部处于合并状态， 在工作面北部、 西部逐渐开 始分开， 夹矸总体为北厚南薄， 东薄西厚的分布状态 （工作面煤层综合剖面图如下图 1 所示 ） 。 图 127012 工作面煤层综合剖面图 27012 工作面初始设计回风巷布置于上分层煤 中， 平均煤厚 0.8m， 运输巷布置于下分层煤中， 平均 煤厚 5.4m。设计总工程量 797.2m、 走向 121m、 斜长 113m， 可采面积 13412m2， 按平均煤厚 2.0m、 容重 1.5 吨 /m3计算， 可采储量 4.1 万 t。 2保护层开采技术 2.1工作面保护层开采设计初步准备 单一突出煤层分叉段保护层开采技术研究 谷 峰 1， 易书钢2 （1. 河南焦煤能源有限公司中马村矿， 河南 焦作 454150 ； 2. 河南能源焦煤公司科研所 ， 河南 焦作 454000 ） 摘要 为了保证 27012 工作面区域瓦斯治理效果， 优化区域防突措施实施方法， 结合所在煤层为单 一突出煤层且存在分叉煤的特点以及周边已采巷道和已探明围岩条件资料，依据保护层设计相关理 论， 确定工作面沿倾向、 沿走向保护范围和最大垂距， 并对工作面设计进行调整。现场应用该技术后， 区域防突措施效果检验达标， 实现工作面安全生产。 关键词 保护层开采 ； 煤厚 ； 保护范围 ； 残余瓦斯含量 中图分类号 TD823 文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0005- 03 Study on protective seam mining technology of single outburst coal seam with forked section GUFeng 1， YI Shugang2 （1. Henan CokingCoal EnergyCo. , Ltd. . Zhongmacun Mine ， Jiaozuo 451500 ， China； 2. Henan EnergyCokingCoal CompanyResearch Institute , Jiaozuo 454000 ， China ） AbstractIn order to ensure the effect of gas control in the area of 27012 working face and optimize the implementation of outburst prevention measures in the area, taking into account the characteristics of the coal seam in which the coal seam is a single outburst coal seam with bifurcated coal and the data of the surrounding mined roadway and the condition of the proved surrounding rock, according to the theory of protective layer design, the protective range and the maximum vertical distance along the dip and strike of the working face are determined, and the design of the working face is adjusted. After field application of this technology, the effect test of regional outburst prevention measures reaches the standard, and the safe production ofworkingface is realized. Keywords protection layer mining; coal thickness ; protection range ; residual gas content 5 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 从多方面收集资料， 加强地质探查研究， 重新对 工作面煤厚、 夹矸分布情况、 夹矸岩性等情况进行探 查分析， 为修改设计提供了准确的地质资料。 1 ）针对 27012 工作面相邻巷道进行排查，收集 相邻巷道探钻资料。经分析 27012 回风巷南 30m 处 27011 回风巷、设计停采线西 58m顶层工作面横贯、 27012 运输巷相邻 27011 运输巷均进行过探钻， 探钻 终孔位置为 L8 灰岩层位， 同时在薄煤区域还设计钻 孔往顶板进行探查， 经过一系列探钻， 工作面内煤层 赋存情况已基本探明， 2 ）综合分析 27011 工作面及 27011 （上） 工作面 回采期间， 探煤厚资料。 27011 工作面及 27011 （上 ） 工 作面回采期间时施工的钻孔， 有部分钻孔施工至下分 层煤中， 探明夹矸及下分层煤煤厚情况。根据夹矸分 布情况在 27012 工作面内绘制出夹矸 2m 分界线， 要 求通防部门加强对夹矸 2m以上的下分煤瓦斯管理。 2.2工作面保护层开采相关设计 根据 防治煤与瓦斯突出细则 规定矿井首次开 采保护层时，可参照规定中附录 E 确定被保护工作 面沿倾斜的保护范围、 沿走向方向的保护范围、 最大 保护垂距等参数。 1 ）沿倾斜方向的保护范围。27011 外段工作面、 27011 （上 ） 工作面所采煤层产状为 N41～72E/SE ∠10～12， 整体倾角在 11左右， 根据表 D1， 选取 卸压角 δ3、 δ4 均为 75； 27012 工作面为二层工作 面， 根据 27011、 27011 （上 ） 工作面及 27012 工作面掘 进期间地质资料显示， 27012 工作面所处范围上分层 （二1煤 ） 煤厚 0～2.8 m （头层回采后剩余煤厚 ） ， 平均 0.3m， 下分层 （二11煤 ） 煤厚 0.2～4.2m， 平均 2.5m （工 作面主要回采煤层 ） 。27012 改造工作面煤层结构复 杂，二1煤存在煤层分叉情况（分叉为二1煤与二11 煤） ， 其两层煤间夹矸厚 0.9～7.2m， 平均 4.7m， 其夹 矸在工作面南部、 东部较薄， 在工作面北部、 西部较 厚，总体呈北厚南薄，东薄西厚的分布状态。根据 27011、 27011 （上） 工作面两个顶层工作面回采资料， 27011（上 ） 回风巷距下分层（二11煤 ） 最大间距为 3.5m， 保护范围为 27011 （上） 回风巷下 0.91m； 27011 运输巷距下分层 （二11煤） 最大间距为 3m， 保护范围 为 27011 运输巷 0.78m； 顶层回采范围倾斜长 145m， 经计算， 沿倾斜方向的保护范围为 143.31m。 2 ）沿走向方向的保护范围。顶层工作面最晚回 采 2016 年 3 月份， 已回采结束 33 个月， 卸压比较充 分，故卸压角 δ5 为 56- 60； 27011 工作面及 27011 （上 ） 工作面停产线处距下分层 （二11煤 ） 最大间 距为 4m， 保护范围为停采线东 2.23m， 即走向保护范 围为 顶层停产线东 2.23m至 27012 工作面切眼。 3 ） 最大保护垂距。 27011 外段工作面、 27011 （上 ） 工作面所在煤层均属于缓倾斜煤层， 根据表 D2， 选取 最大垂距＜50m； 27012 工作面煤层结构复杂， 二 1 煤 存在煤层分叉情况 （分叉为二1煤与二11煤 ） ， 其两层 煤间夹矸厚 0.9～7.2m， 平均 4.7m， 根据地质资料显 示， 顶层回采范围内距下分层 （二11煤） 最大垂距为 7.2m， 小于 50m。 经计算并结合工作面设计图， 27012 改造工作面 回采区域均位于 27011 外段工作面、 27011 （上） 工作 面保护范围之内。 2.3工作面保护层开采相关优化设计 改造回风巷与原回风巷重叠布置， 改造回风巷从 工作面停采位置按设计搭杆换落底。巷采用 3.2 2.8m工钢按 - 6坡度进行搭杆落底，按设计坡度施 工至下分层煤层底板后沿底板掘进主巷， 待施工至设 计拐点位置按 24坡度上山掘进与原回风巷贯通。 修改设计后总工程量 175m、 走向 131m、 斜长 113m， 可采面积 14803m2， 按平均煤厚 5.4m、 容重 1.5 吨 /m3 计算， 可采储量 12 万 t。巷道设计图如下图 2 所示。 图 227012 工作面巷道设计平面图 1 ）27012 回风巷巷工程。 27012 回风改造巷开口 在测点 W2255 以西 12.4m 处向西掘进，开口坐标 X3907248.2， Y38439115.0， Z- 128.773m，方位角 a23053′18″。巷道采用 3.22.8m工钢单棚 （平 棚） 支护， 立柱倾斜度 18， 误差≤1， 巷高 2.4m， 下部净宽 4.5m。 改造巷按 - 6坡度进行搭杆落底， 施 工至下分层煤层底板后沿底板掘进主巷， 待施工至设 计拐点位置按 24坡度上山掘进于 3 月 3 日与原 回风巷贯通 （掘进工期约 28 天 ） ， 3 月 8 日开始回采， 7 月初回采结束。工作面回采煤量共计 18.7 万 t。 2 ）27012 运输巷工程。巷道施工前， 运输巷距停 采位置 30m范围垒设两道风门，通过风机对掘进头 6 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 进行通风， 回风利用原工作面回风系统； 掘进出煤仍 沿用工作面出煤系统； 回风巷采用摆木垛、 打设叉子 棚（叉子棚底采用 3.0m工钢配合 400400mm铁鞋 进行支撑 ） 对顶底板进行维护， 防止改造回风巷掘进 期间原回风巷塌冒；开口前后 20m 范围煤墙进行打 锚杆进行加固， 防止掘进期间煤墙片帮； 开口处对周 边支架采用废旧皮带进行维护， 防止爆破对支架立柱 损坏； 改造回风巷掘进前， 在原回风巷采取煤层注水 措施,降低掘进期间的粉尘浓度,对井下工人及作业场 所的危害程度起到关键作用。 3保护层开采区域措施效果检验 3.1可解吸瓦斯量计算 按照 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 附录 A4 计 算可解吸瓦斯量如下 WjWcy- Wc（1 ） 式中 Wj为煤的可解吸瓦斯量， m3/t;Wcy为实施 区域瓦斯治理措施后实测煤层的残余瓦斯含量， m3/t， 取 4.26～5.18;Wc为煤在标准大气压力下的残存瓦 斯含量， 按公式 （2 ） 计算 Wc 0.1ab 10.1b 100-Ad-Mad 100 1 10.31Mad π γ （2 ） 式中 a， b 为吸附常数， 该工作面的 a55.39m3/t， b0.871MPa-1； Ad为煤的灰分， Mad为煤的水分， ； π 为煤的孔隙率， m3/m3， 取 0.05； γ 为煤的容重 （假 密度 ） ， t/m3， 取 1.5。 3.2预计回采期间的瓦斯浓度计算 回风流中瓦斯浓度计算见下述公式 C（G 计WjG底Wj2 ） 1440-ql100 Q计 （3 ） 式中 C 为回风流中瓦斯浓度， ； G计为工作面 计划日产量，取 1001～2500t； G底为工作面计划日推 进留有底层煤量； Wj为最大可解吸瓦斯含量， m3/t； Q 为工作面百米钻孔流量， 取 0.05m3/min hm； L 为该块 段 钻 孔 孔 深 ， 113m； Q 计为 工 作 面 计 划 配 风 量 ， 780m3/min； 计 算 27012 改 造 工 作 面 残 存 瓦 斯 含 量 为 3.06m3/t， 可解吸瓦斯含量为 1.2～2.12m3/t， 计划产量 1001～2500t/ 日， 可解吸瓦斯含量≤7m3/t； 工作面计 划配风量 780m3/min， 巷道最小断面为 9.2m2,可计算 出风速为 1.41m/s， 小于 4m/s； 通过日产量和可解析瓦 斯含量计算出该块段回采期间的瓦斯浓度为 0.29～ 0.57％， 均满足 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 要求， 可判定该块段瓦斯预抽效果已经达标。 3.3实测残余瓦斯含量、 残余瓦斯压力检验 根据 防治煤与瓦斯突出细则 规定， 委托焦煤集 团科研所对工作面范围内煤层残余瓦斯含量、 残余瓦 斯压力进行现场取样实测检验及现场封孔测压， 在 27012 改造工作面回风巷布置残余瓦斯含量取样点 8 个,残余瓦斯压力测点 8 个。 现场共施工取样钻孔 8 个 （1 个孔未见煤 ） ， 取样 12 个， 测压 7 个， 取样过程中未出现喷钻、 卡钻、 顶钻 等异常情况，所有煤样实测残余瓦斯含量均小于 6m3/t， 残余瓦斯压力均为 0.1MPa， 区域防突措施效果 检验合格。 4结语 通过多角度、 纵深入的分析矿井现状， 矿井首次 实施了保护层开采技术， 从设计到施工， 再到工作面 回采， 矿井积累了重要的保护层开采技术经验。开采 保护层技术实施后， 区域防突措施效果检验表明该工 作面区域防突措施有效， 通过实施保护层开采技术和 工作面设计优化， 增加可采储量约 10 万 t， 工作面回 采周期延长五个月以上，缓解了矿井生产接替紧张， 减少了面内的出矸量， 提高了煤质， 经济效益显著。 参考文献 [1] 林海峰. 开采保护层条件下的工作面瓦斯涌出量预测[J]. 能源技术与管理,2018,43 （5） 33- 35. 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