低透气性近距离煤层群无煤柱保护层开采防突及抽采关键技术(集团会审稿)2014.10.21

神华宁煤乌兰煤矿2014年10月神华宁夏煤业集团乌兰煤矿低透气性近距离煤层群无煤柱保护层开采防突及抽采关键技术二、无煤柱保护层开采防突及瓦斯抽采关键技术一、矿井基本情况(一)突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯技术（二）煤层预抽瓦斯防突技术

（三）无煤柱保护层开采工作面防突瓦斯综合治理技术三、效益、评价汇报提纲矿井概况乌兰煤矿位于内蒙阿拉善盟左旗宗别立镇。矿井始建于1966年7月1日，于1975年6月30日建成投产，矿井原设计能力90万吨，经两次技改，设计生产能力240万吨/年。是神华宁夏煤业集团公司主力矿井之一。宁夏精焦煤生产基地之一。

井田呈单斜构造、南北走向，走向长5km，倾斜宽3km，面积16.15k㎡。井田内有可采及局部可采煤层17层，总厚度30.74m，煤层平均倾角在20°～21°；主采2＃、3＃、7＃、8＃煤层均为突出煤层且具有自然发火性和煤尘爆炸性。

矿井开拓方式目前矿井正在进行第三次技改，采用斜井多水平阶段石门联合开拓，井田以北翼轨道上山和主井为界，划分为三个采区，分＋1350、＋1150、＋910三个水平，每个水平分为三个阶段，阶段垂高60-80m。现矿井实施下保护层开采，煤层开采顺序7#→8#→2#→3#。目前矿井一水平开采已结束，全部进入二水平开采。2014年计划原煤产量90万吨，现布置一个采煤工作面，两个备采工作面，6个掘进工作面，其中1个技改工作面。通风系统矿井通风方式为两翼对角式（四进两回），通风方法为抽出式通风。现矿井总进风量为15124m3/min，负压1730Pa，有效风量率94.86%，等级孔7.25m2。矿井有独立完整的通风系统且合理、可靠，生产水平和采区均实现了分区通风，无串联通风及采空区通风，井下作业地点风速风量符合《煤矿安全规程》要求，满足瓦斯治理及防突需要。瓦斯抽采系统矿井建有四套固定瓦斯抽采系统，一套装备3台2BEC-67型瓦斯抽采泵（单台额定流量317m3/min），用于井下预抽；另一套装备3台2BEC-42型瓦斯抽采泵（单台额定流量140m3/min），用于地面钻孔抽采。一套安装3台2BES-72泵，停运;一套安装3台2BES-72泵，一台运转用于抽采Ⅱ020803工作面上隅角埋管瓦斯。主采煤层赋存较为稳定截止2013年12月底，矿井可采储量为8101万吨。矿井水文地质类型为中等类型。经勘探在二、三水平共查明落差在5m以上的断层73条。井田总体构造类型为中等偏简单。

矿井资源条件主采煤层赋存情况

主采2#、3#、7#、8#煤层中2#、3#煤层顶板为粉、细砂岩，厚度一般在3-5m以上；7#煤层直接顶多为石灰岩，厚0.5-3.0m；8#煤层直接顶为灰色粉砂岩，厚0.3-6.7m；2#、3#、7#、8#煤层底板多为粉、细砂岩，厚3.5-43m。主采煤层赋存较为稳定。煤层编号层厚（m）层间距（m）煤层结构煤层稳定性顶底板岩性最小～最大／平均平均顶板底板山西组2#煤0.7～8.2/3.67527.8322.3412.337.735.95复杂不稳定砂质泥岩、粉砂岩砂岩3#煤2.91～23.53/9.08复杂稳定砂质泥岩、粉砂岩砂岩太原组5#煤0.7～1.63/1.26复杂稳定砂质泥岩、粉砂岩砂质泥岩、泥质粉砂岩6#煤0.72～1.83/1.22简单稳定灰岩砂岩7#煤1.12～2.36/1.76简单稳定灰岩砂质泥岩、泥质粉砂岩8#煤1.21～3.9/2.53复杂不稳定泥岩、砂质泥岩砂质泥岩、泥质粉砂岩

煤层特征表1987年1月11日在北一采区1350二石门揭2#煤层时发生煤与瓦斯突出，突出煤90t，瓦斯15000m3，2#煤层被定为突出煤层。3#、8＃煤层多次发生动力现象，经鉴定3#、7＃、8＃煤层均为突出煤层。5＃煤层无突出危险，其它6#、11#、12#、13#、14#、15#煤层除瓦斯放散初速度△p未超过临界值标，其余指标均超过《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值。2014年矿井瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井,绝对瓦斯涌出量134.66m3/min,相对瓦斯涌出量为80.15m3/t。矿井瓦斯情况名称煤的破坏类型瓦斯放散初速度（△P）煤的坚固性系数（f）相对瓦斯压力（MPa）测定结果鉴定单位临界值Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ≥10≤0.5≥0.742#煤层1987年1月11日北一石门揭煤期间发生突出事故，事故专家组直接将2#煤层定为突出煤层。突出煤层3#煤层Ⅰ~Ⅴ120.271.6突出煤层重庆研究院5#煤层Ⅱ50.690.5无突出危险重庆研究院6#煤层Ⅲ~Ⅳ60.411.3无突出危险重庆研究院7#煤层Ⅰ~Ⅴ130.182.1突出煤层重庆研究院8#煤层Ⅳ7.70250.32202.5突出煤层中国矿业大学10#煤层Ⅳ9.8570.26972.1突出煤层中国矿业大学11#煤层Ⅲ30.392.5无突出危险重庆研究院12#煤层Ⅳ70.31.2无突出危险重庆研究院13#煤层Ⅳ30.351.2无突出危险重庆研究院14#煤层Ⅳ40.51.6无突出危险重庆研究院15#煤层Ⅲ~Ⅳ70.352.0无突出危险重庆研究院3#、5＃、6#、7＃、8＃、10#、

11#、12#、13#、14#、15#煤层突出危险性鉴定情况

为准确掌握各采掘工作面煤层瓦斯参数，矿建立了通风实验室，购置了DGC型瓦斯含量直接测定装置。矿井瓦斯情况矿与中煤科工集团重庆研究院合作测定了主采2#、3#、7#、8#煤层基本参数。煤层的原始透气性系数为0.01-2.754m2/(MPa2·d)；钻孔流量衰减系数为0.0472-1.0538d-1

。煤层取样地点吸附常数孔隙率百米煤孔瓦斯流量（m3/min）钻孔流量衰减系数（d-1）透气性系数（m2/MPa2.d）瓦斯压力MPa对应瓦斯含量/(m3.t-1)ab21280-1150水平18.6732-19.45860.7823-0.87647.31-5.521.043-1.5130.0586-0.27570.71.07.0931280水平0.00291337019.713.82-6.420.092-1.7840.0483-0.08470.011.07.3471215-1100水平15.4876-17.97190.9207-1.04441.50-2.901.7830.08612.7542.010.6581215-1100水平15.6246-18.87080.7187-1.03942.94-5.960.859-1.8290.0472-1.05380.52.511.07瓦斯基本参数表

瓦斯储量：截至2012年，乌兰煤矿探明的煤炭地质储量为12718万吨，可采储量为8291万吨；瓦斯地质储量为12.04亿m³。可抽采储量为8.69亿m³。煤层编号面积/km2含量①m³/t煤厚②/m密度③/(t/m)埋藏深度/m地质储量④/Mm3储量丰度//km22#二水平2.169.443.681.4200~400115.510.532#三水平1.8413.533.681.4400~650141.130.77小计4.01256.640.643#二水平2.358.19.081.45200~430275.401.173#三水平2.1112.29.081.45430~650372.321.77小计4.45647.721.457#二水平2.277.81.761.3230~46044.650.207#三水平2.2611.71.761.3460~70066.570.29小计4.54111.220.258#二水平2.288.62.531.35230~46073.690.328#三水平2.3812.82.531.35460~700114.520.48小计4.66188.210.40合计17.661203.79

煤层气资源量计算结果统计表乌兰煤矿原一直采用自上而下留设阶段煤柱的开采方法，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量、压力增大，突出危险性增强，且煤层透气性差，钻孔瓦斯涌出量衰减快，预抽效果差，不能有效治理工作面瓦斯。由于7#、8#煤层回采工作面布置留有一定的阶段煤柱，就会造成2#、3#煤层掘进及回采时卸压保护范围小，瓦斯治理难度大，煤炭资源损失量多。因7#、8#煤层层间距0-4m采掘前必须进行同时抽采、消突，必然造成单进低，安全隐患大，按照保护层开采要求8#煤层顺槽掘进速度必然滞后于7#煤层回采速度，造成接续紧张，不能满足矿井高产、高效需要。同时待7#、8#煤层工作面系统形成后，还要留有一定时间的预抽期方可回采，造成矿井抽、掘、采关系不平衡。实施的必要性

为解决以上瓦斯治理难题，矿与中国矿业大学、中煤科工集团重庆研究院、西安科技大学先后进行了《高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术》、《瓦斯赋存规律及突出综合防治技术研究》、《突出矿井下保护层沿空留巷无煤柱安全开采技术研究》项目，通过以上项目的实施，取得了良好的效果。主要分为以下三个方面：（一）突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯技术（二）煤层预抽瓦斯防突技术（三）无煤柱保护层开采工作面防突瓦斯治理综合技术1.总体思路保护层的选择：根据矿井煤层的赋存情况，

2#煤层上部１#煤层为煤线不可采，

5#、6#煤层局部可采，7＃、8＃煤层赋存稳定全井田可采。3#煤层与5#、6#煤层层间距分别为18.6m、28.74m，3#煤层不被破坏的最小间距是21.6m，因此5#、6#煤层不宜做为3#煤层保护层开采；7＃、8＃煤层与3＃煤层之间的层间距分别为62.56m、68.81m，7＃、8＃煤层分别开采时上部煤层不被破坏的最小间距是21.6m、35.7m，经计算7＃、8＃煤层开采后3＃煤层不被破坏的最小间距为57.3m。表明7＃、8＃煤层开采后不会造成2＃、3＃煤层的破坏，只发生整体下沉；下保护层开采对上部煤层有效的保护距离为123m，7＃与2＃煤层的最大层间距为99m，在有效保护范围内，因此选择突出危险性相对较弱的7#煤层作为2#、3#煤层的下保护层和8＃煤层的上保护层的开采方案，先行开采7＃煤层,保护8#煤层和2#、3#煤层，后开采8＃煤层，对2#、3#煤层进行二次保护。煤层开采顺序为7#→8#→2#→3#煤层，形成“二保二”。地面钻井1.总体思路示意图

在试验区域共布置2排14个地面钻井，为考察钻井的不同布置参数对抽采瓦斯效果的影响及其之间的相互关系，采用非均匀布井法，钻井间距60-100m，内错回风顺槽、运输顺槽50m。钻井直径Ф177mm，终孔位置位于7#煤层顶板上方10m处。下入Ф139mm的抽采管，从2#煤层顶板以上10m至终孔位置部分为筛管，其余为实管。试验后将钻井参数定为间距100m，内错风、机巷50m，钻井直径Ф219mm，下入Ф180mm的抽采管。2.钻井布置方式：

Ⅱ030702工作面回采后，

受采动卸压的作用，地面1#钻井、2#钻井先后涌出瓦斯，保护层开采区域抽出瓦斯1436.96万m3，其中2#钻井抽采瓦斯305.57万m3，抽采期间单井最大瓦斯抽采量达到24826m3/d，取得了显著的效果。3.抽采情况走向停采线侧和切眼侧的卸压角分别为80°和75°，倾向上部卸压角和下部的卸压角分别为88°和75°。2#煤层和3#煤层的残余瓦斯含量分别为3.63m3/t和3.14m3/t，瓦斯抽采率分别达到65.8%和68.0%。彻底消除了被保护层的突出危险性。煤层原始瓦斯含量（m3/t）残余瓦斯含量（m3/t）抽采率（％）210.63.6365.839.813.1468.04.保护效果3#煤层的原始透气性系数为0.01m2/(MPa2·d)；3#煤层卸压区域透气性系数平均为20.46m2/(MPa2·d)；被保护层的透气性系数增大2046倍。在被保护区域内Ⅱ030301工作面开采时瓦斯涌出量小于10m3/min，工作面回风量665m3/min，瓦斯浓度0.34%，风排瓦斯量2.261m3/min，抽采瓦斯量7.2m3/min，瓦斯涌出量9.461m3/min。工作面回采时无瓦斯超限现象。5.保护效果分析保护层工作面预抽瓦斯防突技术

首先在8#煤层底板岩巷向上部7＃、8#煤层施工穿层预抽钻孔，效果检验突出危险性消除，施工运输顺槽和回风顺槽时，再施工顺层钻孔进行强化区域抽采。采煤工作面穿层预抽钻孔平面布置图保护层工作面预抽防突技术工作面8#煤层底板岩巷向上部7＃、8#煤层施工穿层预抽钻孔剖面图。瓦斯治理巷及钻场布置：在8#煤层底板岩层设置北翼1080瓦斯治理巷，与8#煤层底垂距28～10m，沿工作面走向贯穿整个工作面，工作面每掘进30m在上下帮交错各施工一个钻场。在钻场内向7#、8#煤层施工穿层预抽消突钻孔。抽采钻孔布置：由南向北工作面右手帮（通常称为上帮）钻场，每个钻场布置两列20个钻孔，左手帮（通常称为下帮）钻场，每个钻场布置两列22个钻孔，孔径Ф94mm。控制范围、终孔点位置：钻孔穿过7#、8#煤层进入7#煤层顶板1m位置，在7#煤层孔底间距为15m，8#煤层孔底间距为12-15m。控制回风顺槽轮廓线上帮20m和运输顺槽下帮20m整个工作面区域。效果检验：采用残余瓦斯含量及残余瓦斯压力指标进行防突措施效果检验。在020703风、机巷每隔45m施工一组效果检验孔，孔径Ф94mm，终孔点位置分别位于020703风巷往下55m；距020703机巷上帮往上45、96m，钻孔沿7#煤层施工至终孔位置。

回采区域7#煤层最大残余瓦斯含量为7m3/t，可解吸瓦斯量为5.1m3/t。效果检验：采用残余瓦斯含量及残余瓦斯压力指标进行防突措施效果检验。在020803风、机巷每隔45m施工一组效果检验孔，孔径Ф94mm，终孔点位置分别位于020803风巷往下40m；距020803机巷上帮往上45、96m，钻孔沿7#煤层施工至终孔位置。回采区域8#煤层最大残余瓦斯含量为7.3m3/t，可解吸瓦斯量为5.7m3/t。

煤巷掘进（采取区域措施后效果检验合格的前提下）在煤巷掘进工作面还应当至少打1个超前距不小于10m的超前钻孔或者采取超前物探措施，探测地质构造和观察突出预兆。验证方法采用钻屑指标法，7#煤层在工作面向前方至少施工3个验证钻孔，钻孔终孔点位于巷道两侧轮廓线2~4m处，钻孔每钻进1m测定其钻屑量，每钻进2m测定k1值。如验证时有一个煤层指标超过规定必须采取补充措施，再进行验证。7#煤层所有掘进作业面本煤层的区域验证均按10m一验证，每预测10m掘进8m留2m超前距离，验证有危险立即采取局部防突措施。掘进工作面防突技术

矿井所有岩巷掘进工作面规程中均要求，每40m进行一次探煤层或地质构造的工作，如探得岩巷掘进工作面与邻近煤层法线距离小于10m时，进行煤层赋存规律分析及突出危险性参数测定，地质预报分析该工作面继续掘进法线距离将继续变小或者揭穿且预测指标超标的情况下，立即停止工作面面掘进，采区防突措施待检验指标合格后才允许掘进；具体见图。当地质分析报告确定工作面与煤层法线距离大于10m或者越来越远时，地测部门只进行探煤掌握煤层走向及倾向变化，确保不误揭煤层。

掘进工作面防突技术

通过考察学习淮南、屯兰、章村等矿区煤层群沿空留巷瓦斯治理技术工程先进经验，结合乌兰煤矿实际，与西安科技大学合作，在7＃煤层Ⅱ020703综采工作面运输顺槽实施了沿空留巷瓦斯治理技术。1.工作面概况Ⅱ020703工作面位于乌兰井田北翼采区二水平三阶段,平均厚1.9m，煤层倾角平均23°，设计走向长度810m，倾斜长220m，邻区煤层均未开采。7#煤层为II类自燃煤层，发火期为57天。7#煤层煤尘爆炸指数为27.8%。Ⅱ020703工作面本煤层最大残余瓦斯含量为7m3/t，可解吸瓦斯量为5.1m3/t，其下俯的8#煤层最大残余瓦斯含量为7.3m3/t，可解吸瓦斯量为5.7m3/t。2.工作面沿空快速留巷技术巷道参数：巷道断面为矩形，净宽4.5m，净高3.2m，采用锚、网支护。顶部6个锚杆，上帮2根锚杆，下帮1根锚杆，全部采用￠20×2200mm左旋螺纹钢锚杆和木托进行永久支护，锚杆间排距分别为800×900mm和1000×900mm。工作面采用沿空快速留巷技术前，对巷道进行了加固：在原有支护基础上，顶板每隔2排增加一排防腐锚索和桁架钢带进行加固，每排3根φ21.8-L8300防腐锚索和HT-RT140/25-L3440水平力桁架钢带；上、下帮均采用MSGLD-335/20左旋螺纹钢锚杆和T140托盘支护，锚杆长度2200mm，间排距：800×900mm，上帮底部加打一根锚杆，下帮加打三根锚杆。2.工作面沿空快速留巷技术顶、底板岩性：直接顶板为平均0.9m厚的深灰色石灰岩，致密坚硬。老顶为平均9.38m厚的深灰色粉砂岩，致密，层理发育，较破碎。底板：直接底为平均5.5m泥质粉砂岩，黑灰色、层理清晰，致密。柔膜墙参数：沿空留巷隔离墙的宽度为1000mm，高度为3000mm,袋铸混凝土隔离墙受到矿压后的应力最大值为1.51×102t/m2，而隔离墙C30混凝土的抗压标准值为3×102t/m2，完全满足巷道在回采过程中的矿压显现要求。泵送混凝土巷旁充填工艺：包括充填泵站与充填点两部分。工艺流程：作业准备→泵送水→泵送砂浆→混凝土搅拌→混凝土运输（预拌）→混凝土泵送→混凝土浇筑→泵送砂浆→泵注完成→清洗管路；由于其中铺设有胶带输送机等大型设备，充填泵站难以布置其中。巷内不具备运顺条件。因此，采用接力泵送方案。将一级泵站放置在Ⅱ020703工作面停采线外100m处。二级泵站设距离一级泵站630m位置。图2-7隔离墙整体布置图在采煤工作面回采过后，沿着工作面1#过渡支架下侧在运输顺槽顶底板设计位置打设惠天锚柱和单体液压支柱（外侧打设单体液压支柱，内侧打设惠天锚柱），形成锚固和支撑双重作用。然后利用惠天锚柱和单体液压支柱固定浇筑充填胶结材料的模袋，在工作面过后不影响工作面回采工作时候浇灌充填胶结材料。

隔离墙俯视图隔离墙整体布置平面图图

锚柱插入地锚栓连接注浆泵顶升至顶锚栓

图

预支撑袋铸结构隔离墙施工效果图1.工作面预抽在Ⅱ020703综采工作面开采前，采取在回风、运输顺槽和北翼1100瓦斯治理巷施工顺层、穿层钻孔对工作面7#及下覆8#煤层进行预抽的区域防突措施。Ⅱ020703综采面7#煤层抽采钻孔设计平面图工作面综合瓦斯治理方法1.工作面预抽对于Ⅱ020703工作面下部8#煤层抽采，采取在Ⅱ020803回风上山和北翼八层中央回风上山施工长距离走向顺层钻孔，对于中间采用不能覆盖的区域，采取在Ⅱ020703工作面机巷、风巷每12m一个钻场施工穿层钻孔，钻孔搭接长度10m，孔径Φ94mm。Ⅱ020703综采面下部8#煤层抽采钻孔设计平面图工作面综合瓦斯治理方法Ⅱ020703综采面下部8#煤层抽采钻孔设计剖面图Ⅱ020703综采面下部8#煤层抽采钻孔设计剖面图2.地面钻井抽采在回采工作面运顺和回顺内侧50m范围布置2排地面钻井，钻井走向布井间距100m，抽采上部2#

、3#煤层卸压瓦斯及采空区瓦斯。当钻井进入工作面采空区200m时，停止抽采，利用钻井采取防灭火措施。经计算上部2#

、3#煤层抽采率达60%以上。2.地面钻井抽采Ⅱ020703地面钻孔抽采情况钻孔号平均流量（m3/min）平均浓度（%）抽采天数单孔抽采量（m3）抽采总量（m3）25#8.757667.116620934171031209627#12.166557.63169296083929#10.2175.37132194071731#6.86261.35453358933#10.0662.346594161635#13.1161.7878147251537#4.4156.582314605939#10.3464.861522334426#2.04911.6113333413716471528#5.638760.936250342330#9.2968.87144192637432#11.2584.715690720034#12.915560111542436#11.4264.5173120047038#13.9462.363978287040#15.2669.2718395539备注：26#钻孔因与Ⅱ020703切眼打透，浓度、流量均低于其他地面钻孔2.地面钻井抽采

在工作面回风顺槽沿走向50m布置一个钻场，每个钻场布置5个高位钻孔，钻孔孔深80-90m，孔径Φ94mm，钻孔设计终孔位置在7#煤层以上9-15m处，前后钻场钻孔搭接长度25m，钻孔控制工作面上部50m范围，钻孔与抽采管连接抽采。3.高位钻孔抽采

在工作面回顺内铺设两路φ450mm的瓦斯抽采管，在埋管最前端安装高1.5m的吸气口立管抽采瓦斯，在抽采立管处架设了保护木垛，两趟管路的吸气口立管交错36m布置。4.上隅角埋管采空区抽