夹江县华头煤矿开采保护层设计方案.docx
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夹江县华头煤矿开采保护层设计方案
夹江县乐华工贸总公司华头煤矿
二采区南翼
开采保护层
设计初步方案
编制：
宋荣飞
二Ο一一年
前言
根据2009年8月四川省经济委员会川经煤炭函［2009］959号文《四川省经济委员会关于同意认定夹江县乐华工贸总公司华头煤矿为煤与瓦斯突出矿井的批复》，华头煤矿被认定为煤瓦斯突出矿井。
由于历史原因，在矿井井田范围内，法定开采煤层为K7煤层，距离K7煤层部法向间距约10米的K6煤层没有划定。
华头煤矿在升格为煤与瓦斯突出矿井后，一直把防突工作作为煤矿安全工作的重中之重来抓，2009年成立防突机构、组建防突专业队伍、建立防突规章制度、进行防突知识培训考核，建设完善瓦斯抽采系统、新建压风自救系统、采区避难硐室和构建安全防护设施。
2010年完成施工采区“三条上山”井巷工程、矿井防治煤与瓦斯突出设计、二采区防突设计，工作面也编制了防突专项设计，委托中国矿大对矿井+754m水平进行了煤与瓦斯突出危险性鉴定，采掘工作面实施“四位一体措施”，安全管理采取安全防护措施。
按照《煤矿安全规程》193条、《防治煤与瓦斯突出规定》40条要求，煤与瓦斯突出矿井防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则，实施区域防突措施要先开采保护层，有保必保。
在开采须家河组K7突出煤层的川主矿区，通过专家考察结论意见和相邻矿多年开采经验，K7下层K6煤层为非（弱）突出煤层，其产状位置符合开采保护层条件，从治理突出灾害角度，把K6煤层作为下保护层进行开采，是最经济也是最有效的措施。
华头煤矿受法定开采煤层的限制，从2010年6月开始进入扩充资源、增划K6保护层的实质性工作，前后陆续完成了储量核实报告、划定矿区范围、占用储量登记、开发利用方案、环境影响评价报告等工作，2011年10月，已向省国土厅提出进行资源价款评估的申请。
矿区范围内K6煤层的开采计划已提到议事日程。
为此，根据矿井现有开拓开采设计、采掘生产布署和采掘抽关系，将本年度下半年掘进计划和2012年采掘抽计划调整到开采K6煤层井巷工程布置上来。
依据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十条，突出矿井首次开采某个保护层时，应当对被保护层进行区域措施效果检验及保护范围的实际考察。
目前矿井拟定的首采保护层工作面为二采区南翼+667m水平K6工作面，本设计针对该区域提出开采保护层和被保护层的巷道布置、开采顺序、抽采钻孔设计、抽采方式选择和效果检验等方案。
并通过实际采掘生产过程，获取相关的技术参数作为依据，综合分析保护效果和保护范围。
由于二采区+667m水平南翼为矿井已开拓范围的突出危险区，开采水平最低，瓦斯含量和瓦斯压力相对较大，试验和考察结果对开采保护层治理矿井突灾害具有代表性和典型意义，其他区域可以此拓展。
一、采区概况
1、采区位置：
二采区位矿井水平运输大巷（+750m水平）以下，现最最低标高+667m。
采区内沿倾向（倾角25度）布置有轨道下山和人行下山，为南北两翼开采，南北两翼分别布置有回风巷，通风方式为两进两回。
向北1202运输巷已掘至川主背斜边界，约950米。
向南+667m南翼底板抽采巷已掘550m（接近F4断层），与+715m底板抽采巷贯通形成通风系统。
二采区沿主要下山南北区域煤层产状变化较大，煤层倾角由北向南逐渐变陡，北翼区域从15度逐渐变化至32度，而南翼区域受F4断层及F2断层影响，倾角由35度变化到41度。
2、煤层顶底板岩性如下图
华头煤矿二采区地层综合柱状图
2.85
灰色细粉砂岩，局部富含小型动物化石：
云南蛤
1.00
灰色细粉砂岩，水平层理
7.50
中厚层深灰色细粉砂岩
0.30
薄层灰白色石英中砂岩，断续波状层理
0.40
薄层灰色粉砂岩，含楔状层理
0.18
薄层砂质粘土岩，水平层理
1.70
浅灰色厚层粉砂岩，底部有小型菱铁矿结核
0.90
灰色细粉砂岩，厚层，顶部有3黄褐色泥岩
1.85
粗粉砂岩，薄层，底部10为黄褐色
2.25
厚层灰色细砂岩
0.16
砂质泥岩
12.00
灰色细砂岩夹几层粉砂岩，中厚层，含大型同质结核，富含水
1.44
深灰色细粉砂岩，局部变成褐色条带
0.40
薄层砂质粘土岩，水平层理
0.80
灰黑色砂质炭质泥岩，中夹3煤线，夹大量植物化石碎片
0.32
厚层深灰色粉砂岩，下部21是灰黑色，局部有根土岩
0.61
煤：
从上到下约10一个分层，煤为亮煤暗煤，夹矸为灰黑色砂质炭质泥岩
1.72
深灰色粉砂岩，厚层状，上部33较软，团块构造，下部夹密集根土岩，有
大型新芦木树干化石
0.95
灰色薄层粉砂岩，底部有大型新芦木树干化石
2.05
深灰色泥质粉砂岩
6.25
浅灰色细粉砂岩夹石英砂岩，局部有根土岩
0.55
砂质，岩质粘土岩夹两条10煤线
0.90
薄层灰色砂质泥岩，夹大量植物化石，有同质结核，20-10，结构乱
1.90
泥质粉砂岩，下部50有根土岩
5.10
浅灰色石英砂岩，有瓦斯异常
0.90
灰色粉砂岩底夹粉砂岩结核，多数扁平状10-15/3-5
0.40
深灰色薄层砂质粘土岩，夹大量剑形或长卵形化石苏铁杉完整及碎片化石，
及少量格子蕨叶和尼尔桑叶完整植物化石，底部有大型新芦木树干形成的包体
0.14
灰黑色细砂岩与炭质泥岩互层，软夹煤线
0.26
灰黑色高岭石粘土岩，上部6半暗煤与炭质泥岩互层
0.72
K7：
8暗煤或炭质泥岩，8灰黑色高岭石夹矸，58亮煤
1.05
深灰色泥质粉砂岩，夹零星植物化石碎片（苏铁杉或新芦木）
0.12
黑色砂质炭质泥岩，底部夹5煤线，偶见黄铁矿结核（长柱形）
2.40
细砂岩，底80有一条1煤线，上部有根土岩，90-120有波状层理
0.12
黄褐色泥岩夹1-3煤线
2.30
灰色厚层粉砂岩，局部夹有树干型煤体
1.30
灰黑色砂质粘土岩，薄层，上下部碎片，中部完整苏铁杉长卵形化石
0.65
灰黑色砂质粘土岩夹大量新芦木叶部及根部化石，顶有1-3煤线
0.65
灰黑色高岭石粘土岩，偶见似层状黄铁矿结核，底部10煤或炭质泥岩
0.65
泥质砂岩，内夹1-2煤线不连续
0.63
K6：
47亮煤，成块性好，16高岭石粘土岩偶见似层状黄铁矿结核
1.00
灰色厚层砂岩
3、运输系统
矿井采用5吨蓄电瓶机车串车运输至二采区上部车场，采区斜巷用绞车串车提升（运煤矸和材料等），区段内运输平巷采用2.5吨蓄电瓶机车运输，采煤工作面采用刮板运输机运输。
采区提升设备：
采用JYB－4＊1.25绞车，电机型号YB280M－6B35,功率55KW。
4、供电系统
井下二采区配电室位置设在中央配电室内，按照掘进碛头局扇的三专要求，选用专用变压器、专用开关、专用线路向各掘进碛头局部通风机供电，实现通风机主线与备用线分离。
5、排水系统
矿井只有一个下山采区即二采区，正常涌水量为80立方米/天，最大涌水量为120立方米/天。
水泵型号为100D16型，额定流量QN＝39.6米3/时，一级额定杨程为19.4米，最大允许吸上真空高度HS为6.9米。
两趟管路，沿二采区人行下山安装，一趟工作，一趟备用。
二、二采区南翼下保护层开采布置
1、二采区南翼开采现状：
二采区最低水平+667m与矿井水平运输大巷+750m垂高相差83m，针对二采区南翼，沿倾斜方向减去运输大巷和回风大巷保安煤柱后约90米，刚好形成一个区段位置。
从二采区轨道下山+667m和+715m开口，沿K6煤层走向往南施工运输巷和回风巷，巷道掘进至采区边界F4断层附近停止，施工开切眼形成通风系统。
2、回采方式：
已形成的二采区南翼K6工作面参数：
走向500米，倾向80米，倾角35～41度，采高0.8～0.9米。
工作面采用走向密集府伪斜后退式开采，支柱单体支柱加铰接顶梁，采空区管理为全部垮落法，工作面煤矸自溜或塘瓷溜槽辅助运输，机巷采用刮板运输机运输，大巷蓄电瓶机车运送。
3、开采布置：
K7煤层机巷（运输巷）沿K7煤层走向布置，比K6运输巷+667m高6.5米垂高，中间采用25～30度溜眼连接，K7回风巷与K6回风巷在同一水平位置上，沿K7煤层布置。
由二采区南翼生产系统情况、地质状况，同时为加强防治煤与瓦斯突出治理，计划开采K6保护层，通过首采保护层工作面开采，摸清开采保护层的规律和有关参数，为矿井全面实施保护层开采计划提供准确可靠的资料，现提出如下采掘施工顺序：
石门揭煤—K6运输巷及回风巷—K6工作面切眼—K6关联溜煤眼和机巷—回采K6A段煤层—施工K7A段溜眼、机巷、开切眼及K7煤层风巷（形成系统）—回采K7A段煤层—回采K6B段煤层—施K7B段机巷—回采K7B段煤层，如此类推。
见华头煤矿二采区南翼+667m水平开采布置图。
三、保护层确定的依据
矿区内可采煤层K7、K6产出于三叠系上统须家河组第二段地层，在川主矿区K7煤层为突出煤层，K6煤层经专家考察结论意见和相邻矿多年开采经验为非（弱）突出煤层，由综合柱状图可知K6煤层位于K7煤层下部层间距为10米左右，开采K6下煤层后，对消除K7煤系地层地应力，增加K7煤层瓦斯放散条件很有帮助，是非常理想的治理突出灾害的措施。
依照《煤治煤与瓦斯突出规定》附录D，开采下保护层的最小间距如下：
当
时，
当
时，
式中：
－允许采用的最小层间距，m；
－保护层的开采厚度，m；
－煤层倾角，度；
－顶板管理系数。
冒落法管理顶板时，
取10，充填法管理顶板时，
取6。
H=10×0.9×cos40°=6.89＜10
显然，K6煤层的层间距符合保护层开采条采。
四、保护范围的确定
1、倾斜方向保护范围
保护层工作面沿倾斜方向的保护范围按卸压角划定，卸压角
与煤层倾角
划定，如下图所示。
由没有本矿井实测的卸压角，参考表1的数据确定。
A—保护层；B—被保护层；C—保护范围边界线
图保护层工作面沿倾斜方向的保护范围
表1保护层沿倾斜方向的卸压角
煤层倾角
（o）
卸压角
（o）
0
80
80
75
75
10
77
83
75
75
20
73
87
75
75
30
69
90
77
70
40
65
90
80
70
50
70
90
80
70
60
72
90
80
70
70
72
90
80
72
80
73
90
78
75
90
75
80
75
8O
根据矿井+667m水平二采区南翼区域煤层赋存条件，K6及K7煤层倾角为36°～41°，开采下保护层K6煤层，确定卸压角
为65°。
由此可见，开采K6煤层后，计划施工的K7机巷不在保护范围内，故需要在完成K6煤层工作面回采巷道后，在K6运输巷内施工顶板穿层钻孔，预抽K7机巷掘进条带煤层瓦斯。
（见二采区+667m水平南翼顶板穿层钻孔设计图）
2、沿走向方向保护范围
按抽掘采布置顺序（如华头煤矿二采区南翼+667m水平开采布置图），K6保护层采煤工作面开始回采到2#溜眼位置停采，走向160米，回采时间需5个月，预抽掘进条带有较充分时间，从预设的K7煤层始采线到1#溜眼范围，卸压比较充分，由《防治煤与瓦斯突规定》附录D，K6保护层采煤工作面对被保护层K7煤层沿走向的保护范围对应于始采线、采止线及所留煤柱边缘位置的边界线可按卸压角
56°～60°划定，参照下图。
B
E
E
C
A
D
D
F
F
E
E
F
B
A—保护层；B—被保护层；C—煤柱；D—采空区；
E—保护范围；F—始采线、采止线
保护层工作面始采线、采止线和煤柱的影响范围图
五、抽采方式选择
1、顶板穿层钻孔预抽煤层瓦斯：
1.1、设计思路：
K6煤层运输巷及风巷已施工完成并形成全风压通风系统，在K6煤层运输巷内（+667南翼底板抽采巷）施工顶板穿层钻孔，预抽K7机巷掘进条带煤层瓦斯。
为减小钻孔工程量，要求控制设计K7机巷上帮8米，下帮10米，机巷倾斜上部未控制部分条带依靠开采K6保护层解决突出问题。
1.2、布孔方式：
孔径65mm,长度要求穿透K7煤层，抽采半径2米，每4米为一组，每组5个孔，按终孔位置控制K7机巷上帮8米，下帮10米。
（见二采区南翼K6运输巷穿层钻孔布置图）
1.3、钻孔工程量及施工组织：
按500米走向巷道，共施工125组，合计625个钻孔按平均13米/孔计算，共8125米。
根据现阶段人员编制情况，每天完成1组钻孔，需4个月工期。
若增加人员，每天完成2组，除去已施工的35个孔，预计70天可完成钻孔施工。
每30个钻孔封孔并连管抽放，工期2天，共42天。
由此从施钻到首批钻孔封孔投抽，直至最后一批钻孔投抽，至少需要110天时间。
2、顺层钻孔：
包括K6顺层孔和K7顺层孔预抽煤层瓦斯，钻孔布置如下图
布孔方式为沿煤层倾向施钻，孔径110mm,从运输巷向回风巷施工，长度要求施工至距回风巷15米位置，抽采半径2.5米，每5米为一个孔，每层煤施工110个孔，两层220个孔，平均70米。
3、高位顶板穿层钻孔抽采卸压瓦斯。
3.1、“K7煤层采后裂隙带”预计
该区域k7煤层厚度约0.55m，采高0.8m，根据k7煤层顶板岩性，预计采后冒落带高度8～12m；裂隙带处在冒落带以上，高度12～30m。
预计K7煤层开采后，冒落角55°，卸压角75°。
K7煤层采后裂隙带预计
3.2、钻孔布置原则：
钻孔要进入采空区裂隙带内，终孔位置不能太高，也不能太低，钻孔还不能被冒落岩石所切断。
只有选择合理的钻孔参数，才能抽出较高浓度的采空区瓦斯，并能有效解决上隅角瓦斯超限等问题。
钻孔布置：
在工作面回风巷中，沿回风巷方向，从开切眼开始退后30m位置布置第一个钻场，然后每间隔20m布置一个钻场。
每个钻场向工作面采空区施工3～5个煤层顶板穿层钻孔（钻孔终孔于裂隙带内），接管抽采采空区瓦斯。
钻孔终孔点距开采煤层顶板垂距：
设计暂取20m，终孔间距为5～10m。
最优数据在瓦斯试抽中确定。
工作面开切眼高位顶板孔布置图
工作面回风巷高位顶板孔布置图
4、采空区埋管抽采瓦斯。
在采煤工作面回风巷抽采管的末端设一弯管，使抽采管口抬高至回风巷顶，并设木垛对其管口进行保护，以此形成埋管口。
接替管安装长度大于10m，并在工作面的后部抽采管上每隔30m（合理数据需在试抽中考察）安装一组三通、控制阀门及埋管口组件，在工作面推进过程中，将埋管口保留在工作面的采空区，通过抽采系统对采空区瓦斯进行抽采。
当工作面推进至下一个埋管口三通处，埋管口已经埋在采空区内3～5m时，将埋在采空区里的前一埋管段控制阀门关闭，打开下一循环的埋管口阀门，以此达到利用埋管不断抽放采空区瓦斯的目的。
见下图：
采空区埋管布置示意图
6、石门揭煤时采用预抽（排）煤层瓦斯方法作为石门揭煤的防突安全技术措施。
①抽（排）放瓦斯钻孔布置在石门工作面和巷道两帮，钻孔布置见下图
石门揭煤抽（排）钻孔布置图
②钻孔直径为ф65mm；钻孔各终孔点间距不大于4m；钻孔必须穿透全煤并进入煤层顶（底）板至少0.5米。
③石门工作面钻孔控制范围：
巷道断面轮廓线外不小于12米；钻孔终孔间距4米。
④采用预抽煤层瓦斯措施时，必须保证封孔质量，封孔长度不小于5米。
⑤石门应避免布置在地质构造复杂和破坏地带。
在未被保护范围内距主断层小于20米的断层影响带内不得布置石门；条件许可时，可利用已有的煤层巷道先掘至石门揭煤地点，然后再以石门与之贯通。
五、抽掘采施工计划安排
根据二采区南翼系统系统情况、地质状况提出抽掘采计划安排：
石门揭煤—K6运输巷及回风巷—K6工作面切眼—顶板穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯—K6顺层钻孔预抽回采区段煤层瓦斯—回采K6保护层—溜煤巷—K7机巷及回风巷—K7工作面切眼—K7顺层钻孔预抽回采区段煤层瓦斯—回采K7采煤工作面。
六、安全有关规定
1、开采保护层时，同时抽采被保护层的瓦斯；
2、由于K6及K7煤层层间距较近，在施工巷道时要采取前探措施防止被保护层初期卸压瓦斯突然涌入保护层采掘工作面或误穿K7突出煤层；
3、正在开采的保护层工作面超前于被保护层的掘进工作面，其超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m，按布置计划安排，K6保护层回采到2#溜眼处时，距离待施工的K7煤层1#溜眼100米，在充分实施了掘进条带煤巷瓦斯后，能确保沿突出煤层掘进的安全施工，同时，在形成通风系统后，也能安全回采；
4、开采保护层时，采空区内不得留有煤（岩）柱。
特殊情况需留煤（岩）柱时，经煤矿总工程师批准，并作好记录，将煤（岩）柱的位置和尺寸准确地标在采掘工程平面图上。
每个被保护层的瓦斯地质图应当标出煤（岩）柱的影响范围，在这个范围内进行采掘工作前，首先采取预抽煤层瓦斯区域防突措施。
当保护层留有不规则煤柱时，按照其最外缘的轮廊划出平直轮廓线，并根据保护层与被保护层之间的层间距变化，确定煤柱影响范围。
在被保护层进行采掘工作时，还应当根据采掘瓦斯动态及时修改。
5、由于矿井首次开采K6保护层，通过对+667m水平南翼区域K7被保护层进行区域措施效果检验及保护范围的实际考察，如果开采下保护层后，K7煤层的最大膨胀变形量大于千分之三，则检验和考察结果可适用于其他区域的K6和K7煤层的开采；否则，应当对每个预计的被保护区域进行区域措施效果检验。
此外，若保护层与被保护层的层间距离、岩性及保护层开采厚度等发生了较大变化时，应当再次进行效果检验和保护范围考察。
本设计在实际实施过程中不断完善。
二〇一一年十月
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