汤桐生1713采区西翼防治煤与瓦斯突出专项设计.docx
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汤桐生1713采区西翼防治煤与瓦斯突出专项设计
国投新集能源股份
刘庄煤矿1713采区〔西翼〕
防治煤与瓦斯突出
专项设计
国投新集工程设计
二○一三年四月
国投新集能源股份
刘庄煤矿1713采区〔西翼〕
防治煤与瓦斯突出
专项设计
院长：
分管院长：
总工程师：
工程负责人：
国投新集工程设计
二○一三年四月
前言
一、瓦斯治理理念
煤与瓦斯突出是煤在地应力、瓦斯压力及其物理力学性质综合作用下产生的一种复杂动力现象。
煤与瓦斯突出灾害随着煤矿开采深度的加大而更加严重，现已成为制约煤矿高产高效开采的主要因素之一。
国内外大量的研究结果证实：
释放煤体应力、抽采煤中瓦斯和提高煤体强度均能有效地防止煤与瓦斯突出。
深部高瓦斯强突出煤层消突技术、强突出煤层揭煤防突技术、保护层开采技术体系等的研究对我国的煤矿开采有重要的现实意义。
从发生瓦斯动力灾害的原始条件着手，对瓦斯动力灾害进行区域性预测，可以更好的指导矿井防突工作；通过采取一系列防突措施把突出危险区变为无突出危险区域，从而到达消除瓦斯动力灾害的目的。
近年来，国投新集能源股份全面实施“先抽后采、监测监控、以风定产〞瓦斯治理的“十二字方针〞和“多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标〞、“将瓦斯作为资源进行抽采〞的瓦斯治本战略。
对强突出煤层100%实现保护后开采，为平安高效开采和矿井的稳产提供条件。
二、设计编制依据
1．?
防治煤与瓦斯突出规定?
（2021年版）；
2．?
煤炭工业矿井设计标准?
（2005年版）；
3．?
煤矿平安规程?
〔2021年版〕；
4．?
煤矿瓦斯抽采根本指标?
〔AQ1026-2006〕；
5．?
中华人民共和国矿山平安法?
；
6．刘庄煤矿提供的地质资料和1713采区西翼补充设计开拓现状资料；
7．1713采区西翼开采补充设计说明书；
8．?
西三采区〔-720m水平〕13-1煤层区域突出危险性预测报告?
。
三、采区瓦斯地质概况
1713采区范围为：
北至13-1煤露头，南至F1-2断层，西起F4断层，东至F20断层，深部到13-1煤层-740m底板等高线。
1713采区又以F8煤层分东西两翼，东翼即F20-F8断层之间块段〔即1713采区东翼〕已生产，西翼北至13-1煤露头，南至F1-2断层，西起F4断层，东至F8断层，深部至13-1煤层-720m等高线，为本次设计防突设计区域。
3/t·燃〕作为分界指标，13-13/t/百米。
?
刘庄矿井扩建工程初步设计平安专篇〔修改版〕?
根据精查地质报告计算得出了13-1煤层瓦斯平均含量，其中13-13333/t。
经煤炭科学研究总院沈阳研究院通过对西三采区（-720m以上）13-1煤层的实测说明7〔m²/Mpa²·d〕，百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.27（d-1），属较难抽放煤层。
根据刘庄矿区开采的经验，开采未受采动影响煤层，煤层处于原始沉积状态，透气性低，抽采瓦斯难度大，因此，需采取具体的瓦斯灾害防治技术，保证矿井平安、高效开采。
四、防突设计的主要内容
〔一〕突出煤层的突出区域划分
刘庄煤矿对突出煤层的突出区域已经进行了划分。
矿井的13-1煤层已鉴定为突出煤层，且1713采区西翼13-1煤层中的采掘活动皆在鉴定报告中的西三采区无突出危险区域范围内。
〔二〕区域综合防突措施
根据?
煤矿平安规程?
一百七十九条和?
防治煤与瓦斯突出规定?
的要求，对有突出危险的新建矿井，突出矿井的新水平、新采区，必须编制防突专项设计，设计应包括开拓方式、煤层开采顺序、采区巷道布置、采煤方法、通风系统、防突设施〔设备〕、区域综合防突措施和局部综合防突措施等内容。
本设计主要内容为：
1．区域突出危险性预测
目前域突出危险性预测已经完成，此设计中只陈述预测结果。
2．区域防突措施
根据区域预测情况，区域防突措施有开采保护层和预抽煤层瓦斯两种方案。
但结合本采区实际情况，1713采区为无突出危险区域，不需要采取区域防突措施。
3．区域验证
无突出危险区的煤层进行采煤作业时，必须采用工作面预测方法进行区域验证。
根据本矿井配置的防突装备、仪表情况，设计采用钻屑瓦斯解吸指标法对回采工作面进行区域验证。
掘进工作面禁止使用区域验证。
〔三〕局部综合防突措施
作为区域综合防突措施的补充，主要包括：
1．工作面突出危险性预测：
采用钻屑解析指标
值或
和钻屑量S值。
2．工作面防突措施：
煤巷掘进工作面和采煤工作面预测结果有突出危险时，采取超前钻孔〔包括超前预抽钻孔和超前排放钻孔〕措施；
3．工作面措施效果检验：
采用钻屑瓦斯解析指标法；
4．平安防护措施：
包括避难所、压风自救系统、反向风门、远距离爆破平安防护措施和瓦斯管理措施。
第一章采区概况及地质特征
第一节采区概况
刘庄煤矿1713采区西翼局部位于矿井西部，1713采区西翼采区范围为：
北至13-1煤露头，南至F1-2断层，西起F4断层，东至F8断层，深部到13-1煤层-740²。
本区地表为淮河冲积平原，地势平坦，村庄较密，沟塘较少，地面标高+24～+26m左右。
八丈河由西北向东南从本区北部地表流过，为农田灌溉之季节性河流。
地表水系不发育。
区内交通方便。
本采区松散层厚度由东南向西北逐渐增厚，厚度变化为390～490m。
13-1煤层全区稳定，为本采区及全矿井的主采煤层之一，北部煤层露头与松散层呈角度不整合接触。
本采区13-1煤层平均煤厚5.96m，地质储量2183.50万吨，可采储量为1255.28万吨。
第二节平安条件
一、地层
刘庄井田属于全隐蔽含煤区，本采区钻探所及地层由老到新依次有石炭系、二叠系、新生界等地层。
分别简述如下:
1．石炭系太原组（C3）
厚约120～140m，由7～13层灰岩与细砂岩、泥岩相间组成，底部常有含铝泥岩，含薄煤2～5层，无经济价值，均不可采。
本采区钻探揭露该地层厚约2.39～10m灰岩中多产海百合茎、腕足类化石，特别蜓科化石甚丰〔12灰〕。
与下伏地层为假整合接触。
2．二叠系（P）
石盒子组。
以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，含煤30余层，含煤系数4.5％。
13-1煤层位于上石盒子组下部，全区发育稳定。
3．新生界
第三系〔R〕在本区南部外围，厚约500m，为粉红、紫红色粉细砂岩，间夹砾岩，与下伏地层为假整合接触。
第四系〔Q〕本区厚度390～450ｍ，分布趋势为东南薄、西北厚，南部古潜山处最薄，按岩性组合简述如下：
下更新统〔Q1〕厚约0～115.7m，岩性可分为底砾层：
厚0～38.1m，由椭圆状、角砾状紫红色石英砂岩组成，偶夹灰岩块。
粘土层：
厚0～87m，灰红色，致密，可塑性强，含钙质，为不透水层。
中更新统〔Q2〕厚0～419m，中细砂间夹粘土层：
厚0～385.25m；粘土层：
厚0～33.5m，灰色，间夹细砂。
上更新统（Q3）厚24.58～45.25m。
为中细砂层夹砂质粘土，具古河床特征，富水性强，为供水目的层。
全新统〔Q4〕厚约27.15～48.20m，为砂质粘土，黄色，夹粉细砂层。
二、构造
本采区浅部地层走向近东西，倾向南。
中深部那么围绕褶曲轴转折成弧形，地层倾向南东到东，采区地层倾角7～10°。
本区褶曲、断层较为发育，本采区主要断层情况如下：
1．F4断层：
位于本采区西部边界，谢桥向斜转折段与向斜鞍部间，走向NE，倾向SE，倾角64～67°，为正断层，落差0～45m，延展长度3.6km，，南部隐伏于推覆体下，有12条地震测线控制，反映明显，断点可靠。
2．F4-3断层：
F4断层的分支，走向NE，倾向SE，倾角69～72°，为正断层，落差0～16m，延展长度0.3km，查明程度为可靠，穿过层位13-1煤～11-2煤。
3．F8断层：
位于本采区东部边界。
为F22断层的分支，正断层，倾角63～67°，走向近SN，倾向W，落差4～36m，延展长度3.6km，171303工作面上下切眼已揭露，断层落差为20～25m。
4．F1-2断层，位于本采区南部，为区域性逆冲断层F1断层组的一支。
走向NWW，倾向SW，倾角0～39°，延展长度>9km，落差变化大，21～280m。
5．F6断层：
正断层，倾角64～67°，走向NW，倾向SE，落差0～23m，延展长度2.5km，钻探有139孔〔31线〕控制，地震有3条测线控制，为查明断层，穿过层位17-1煤～1煤。
6．F6-1断层：
为F6断层分支，倾角49°，走向EW，倾向S，落差0～5m，延展长度0.09km，为可靠断层，穿过层位13-1煤。
此外本采区内还发育有FL8、FL9、FL11、FL21、FL27等断层，落差0～25m间，对13-1煤开采有一定的影响。
三、煤层赋存情况
1．煤层
本井田的煤系地层为石炭、二叠系，其中二叠系的山西组与上、下石盒子组为主要含煤层段。
本采区13-1煤层因受断层和褶曲影响，煤层赋存形态起伏变化较大，厚度较稳定，煤厚在5.96m左右，本区大部煤层含夹矸1～3层，结构较复杂。
结合本区及周边钻孔资料，见表1-2-1，本采区13-1煤层全区稳定，为西三采区的主采煤层之一，13-1，净煤厚5.23m，含1～3层夹矸，夹矸分布不均，多在煤层的中上部，含一层较稳定的炭质泥岩夹矸。
地层倾角一般在7～10°左右，平均8°。
结合本区及周边钻孔资料，本采区13-1煤上距16-1煤层平均93.23m，与下伏11-2煤层平均63.50m。
间距相对稳定，详见表1-2-2。
13-1煤层的顶板以泥岩、砂质泥岩为主，其它为粉、细砂岩，偶夹炭质泥岩，富含植物化石碎片，老顶为厚层粉砂岩。
本采区局部地段有伪顶，岩性主要为炭质页岩、含炭泥岩。
直接底板为泥岩、砂质泥岩，灰色，致密，性脆，含植物化石碎片。
向下为厚层发育的细砂岩。
总之，本采区13-1煤厚度变化小，夹1～3泥岩或炭质泥岩夹矸，煤层结构复杂，全区稳定可采。
顶底板均为泥岩、砂质泥岩，上距16-1煤和下距11-2煤较远，煤岩层比照可靠。
2．煤质
13-1煤，黑色，局部黑褐色，上部块状为主、下部粉末状为主，少量粒状，弱玻璃光泽为主，沥青光泽次之。
煤岩成分暗煤为主，少量亮煤，夹镜
煤条带，暗淡型～半亮型煤，断口平坦。
根据勘探资料煤质分析报告，13-1煤层主要煤质指标如下：
原煤灰分20.61％，精煤挥发分900℃4％，容重为1.37g／cm３。
煤类以气煤为主，伴
少量1/3焦煤和1/2中粘煤。
13-1煤层属中灰、特低硫、特低磷煤，广泛适用于发电、炼焦、化工、锅炉和生活用煤。
1713采区〔西翼〕及附近钻孔揭露煤层结构统计表
表1-2-1
勘探线
孔号
煤层结构
倾角（°）
真厚（m）
底板标高（m）
备注
29
171
5
采区东部
29
136
3
采区南部
29
西水1
15
采区东侧
31
13-1
20
采区南部
31
139
4
采区西侧
31
173
5
采区西部
31线西
66-27
12
采区西测
31线
66-26
0.58〔0.51〕3.99〔0.10〕0.57〔0.32〕
5
采区外测
平均
3-20
刘庄煤矿1713西翼采区〔13-1煤〕煤层特征表
表1-2-2
煤
层
号
煤层厚度
平均
层间
距m
夹矸
煤层
结构
稳定性
可
采
性
顶底板岩性
煤层比照可靠
性
平均容重
t/m3
最小～最大
顶板
底板
平均
层数
岩性
16-1
1～3
泥岩
炭质泥岩
简单
～
复杂
稳定
全区
可采
泥岩
砂质泥岩
细砂岩
粉砂岩
泥岩
砂质泥岩
可靠
13-1
11-2
直接顶板稳定性分类表
表1-2-3
煤层
实测值
直接顶板分类
岩性
抗压强度
岩性
厚度（m）
稳定程度
13-1
泥岩
泥岩、砂质泥岩、为主。
不稳定
粉砂岩
不稳定～中等
中等～稳定
据刘庄矿矿井地质报告〔2021〕
3．煤层顶底板
13-1煤顶、底板岩性以粉砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，抗压强度较低，属不稳定～中等稳定类。
工程地质条件均比拟差，巷道支护和顶板管理较为困难，详见表1-2-3。
四、瓦斯赋存情况
1．瓦斯风化带
本井田自基岩界面向下垂深平均约210m为瓦斯风化带与瓦斯带的分界面。
本采区实际上处于瓦斯风化带与瓦斯带之间。
据刘庄矿矿井地质报告，瓦斯风化带下限值，以瓦斯含量〔2.0m3/t·燃〕作为分界指标，13-1煤层平均深度594m，瓦斯含量随深度加深而递增的平均梯度为1.33m3/t/hm。
2．瓦斯含量
1713采区西翼尚无实测瓦斯含量，采用1713采区东翼统计数据。
详见表1-2-4。
刘庄煤矿主要煤层煤层采（掘）工作面瓦斯含量统计表
表1-2-4
序号
位置
煤层底板标高〔m〕
瓦斯含量〔m3/t〕
备注
1
中央回风石门
-762
5.29
13-1煤层
2
东三回风一大巷
-695
3.62
13-1煤层
3
西三回风石门
-736
4.91
13-1煤层
4
西三13煤回风大巷
-578
1.984
13-1煤层
5
171303轨道顺槽1220m处
-626
2.443
13-1煤层
6
171303轨道顺槽1105m处
-597
2.336
13-1煤层
7
171303轨道顺槽1130m处
-632
2.4017
13-1煤层
8
171303轨道顺槽982m处
-707
2.359
13-1煤层
9
西三胶带二大巷东段
-683
2.1655
13-1煤层
10
171304第四提料斜巷外段〔270m〕
-760
3.5104
13-1煤层
11
回风三石门
-640
6.5777
13-1煤层
12
171303轨道顺槽50m处
-650
2.9945
13-1煤层
13
171304轨道顺槽110m
-665.4
3.7997
13-1煤层
14
171304轨道顺槽246m处
3.9621
13-1煤层
15
171304轨道顺槽距拨门406m处
-653
4.5828
13-1煤层
16
171304轨道顺槽延面切眼150m处
-652
3.9773
13-1煤层
17
171304轨道顺槽里段30m处
-633.9
4.2944
13-1煤层
18
171304轨道顺槽里段66m处
-658.3
4.3955
13-1煤层
19
171304胶带顺槽68m处
-692.3
4.3662
13-1煤层
20
171304胶带顺槽距拨门129m处
-688.7
4.1832
13-1煤层
21
171304胶带顺槽里段190m处
-609.8
3.8798
13-1煤层
22
171302轨道顺槽EG3点向前134m处
-634
5.298
13-1煤层
23
171304胶带顺槽4#钻场M7点前42m处
-677.5
4.9867
13-1煤层
24
171304胶带顺槽3#钻场M7点前6m处
-683
3.9504
13-1煤层
3．瓦斯压力
1713采区瓦斯压力实测值为0.7MPa〔-736m〕。
4．矿井瓦斯等级
33/t，矿井为煤与瓦斯突出矿井，13-1煤层为突出煤层。
〔二〕煤与瓦斯突出危险
1．实测瓦斯煤层突出危险性资料，详见表1-2-5。
2．区域预测结果
煤炭科学研究总院沈阳研究院受国投新集能源股份刘庄煤矿的委托，鉴定认为：
西三采区（上至F4断层，下至-720m水平，西起F1断层、东至F20断层保护煤柱线）区域为无突出危险区域。
刘庄煤矿西三13-1煤层瓦斯根底参数测定表
表1-2-5
煤层
西三13-1煤层
瓦斯压力MPa
0.70〔-736m〕
钻屑解析指标
SMAXkg/m
4.10
Δh2
80
K
4.05
D
-23.38
吸附常数
a
13.0152
b
1.2868
钻孔瓦斯涌出初速度q〔L/min〕
4.10
瓦斯放散初速度指标ΔP
6.07
f
1.50
煤层破坏类型
Ⅱ类-Ⅲ类
煤的自燃倾向等级
自燃
煤的挥发份〔Vr％〕
43.43
煤尘爆炸系数
强爆炸性
石门揭煤瓦斯涌出量m3/min
1.72
透气性系数〔m2/Mpa2·d〕
0.00327
百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数（d-1）
0.27
残存瓦斯含量〔m3/t〕
2
瓦斯含量〔m3/t〕
4.91〔171301面〕
第二章采区设计的根本情况
第一节开拓方式和采区巷道布置
一、采区开拓
1713采区西翼与西风井井底车场采用大巷连接方式，充分利用矿井原有开拓系统，通过轨道及胶带机联络大巷与东区井底车场联系，西区煤炭由东、西区胶带机联络大巷运往东区主井煤仓。
同时以一条西三13-1底板轨道大巷、一条西三煤层回风大巷，增加一条西三13-1煤层底板胶带机二大巷，共3条大巷作为开拓系统主干巷道进入采区。
二、采区巷道布置
1．171305工作面第五提升斜巷
从西三13-1煤底板轨道大巷拨门掘进第五提升斜巷，形成通风及辅助运输系统，全长约404m，为全岩巷道。
2、171305工作面第六提升斜巷
从西三13-1煤底板轨道大巷拨门掘进第六提升斜巷，与轨道顺槽透形成辅助运输系统。
3．171305工作面
〔1〕171305轨道顺槽：
从第六提料斜巷拨门掘进171305轨道顺槽，巷道方位角302°，171305工作面轨道顺槽全长3398m。
〔2〕171305胶带机顺槽：
从第五提料斜巷拨门掘进171305胶带机顺槽，巷道方位角302°，171305工作面胶带顺槽全长3265m。
〔3〕171305工作面切眼：
先掘出切眼，安装支架时再根据综采设备尺寸将切眼扩大到要求的规格。
171305工作面切眼长320m。
〔4〕171305高抽巷：
从171305轨道顺槽回风联巷拔门掘进高抽巷，全长3250m，为岩巷，巷道方位302°，距煤层顶板35～40m。
4．171306工作面
〔1〕171306轨道顺槽：
从第五提料斜巷拨门掘进171306轨道顺槽。
〔2〕171306胶带机顺槽：
从第五提料斜巷拨门掘进171306胶带机顺槽。
〔3〕171306工作面切眼：
先掘出切眼，安装支架时再根据综采设备尺寸将切眼扩大到要求的规格。
171306工作面切眼长320m。
〔4〕171306高抽巷：
从171306轨道顺槽回风联巷拔门掘进高抽巷。
5．171307工作面
〔1〕171307轨道顺槽：
171306工作面回采时，171306轨道顺槽沿空留巷作为171307轨道顺槽。
〔2〕171307胶带机顺槽：
从第四提料斜巷拨门掘进171307胶带机顺槽。
〔3〕171307工作面切眼：
先掘出切眼，安装支架时再根据综采设备尺寸将切眼扩大到要求的规格。
〔4〕171307高抽巷：
从171307轨道顺槽回风联巷拔门掘进高抽巷。
第二节开采方案及采掘工艺
一、开采方案
结合1713采区西翼F8断层受倾向切割间尺寸、工作面可采倾斜宽度等实际情况，1713采区西翼开采分为二个区段，首采面为171305工作面，171306工作面为接替块段。
二、采煤方法
为最大限度提高资源的回收率，区段间采用沿空送巷的方式，区段间的间距不大于10m〔纯煤柱为7m〕。
1713采区西翼先开采走向工作面，当推进到倾斜布置位置时，由走向转为倾斜面开采。
采用综合机械化采煤工艺，一次采全高，全部冒落法管理采空区，工作面实行采后注浆，采区内只安排一个综采工作面进行回采。
三、掘进工艺
煤巷采用综合机械化掘进施工工艺；岩巷采用炮采和综合机械化掘进施工工艺。
四、支护形式
岩巷掘进：
一般地点采用锚网喷，喷射砼、锚索支护；
煤巷掘进：
正常地段采用锚网支护为主，巷压较大地段采用强力锚杆配合金属网支护或增加锚索加强支护，顶板破碎地段采用架金属棚支护；过断层地段采用金属支架、水泥背板并喷浆支护；
各具体地点施工必须根据巷道断面及具体条件，选择适宜的支护形式，对有关材料规格及支护参数进行计算后实施。
五、移交生产
移交时建成171305一个工作面综采工作面生产，即到达设计生产能力400万t/a。
同时建成移交的工程包括：
运输、通风、排水、供电系统，生产管理、平安管理系统、各平安设备及平安检测监控系统亦应同时建成投产。
第三节通风系统
一、通风方式及通风系统
刘庄西区采用中央并列抽出式通风，一进一回，即西区进风井进风，西区回风井回风。
西区进风井〔Φ=7m，S净=m2，V允=8m/s〕进风能力为m3/s，中央风井（Φ=6m，S净=m2，V允=15m/s）回风能力m3/s。
矿井东区入西区实际进风量60m3/s，矿井西区最大通风能力m3/s。
该采区的通风系统为：
新鲜风流由西区进风井（副井）进入井下→一号、二号轨道石门→西三采区轨道、皮带二石门→用风地点→西三13-1煤煤层回风大巷→一、二号回风石门→西区回风井→地面。
二、采掘工作面及硐室通风
采区设有采区变电所。
采掘工作面与采区变电所及其他硐室均实行独立通风，设计无任何2个工作面之间串联通风。
根据采区煤层赋存特点，工作面布置为走向长壁式回采，因此采面通风方式为“U〞型通风。
各掘进工作面利用局扇及导风筒将新鲜风流压入到迎头，乏风那么经巷道排入采区回风道中。
三、风量及风速
根据矿井接替方案，预计1713采区西翼所需风量为88m3/s。
1713采区〔西翼〕进回风巷断面风量、风速表
表2-3-1
序号
巷道名称
断面（m2）
风量
（m3/s）
风速
（m/s）
最低允许
风速（m/s）
最高允许
风速（m/s）
1
西三13-1煤胶带二大巷
31
6
2
西三13-1底板轨道大巷
75
6
3
西三13-1煤煤层回风大巷
85
8
4
171305工作面胶带顺槽
40
6
5
171305工作面轨道顺槽
40
6
四、通风设备
西区回风井安装两台ANN-2884/1400N型轴流式风机作为永久主扇，一台使用，一台备用，电机功率1600KW，电机型号T-K1600-6/1430，转速1000r/min，采用调节叶片角度方式调整风量和负压。
第四节压风系统
一、压风设备
³/min，0.8MPa。
主干管采用D325×8无缝钢管。
本采区为矿井正常接替采区，采区投产后，掘进头数量并未增加，用气量也不增加，所以压风设备满足要求。
二、管路系统
地面压风机房→西区进风井→〔D325×8mm〕→西区西翼-747轨道石门〔D273×7mm〕→西三13-1煤层底板轨道大巷→提升斜巷→各掘进工作面。
西三大巷和采区的压风管路选择如表表2-4-1。
西三大巷和采区的压风管路选择
表2-4-1
地点
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