精品新集二矿保护层开采方案优化与二水平瓦斯抽放技术可研报告.docx

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精品新集二矿保护层开采方案优化与二水平瓦斯抽放技术可研报告

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国投新集能源股份有限公司

新集二矿保护层开采方案优化

与二水平瓦斯抽放技术

研究报告

国投能源股份有限公司新集二矿

1矿井概况1

1.1井田构造1

1.2煤层与煤质2

1.3开拓开采状况及储量4

1.4矿井通风、瓦斯情况5

1.5突出危险性鉴定及突出情况6

1.6煤层自燃、煤尘爆炸性及涌水情况7

2矿井突出煤层瓦斯参数9

2.113-1煤层瓦斯基本参数9

2.28煤层瓦斯基本参数11

2.36-1煤层瓦斯基本参数14

3矿井一水平保护层开采方案17

3.1开采8煤层保护6-1煤层17

3.2开采11-2煤层保护13-1煤层26

4保护层开采效果考察32

4.1效果考察指标32

4.2考察方法34

4.32611被保护层工作面保护效果考察35

4.4W1607被保护层工作面保护效果考察40

4.51306被保护层工作面保护效果考察42

5工作面煤层瓦斯治理及效果分析45

5.16-1煤、8煤、13-1煤瓦斯治理措施45

5.26-1煤、8煤、13-1煤瓦斯治理效果考察46

5.36-1煤、8煤、13-1煤瓦斯治理措施的优化50

5.46-1煤、13-1煤钻孔有效抽放半径67

6二水平瓦斯治理规划70

6.1瓦斯治理方法选择70

6.2保护层开采及卸压瓦斯强化抽采设计75

6.3预抽煤层瓦斯设计89

6.4工作面回采期间的瓦斯治利93

7结论与建议94

7.1结论94

7.2建议98

1矿井概况

国投新集公司新集二矿位于安徽省淮南市凤台县城西约12km处，其东与新集三矿井田接壤，西与新集一矿毗邻。

矿区地势平坦，属平原地貌，地表标高为+18～+24m。

地表水系主要由西淝河、花家湖及其支流构成。

矿区交通便利，可通过铁路、公路和水路外运。

矿井于1996年10月建成投产，设计生产能力为150万t/a，改扩建后生产能力为300万t/a。

2005矿井实际产量309万t。

1.1井田构造

新集二矿位于淮南复向斜谢桥向斜南翼，颍凤区阜凤推覆构造中段，构造线方向近东西。

本井田构造情况如图1-1所示。

图1-1花家湖井田构造示意图

由于受自南向北的应力作用，形成了以阜凤逆冲断层为主体的自南向北的上叠式推覆构造，推覆体主要由下元古界、寒武系、奥陶系及部分石炭二叠系地层组成，地层走向近东西，总体倾向北，倾角变化大，局部倒转。

推覆体内分支断层发育，有F02、F03断层，二者走向近东西，大致平行，这些断层在剖面上显示浅部倾角陡，向深部倾角变缓，呈叠瓦状合并到一个主推覆面上。

阜凤逆冲断层是一个宽缓圆滑的曲面，总体趋势向南倾斜，沿倾向产状变化大，前锋带倾角较大，60°～80°，中间带倾角逐渐变缓，一般在5°左右，局部地段近水平或倾向北，局部被寿县老人仓断层切割。

区域性大断层阜凤逆冲断层位于本区南部，对全区的构造具有明显的控制作用，受其影响，煤系地层倾角变化较大，岩石多受挤压变形，裂隙发育，岩层破碎，滑面丰富且发育，并伴有一系列小型逆冲断层及褶皱，地层中无论在走向上还是倾向上缓波状起伏较大。

根据陆地和水面地震勘探资料反映，由于受南北主构造应力的影响和控制，次一级褶皱构造、中小断层及小褶曲较为发育。

井田内岩浆活动轻微，基本上没有或很少有岩浆侵入。

构造类型比较复杂，原地系统以高角度正断层为主（7条），逆断层很少（2条）。

总体为一单斜构造，浅部地层产状平缓，一般5～10°；中部10～20°，往深部倾角逐渐增大，一般为25～30°。

1.2煤层与煤质

主要煤层赋存于二叠系山西组及上、下石盒子组7个含煤段中，从上至下分别为：

13-1、11-2、11-1、9上、9、8、7-2、7-1、6-1上、6-1、5-2、4-2、1上、1煤层，煤层总厚度31.31m，煤系地层综合柱状见图1-2；其中全井发育稳定主要可采煤层共5层，从上往下依次为13-1煤、11-2煤、8煤、6-1煤、1煤，总厚度21.42m。

各可采煤层特征见表1-1。

除11-2、6-1煤层灰份大于25%，属中～富灰煤外，其余各可采煤层灰分均小于25%，属于低～中灰煤；煤尘爆炸指数为36.94～38.16%，煤层自然发火期为3～6个月；煤质以特低硫、特低磷、富焦油及中高发热的1/3焦煤为主，其次为气煤。

13-1为气煤、11-2、8、6-1煤层为1/3焦～气煤。

发热量均大于25MJ/kg，呈由浅到深随变质程度增高而增大趋势。

表1-1新集二矿可采煤层特征表

煤层名称

煤厚（m）

极值/平均值

层间距（m）

极值/平均值

稳定性

夹矸层数

煤层结构

顶底板岩性

顶板

底板

1

1.13～5.80/3.39

94～138/108

15～61/33

51～138/83

66～92/76

稳定

1

简单

泥岩

泥岩、砂质泥岩

6-1

1.02～8.19/3.36

较稳定

1

简单

泥岩、炭质泥岩

砂岩

8

1.59～4.73/3.41

稳定

0

单一

泥岩、砂质泥岩

泥岩、砂质泥岩

11-2

2.29～4.84/3.64

稳定

1～3

简单

细砂岩、中砂岩

泥岩、砂质泥岩

13-1

1.5～12.79/6.06

较稳定

1～2

简单

泥岩、砂质泥岩

泥岩、砂质泥岩

1.3开拓开采状况及储量

矿井开拓方式为立井、主要石门、集中运输大巷、分区石门开拓，采用主、副、风三立井开拓，一水平标高为-550m，二水平标高为-750m，辅助水平为-450m，现延深至-650m水平。

目前生产集中在-320m～-600m阶段。

矿井两翼开采，共分三个采区，即中央采区（东、西两翼）、东翼采区、西翼采区，其中东采区暂无采掘工作面，采掘工作面分布在中央采区及西翼采区。

煤层开采顺序为先采8、11-2、6-1煤，最后采13-1煤。

煤层采用走向长壁综合机械化开采，一次采全高，全部垮落法管理顶板，边角煤采用走向长壁炮采工艺回采。

全井田东西走向长约为6km，南北宽为5km，面积为30km2。

截止2005年底，全矿井-1000m水平以上地质储量48486.6万t、工业储量25658.7万t、高级储量10554.1万t，可采储量15673.2万t。

其中-550m以上，地质储量11129.0万t、工业储量9877.0万t、高级储量4121.5万t、可采储量5638.5万t。

-800m水平以上地质储量22337.4万t、工业储量13020.8万t、高级储量6402.0万t、可采储量8367.0万t。

全矿井主采煤层地质储量中，13-1煤层8647.8万t；11-2煤层5294.2万t；8煤层5252.1万t；6-1煤层4819.1万t；1煤层7000.2万t。

1.4矿井通风、瓦斯情况

1.4.1矿井通风

矿井通风方式为中央并列通风方式，副井、主井进风，中央风井回风。

通风方法为抽出式，矿中央风井装有2台同等能力的轴流式风

矿井具备完整独立的通风系统，实行分区通风，各区域均设置专用回风上山，回风直接进入矿井总回风巷。

目前，矿井总进风量为17804m3/min，矿井总回风量达18575m3/min，矿井总等积孔为6.54m2，负压3385Pa。

1.4.2瓦斯基本情况

主采煤层6-1煤层、8煤层、11煤层和13-1煤层，瓦斯压力和含量都比较大，其中6-1煤层、8煤层和13-1煤层具体突出危险性，6-1煤层测定的最大瓦斯压力为1.92MPa（标高-490m），煤层瓦斯含量为7.42m3/t，8煤层测定的最大瓦斯压力为2.7MPa（标高-611.9m），煤层瓦斯含量为9.78m3/t，11煤层测定的最大瓦斯压力为2.11MPa（标高-631m），13-1煤层测定的最大瓦斯压力为1.92MPa（标高-487.8m），煤层瓦斯含量为7.33m3/t。

根据2005年度瓦斯等级鉴定结果，见表1-2，绝对瓦斯涌出量为41.55m3/min，相对瓦斯涌出量为6.48m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。

表1-2矿井瓦斯涌出及等级鉴定

年度

CH4绝对量

CH4相对量

生产区

准备区

采空区

审定结果

/m3/min

/m3/t

/%

/%

/%

1997

25.26

5.40

69.95

18.84

11.21

低

1998

55.173

7.85

77.7

12.3

10

低

1999

34.66

11.3

52.74

12.06

35.19

高

2000

35.86

5.92

56.05

30.06

13.89

高

2001

32.91

6.11

66.21

25.92

7.87

高

2002

45.06

6.52

47

23

30

高

2003

34.18

5.26

56

27

17

突出矿井

2004

39.83

6.30

62

30

8

突出矿井

2005

41.55

6.48

63

27

10

突出矿井

1.5突出危险性鉴定及突出情况

1.5.1突出危险区域划分

2002年，抚顺煤科分院对矿井中央采区二水平区域（-550m～-750m）突出危险性进行了划分，划分结果见表1-3。

表1-3二水平突出危险区域划分

煤层

无突出危险区

突出威胁区

突出危险区

13-1煤层

-550m以浅

-550m～-600m

-600m～-750m

8煤层

-550m以浅

-550m～-750m

6-1煤层

-550m以浅

-550m～-600m

-600m～-750m

13-1煤：

-550m以浅（地质剖面01～013勘探线之间）为无突出危险区，-550m～-600m为突出威胁区，中央采区-600m～-750m为突出危险区。

8煤：

-550m以浅（南以8煤层-450m等高线为界，北以8煤层-550m等高线为界，西至1勘探线，东以09勘探线为界）为无突出危险区，中央采区-550～750m为突出危险区。

6-1煤：

-550m以浅（南以6-1煤层-450m等高线为界，北以6-1煤层-550m等高线为界，西至1勘探线，东以09勘探线为界）为无突出危险区，-550m～-600m以浅为突出威胁区，中央采区-600m～-750m以浅为突出危险区。

2004年河南理工大学对矿井瓦斯地质情况进行了研究，认定二水平可采煤层13-1、8、6-1煤层具有突出危险性。

1.5.2矿井突出情况

在矿井采掘过程中共发生过6次瓦斯动力现象，全部发生的8煤层，突出煤量和瓦斯量情况见表1-3。

1）98年10月21日，1812工作面距主石门480m，压出煤85t，瓦斯1370m3。

2）98年10月31日，1812工作面距主石门460m，压出煤90t，瓦斯1140m3。

3）98年11月1日，1812工作面距主石门455m，压出煤50t，瓦斯1820m3。

4）2003年1月8日，-650中央轨道石门揭8煤压出煤53t，瓦斯1296m3。

5）1812下山掘进压出煤6.3t，瓦斯43m3。

6）东1810机巷（-583.0）掘进至970米时压出煤13t，瓦斯60m3。

表1-3动力现象统计表

序号

时间

地点

煤量/t

瓦斯量/m3

1

98.10.21

1812工作面距主石门480m

85

1370

2

98.10.31

1812工作面距主石门460m

90

1140

3

98.11.1

1812工作面距主石门455m

50

1820

4

2003.1.8

-650中央轨道石门揭8煤

53

1296

5

1997.2.11

1812下山掘进

6.3

43

6

1999.10.8

东1810机巷（-583.0）掘进至970m

13

60

1.6煤层自燃、煤尘爆炸性及涌水情况

矿井开采的各煤层均具有自然发火倾向性，属Ⅱ级易自燃煤层，自然发火期3～6个月。

煤尘具有爆炸性，爆炸指数为35.47％～44.3％。

矿井水文地质类型为中等偏复杂。

根据一水平（-550m）采掘揭露资料和二水平的-650m辅助水平地质及水文地质条件研究，全矿井（-550m、-650m二个水平）正常涌水量699m3/h。

矿井充水及影响煤层开采的主要水源有：

煤层顶板砂岩水、构造裂隙水、顶底板灰岩水、封闭不良钻孔水、老塘及老硐水。

矿井各套系统安装齐全，包括KJ90安全监控系统、KSS-200型矿井火灾束管微机监控系统、制氮灭火系统和防尘系统，这些系统的安装为防止煤矿灾害事故的发生提供了保障。

2矿井突出煤层瓦斯参数

矿井发育稳定的主要可采煤层共5层，从上往下依次为13-1煤、11-2煤、8煤、6-1煤和1煤，其中13-1煤、8煤和6-1煤具有突出危险性。

2.113-1煤层瓦斯基本参数

煤层瓦斯压力实测值见表2-1。

表2-1实测瓦斯压力汇总表

序号

测压点位置

埋深/m

标高/m

压力值/MPa

1

-550回风反上山上口绞车房

437

-417

1.2

2

1308机巷240m处

510

-490

1.92

3

-650m中央轨道石门

643

-623

1.6

4

1308机巷284m处

507.7

-487.7

1.5

5

-650m皮带石门

670

-650

1.45

根据煤层瓦斯赋存规律，在地质构造变化不大的区域，煤层瓦斯压力随埋深的增加成线性关系。

在测定煤层瓦斯压力的过程中，由于封孔质量、钻孔水和地质构造等原因很难准确测出煤层的瓦斯压力，下面以瓦斯压力与埋深成线性关系为基础计算不同煤层标高处的煤层瓦斯压力。

由表可得埋深与煤层瓦斯压力的关系图2-1。

根据统计分析，煤层瓦斯压力与埋深的变化关系为：

P＝0.0018×H+0.42

式中：

P煤层瓦斯压力，MPa；

H煤层的埋藏深度，m。

采用间接法计算13-1煤层瓦斯含量。

表2-213-1煤层工业分析及吸附结果

采样地点

工业分析结果

真密度/t/m3

视密度/t/m3

空隙率/%

吸附常数

水份/%

灰份/%

挥发份/%

a

b

1308风巷

2.98

15.5

38.52

1.47

1.34

8.84

21.956

0.5986

-550回风反上山上口绞车房

1.85

18.65

39.56

1.47

1.35

8.16

20.47

0.6051

注：

计算中采用两者的平均值。

将煤层瓦斯压力、工业分析和吸附结果等参数带入瓦斯含量计算公式可得到煤层瓦斯含量随埋深的关系曲线，见图2-2。

根据煤层瓦斯压力梯度线和煤层瓦斯含量曲线可以得到各煤层标高处煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量推算值，见表2-3。

表2-313-1煤层瓦斯压力和瓦斯含量推算值

煤层标高

瓦斯压力/MPa

瓦斯含量/m3/t

备注

-410

1.19

4.26

一水平

-440

1.25

6.13

-470

1.30

6.82

-500

1.36

7.47

-530

1.41

8.02

-550

1.45

8.38

-590

1.52

9.04

二水平

-620

1.57

9.41

-650

1.61

9.82

-680

1.68

10.19

-710

1.73

10.51

-750

1.81

11.03

-780

1.86

11.34

三水平

根据表2-3可知，13-1煤层一水平最大瓦斯压力为1.45MPa，最大煤层瓦斯含量为8.38m3/t；二水平煤层瓦斯压力为1.52～1.81MPa，煤层瓦斯含量为8.38～11.03m3/t，进入第二水平，煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量逐渐升高。

13-1煤层平均厚度为6.06m，在开采过程中煤层瓦斯涌出量较大，因此为了保证矿井13-1煤层的安全回采，应提前制定瓦斯治理技术规划，采用区域瓦斯治理方法，变高瓦斯突出煤层为低瓦斯非突出煤层，实现13-1煤层的安全高效开采。

2.28煤层瓦斯基本参数

煤层瓦斯压力实测值见表2-4。

表2-48煤层实测瓦斯压力汇总表

序号

测压点位置

埋深/m

标高/m

压力值/MPa

1

-650m8煤皮带下山

609.5

-589.5

1.6

2

-650m中央轨石门

631.9

-611.9

2.7

3

-550m回风反上山下口

580.4

-560.4

1.4

4

-650m轨道石门

650

-630

1.72

由表可得埋深与煤层瓦斯压力的关系图2-3。

根据统计分析，煤层瓦斯压力与埋深的变化关系为：

P＝0.0069×H－2.59

式中：

P煤层瓦斯压力，MPa；

H煤层的埋藏深度，m。

8煤层的瓦斯压力梯度取0.0069MPa/m，因有效瓦斯压力值较少，无法直接确定瓦斯压力梯度值。

但根据实践经验，在含煤地层，随着埋深的增加，单位深度内瓦斯压力增加值与静水压力相当，即煤层瓦斯压力变化梯度取0.0069MPa/m。

采用间接法计算8煤层瓦斯含量。

表2-58煤层工业分析及吸附结果

采样地点

工业分析结果

真密度/t/m3

视密度/t/m3

空隙率/%

吸附常数

水份/%

灰份/%

挥发份/%

a

b

1812采面

2.5

17.6

38.13

1.47

1.34

8.84

20.873

0.9186

-550回风反上山下口

3.01

19.15

35.35

1.52

1.31

13.82

15.332

1.5737

注：

计算中采用两者的平均值。

将煤层瓦斯压力、工业分析和吸附结果等参数带入瓦斯含量计算公式可得到煤层瓦斯含量随埋深的关系曲线，见图2-4。

根据煤层瓦斯压力梯度线和煤层瓦斯含量曲线可以得到各煤层标高处煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量推算值，见表2-6。

表2-68煤层瓦斯压力和瓦斯含量推算值

煤层标高

瓦斯压力/MPa

瓦斯含量/m3/t

备注

-410

0.38

5.12

一水平

-440

0.59

6.29

-470

0.79

7.16

-500

1.07

7.82

-530

1.21

8.41

-550

1.34

8.73

-590

1.62

9.35

二水平

-620

1.83

9.76

-650

1.96

10.11

-680

2.24

10.42

-710

2.45

10.74

-750

2.72

11.12

-780

2.93

11.39

三水平

根据表2-6可知，8煤层一水平最大瓦斯压力为1.34MPa，最大煤层瓦斯含量为8.73m3/t；二水平煤层瓦斯压力为1.62～2.72MPa，煤层瓦斯含量为8.73～11.12m3/t。

矿井发生的几次煤与瓦斯突出都发生在8煤层，进入第二水平，煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量逐渐升高。

为了保证矿井8煤层的安全回采，应提前制定瓦斯治理技术规划，采用区域瓦斯治理方法，变高瓦斯突出煤层为低瓦斯非突出煤层，实现8煤层的安全高效开采。

2.36-1煤层瓦斯基本参数

煤层瓦斯压力实测值见表2-7。

表2-76-1煤层实测瓦斯压力汇总表

序号

测压点位置

埋深/m

标高/m

压力值/MPa

1

-550西大巷1＃钻场

534.8

-514.8

1.3

2

-650中央轨道石门

630.6

-610.6

2.75（含水）

3

-550西翼运输巷118m

549.3

-529.3

1.6

4

-550西大巷140m处

550.8

-530.8

0.49

由表可得埋深与煤层瓦斯压力的关系图2-5。

根据统计分析，煤层瓦斯压力与埋深的变化关系为：

P＝0.007×H－2.47

式中：

P煤层瓦斯压力，MPa；

H煤层的埋藏深度，m。

6-1煤层的瓦斯压力梯度取0.007MPa/m，因有效瓦斯压力值较少，无法直接确定瓦斯压力梯度值。

但根据实践经验，在含煤地层，随着埋深的增加，单位深度内瓦斯压力增加值与静水压力相当，即煤层瓦斯压力变化梯度取0.007MPa/m。

采用间接法计算6-1煤层瓦斯含量。

表2-86-1煤层工业分析及吸附结果

采样地点

工业分析结果

真密度/t/m3

视密度/t/m3

空隙率/%

吸附常数

水份/%

灰份/%

挥发份/%

a

b

-550西翼

运输大巷

1.9

16.41

38.4

1.44

1.36

5.56

22.538

0.6371

将煤层瓦斯压力、工业分析和吸附结果等参数带入瓦斯含量计算公式可得到煤层瓦斯含量随埋深的关系曲线，见图2-6。

根据煤层瓦斯压力梯度线和煤层瓦斯含量曲线可以得到各煤层标高处煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量推算值，见表2-9。

根据表2-9可知，6-1煤层一水平最大瓦斯压力为1.52MPa，最大煤层瓦斯含量为9.02m3/t；二水平煤层瓦斯压力为1.52～2.92MPa，煤层瓦斯含量为9.02～12.13m3/t。

进入第二水平，煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量逐渐升高。

为了保证矿井6-1煤层的安全回采，应提前制定瓦斯治理技术规划，采用区域瓦斯治理方法，变高瓦斯突出煤层为低瓦斯非突出煤层，实现6-1煤层的安全高效开采。

表2-96-1煤层瓦斯压力和瓦斯含量推算值

煤层标高

瓦斯压力/MPa

瓦斯含量/m3/t

备注

-410

0.54

3.72

一水平

-440

0.75

5.44

-470

0.96

6.72

-500

1.17

7.73

-530

1.38

8.55

-550

1.52

9.02

-590

1.8

9.84

二水平

-620

2.01

10.36

-650

2.22

10.83

-680

2.43

11.26

-710

2.64

11.65

-750

2.92

12.13

-780

3.13

12.46

三水平

3矿井一水平保护层开采方案

矿井主采煤层6-1煤层、8煤层和13-1煤层瓦斯压力大、含量高，为突出危险煤层，-550m以下都具有突出危险性。

目前矿井开采进入一水平深部，一水平6-1煤层瓦斯最大压力为1.52Mpa，含量为9.02m3/t，一水平8煤层瓦斯最大压力为1.34MPa，含量为8.73m3/t，一水平13-1煤层最大压力为1.45MPa，含量为8.38m3/t，该区域各煤层瓦斯压力和含量相对较高。

为了各突出煤层的安全高效开采，并结合国家的方针政策，采取保护层开采技术治理煤层瓦斯，即开采8煤层保护6-1煤层，开采11-2煤层保护13煤层，下面把目前的保护层开采方案做一下总结。

3.1开采8煤层保护6-1煤层

8煤层平均煤厚为3.41m，6-1煤层平均