论文部分内容阅读
摘要：文章分析了薄煤层和半煤岩保护层开采技术的国内外研究现状，近年国内外大量工程技术人员和科研工作者致力于极薄、薄煤层的开采，研究成果大多针对如何开采极薄、薄煤层的煤炭资源而提出理论方法和技术措施，但对于采用半煤岩无煤柱工作面的思路来解决极薄、薄煤层煤炭资源开采和全面卸压防突相结合的研究较少。而且，我国煤矿在进行保护层卸压开采时，一般都在相邻保护层工作面之间留设煤柱，致使煤柱下方的被保护煤层中形成一定范围的卸压盲区。卸压盲区范围内煤层出现缩变形、应力集中、瓦斯压力增大，致使下被保护煤层在开采卸压盲区范围区段煤层时安全隐患增大。通过对极薄、薄煤层保护层工作面开采高度、区段煤柱宽度与卸压效果之间的关系进行分析，为实现下部高瓦斯低透气性被保护煤层群的全面卸压增透提供技术思路。
关键词：煤层群;薄煤层;半煤岩;保护层;卸压开采
中图分类号：TD823 文献标识码：A
0引言
目前，我国国有煤矿大多是瓦斯矿井煤层群开采，且高瓦斯矿井占50%以上，其中300多对矿井为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯突出灾害的发生次数为世界之最。现有的瓦斯矿井主要特点是开采深度大、瓦斯压力大、瓦斯含量高，具有低透气性、可压密性和易流变性“三性”特征。我国大部分的高瓦斯矿区都为低透气煤层，以淮南矿区为例，煤层透气性系数仅为0.001～0.008 m2/（MPa2·d），煤层瓦斯不易在采前预抽，但在采掘过程中煤层瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定条件下易发生煤与瓦斯突出，且突出规模大，有的矿井煤与瓦斯突出甚至超过10000t，瓦斯涌出或煤与瓦斯突出控制不当将可能导致瓦斯爆炸事故的发生，从而造成更大的灾难[1-2]。
在高瓦斯煤层群开采中，多数矿区都为薄、厚煤层共存煤田，矿井为了追求高产和高利润的目標，优先开采中厚煤层，对薄煤层进行搁置，使薄煤层大量积压未采，甚至有些矿井实施采厚丢薄的开采方式，造成了薄煤层赋存煤炭采出率低的现象，不仅严重浪费了煤炭资源，而且使矿井存在安全生产隐患[3]。我国薄煤层煤炭资源分布地域辽阔，从我国现有煤炭赋存情况来看，薄煤层储量所占比重比较大，我国在近80个矿区中的400多个矿井中，赋存这750多层薄煤层，保有工业储量98.3亿t，可采储量61.5亿t，约占煤炭总可采储量的19%，其中厚度为0.8～1.3m的缓（倾）斜薄煤层占86.2%，厚度小于0.8m的占13.8%，中硬以下的薄煤层层数占总层数的64.59%[4-5]。在全国国有重点煤矿薄煤层储量为25.29 亿t，其中山西、河北、四川、内蒙、贵州、东北和重庆公司，薄煤层储量达5.01亿吨[6-7]。薄煤层煤炭总储量约占全国煤炭总储量的18%左右，但产量只占总产量的10.4%，远远低于储量所占的比例，造成了产量和储量比例的严重失调。近年来，随着国家提高对资源合理开发利用的要求，薄煤层的开采日益受到重视。煤层群中上部薄煤层的瓦斯含量较低且突出危险性较小，可以作为上保护层进行开采。薄煤层作为保护层进行开采能够达到理想的卸压效果，在全国治理瓦斯最先进的淮南矿业集团公司于2006年3月决定[8]：“加大薄煤层开采力度，凡是0.8m以上，作为保护层的煤层必须开采”。因此薄煤层作为保护层开采成为治理煤与瓦斯突出等动力灾害的重要手段之一。
但高瓦斯煤层群条件下薄煤层保护层开采具有以下技术和管理难点：
（1）工作面采高低、工作条件差。人员出入工作面或在工作面内作业均十分困难，而且受空间尺寸限制，工作面设备布置密集，严重影响通风效果，使粉尘和瓦斯不宜排除，对工人的身体健康造成极大损害，不符合“以人为本”的开采理念。
（2）在薄煤层开采时，其采掘比往往比较大、掘进率高，采煤工作面接替困难。由于工作面推进速度快，而回采巷道多为半煤岩巷，巷道掘进掘进速度很慢，造成薄煤层综采工作面接替紧张。
（3）煤层厚度变化、断层等地质构造对薄煤层工作面生产影响大，主要表现在工作面会根据地质条件的变化而频繁搬家或者跳采。
（4）在薄煤层条件下采用常规的采煤方法，其经济效益不如开采厚及中厚煤层工作面。由于薄煤层推进相同长度下煤炭资源的回收量不及中厚煤层，使得从经济效益角度考虑时，往往采取放弃薄煤层而优先开采采中厚煤层的开采方式，这种开采方式必然会导致大量宝贵的焦煤资源被丢弃。
（5）在高瓦斯煤层群中开采时，由于煤层中瓦斯涌出量大，采用常规的开采方式，由于工作面内的工人和设备较多，容易导致工作面内的通风不畅而引起瓦斯积聚，可能带来安全隐患。
薄煤层上保护层开采是解决低透气性高瓦斯煤层群安全高效开采的有效途径，针对沙曲煤矿低透气性、高瓦斯、近距离煤层群、煤与瓦斯突出的特点，选择将2号薄煤层作为上保护层先行开采，且上保护层工作面采用无煤柱沿空留巷技术，无煤柱开采可充分回采宝贵的焦煤资源，并实现下被保护煤层的全面卸压。结合千米定向钻孔瓦斯抽采技术，预抽下被保护层的卸压瓦斯，消除被保护层突出危险性，保障了低透气性高瓦斯近距离煤层群的安全高效开采。本论文研究的关键是确定薄煤层上保护层开采后下伏煤岩体的裂隙与应力分布规律、上保护层卸压开采的卸压范围、合理的千米定向钻孔卸压煤层瓦斯抽采技术以及卸压保护效果分析，进而实现采煤和抽采瓦斯的统一。
1薄煤层开采技术分析
我国极薄、薄煤层煤炭资源分布广泛，为适应我国社会经济的快速发展和煤矿智能绿色开采的趋势，对极薄、薄煤层的开采也提出了更高的要求。若仅仅为了开采极薄、薄煤层的煤炭资源，经济效益较低而且技术难度也较大，所以通常将极薄、薄煤层作为保护层进行开采[1-6]，以实现煤炭资源的充分开采和低透气性高瓦斯煤层群卸压的统一。王猛[7]等针对薄煤层半煤岩巷道的煤层和岩层间容易发生剪切滑移破坏，提出了半煤岩巷道两帮打穿层倾斜锚索的高强支护技术;余伟健[8]等针对薄煤层半煤岩巷道常常发生大变形及难控制等问题，以百色矿区为例，分析了半煤岩巷道的变形机制，提出了“巷帮高刚度桁架锚索+顶板长锚索预应力”的整体支护技术;黄光利[9]等为降低了开采突出急倾斜煤层群中下被保护煤层的突出危险性，对薄煤层上保护层俯伪斜工作面开采的卸压范围进行了划定;张明杰[10]等针对远距离极薄半煤岩下保护层工作面卸压增透的问题，以中泰公司为例，通过对半煤岩工作面采高进行优化研究，以降低过量截割煤层顶板（底板）岩层引起的防突费用。 我国学者对极薄、薄煤层半煤岩巷道支护、无煤柱开采及保护层卸压进行了大量研究[11-15]，而对于极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采的全面卸压理论和现场工程应用较少。本文针对典型低透高突煤层群开采的矿井，分析了极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采全面卸压的机理，并通过优化工作面布置和区段护巷煤柱的宽度，实现了下被保护煤层的全面卸压增透。
目前，我国很多矿区都积极开展了薄煤层智能无人工作面采煤技术的研究和现场工业性试验[16-20]，但多数仅实现了采煤工作面内的智能化、无人化，而且在工作面设備出现故障或遇到设备不能适应现场条件时，须人工停机，并派工人到工作面现场进行处理，并需要对工作面内设备进行必要的定期检修和维护;另一方面，在巷道掘进和支护工作面仍然需要大量的现场作业人员，从某种意义上讲还未真正实现煤矿井下的智能无人化采煤。将薄煤层作为保护层开采是高瓦斯突出煤层群开采条件下瓦斯灾害防治的重要手段，未来随着薄煤层采煤设备制造技术和自动化控制技术的提升，以及国家对资源合理开发利用的要求的提高，薄煤层的开采日益受到重视，而将薄煤层作为保护层开采也将成为低透气性高瓦斯突出煤层群安全高效开采技术发展的重要途径。
2 半煤岩保护层开采技术分析
我国极薄、薄煤层煤炭资源分布广泛，为适应我国社会经济的快速发展和煤矿智能绿色开采的趋势，对极薄、薄煤层的开采也提出了更高的要求。若仅仅为了开采极薄、薄煤层的煤炭资源，经济效益较低而且技术难度也较大，所以通常将极薄、薄煤层作为保护层进行开采[1-6]，以实现煤炭资源的充分开采和低透气性高瓦斯煤层群卸压的统一。王猛[7]等针对薄煤层半煤岩巷道的煤层和岩层间容易发生剪切滑移破坏，提出了半煤岩巷道两帮打穿层倾斜锚索的高强支护技术;余伟健[8]等针对薄煤层半煤岩巷道常常发生大变形及难控制等问题，以百色矿区为例，分析了半煤岩巷道的变形机制，提出了“巷帮高刚度桁架锚索+顶板长锚索预应力”的整体支护技术;黄光利[9]等为降低了开采突出急倾斜煤层群中下被保护煤层的突出危险性，对薄煤层上保护层俯伪斜工作面开采的卸压范围进行了划定;张明杰[10]等针对远距离极薄半煤岩下保护层工作面卸压增透的问题，以中泰公司为例，通过对半煤岩工作面采高进行优化研究，以降低过量截割煤层顶板（底板）岩层引起的防突费用。我国学者对极薄、薄煤层半煤岩巷道支护、无煤柱开采及保护层卸压进行了大量研究，而对于极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采的全面卸压理论和现场工程应用较少。本书针对典型低透高突煤层群开采的矿井，分析了极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采全面卸压的机理，并通过优化工作面布置和区段护巷煤柱的宽度，实现了下被保护煤层的全面卸压增透。
3结论
近年，国内外大量工程技术人员和科研工作者致力于极薄、薄煤层的开采，研究成果大多针对如何开采极薄、薄煤层的煤炭资源而提出理论方法和技术措施，但对于采用半煤岩无煤柱工作面的思路来解决极薄、薄煤层煤炭资源开采和全面卸压防突相结合的研究较少。而且，我国煤矿在进行保护层卸压开采时，一般都在相邻保护层工作面之间留设煤柱，致使煤柱下方的被保护煤层中形成一定范围的卸压盲区。卸压盲区范围内煤层出现缩变形、应力集中、瓦斯压力增大，致使下被保护煤层在开采卸压盲区范围区段煤层时安全隐患增大。通过采用UDEC数值模拟实验对极薄、薄煤层保护层工作面开采高度、区段煤柱宽度与卸压效果之间的关系进行分析，为实现下部高瓦斯低透气性被保护煤层群的全面卸压增透提供技术思路。
参考文献
[1]刘过兵，刘东才.薄煤层高产高效途径探讨[J].辽宁工程技术大学学报，2002，21（4）：531-533.
[2]秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010，（4）：85-86.
[3]舒彦民，赵 益，孙建华等.薄煤层群煤与瓦斯共采技术研究[J]. 矿业安全与环保，2011，38（4）：47-49
[4]刘洪永，程远平，赵长春等.保护层的分类及判定方法研究[J].采矿与安全工程学报，2010，12（4）：468-474.
六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy53）
作者简介：
杨卓（2000.03-）男，汉，贵州松桃县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。
关键词：煤层群;薄煤层;半煤岩;保护层;卸压开采
中图分类号：TD823 文献标识码：A
0引言
目前，我国国有煤矿大多是瓦斯矿井煤层群开采，且高瓦斯矿井占50%以上，其中300多对矿井为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯突出灾害的发生次数为世界之最。现有的瓦斯矿井主要特点是开采深度大、瓦斯压力大、瓦斯含量高，具有低透气性、可压密性和易流变性“三性”特征。我国大部分的高瓦斯矿区都为低透气煤层，以淮南矿区为例，煤层透气性系数仅为0.001～0.008 m2/（MPa2·d），煤层瓦斯不易在采前预抽，但在采掘过程中煤层瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定条件下易发生煤与瓦斯突出，且突出规模大，有的矿井煤与瓦斯突出甚至超过10000t，瓦斯涌出或煤与瓦斯突出控制不当将可能导致瓦斯爆炸事故的发生，从而造成更大的灾难[1-2]。
在高瓦斯煤层群开采中，多数矿区都为薄、厚煤层共存煤田，矿井为了追求高产和高利润的目標，优先开采中厚煤层，对薄煤层进行搁置，使薄煤层大量积压未采，甚至有些矿井实施采厚丢薄的开采方式，造成了薄煤层赋存煤炭采出率低的现象，不仅严重浪费了煤炭资源，而且使矿井存在安全生产隐患[3]。我国薄煤层煤炭资源分布地域辽阔，从我国现有煤炭赋存情况来看，薄煤层储量所占比重比较大，我国在近80个矿区中的400多个矿井中，赋存这750多层薄煤层，保有工业储量98.3亿t，可采储量61.5亿t，约占煤炭总可采储量的19%，其中厚度为0.8～1.3m的缓（倾）斜薄煤层占86.2%，厚度小于0.8m的占13.8%，中硬以下的薄煤层层数占总层数的64.59%[4-5]。在全国国有重点煤矿薄煤层储量为25.29 亿t，其中山西、河北、四川、内蒙、贵州、东北和重庆公司，薄煤层储量达5.01亿吨[6-7]。薄煤层煤炭总储量约占全国煤炭总储量的18%左右，但产量只占总产量的10.4%，远远低于储量所占的比例，造成了产量和储量比例的严重失调。近年来，随着国家提高对资源合理开发利用的要求，薄煤层的开采日益受到重视。煤层群中上部薄煤层的瓦斯含量较低且突出危险性较小，可以作为上保护层进行开采。薄煤层作为保护层进行开采能够达到理想的卸压效果，在全国治理瓦斯最先进的淮南矿业集团公司于2006年3月决定[8]：“加大薄煤层开采力度，凡是0.8m以上，作为保护层的煤层必须开采”。因此薄煤层作为保护层开采成为治理煤与瓦斯突出等动力灾害的重要手段之一。
但高瓦斯煤层群条件下薄煤层保护层开采具有以下技术和管理难点：
（1）工作面采高低、工作条件差。人员出入工作面或在工作面内作业均十分困难，而且受空间尺寸限制，工作面设备布置密集，严重影响通风效果，使粉尘和瓦斯不宜排除，对工人的身体健康造成极大损害，不符合“以人为本”的开采理念。
（2）在薄煤层开采时，其采掘比往往比较大、掘进率高，采煤工作面接替困难。由于工作面推进速度快，而回采巷道多为半煤岩巷，巷道掘进掘进速度很慢，造成薄煤层综采工作面接替紧张。
（3）煤层厚度变化、断层等地质构造对薄煤层工作面生产影响大，主要表现在工作面会根据地质条件的变化而频繁搬家或者跳采。
（4）在薄煤层条件下采用常规的采煤方法，其经济效益不如开采厚及中厚煤层工作面。由于薄煤层推进相同长度下煤炭资源的回收量不及中厚煤层，使得从经济效益角度考虑时，往往采取放弃薄煤层而优先开采采中厚煤层的开采方式，这种开采方式必然会导致大量宝贵的焦煤资源被丢弃。
（5）在高瓦斯煤层群中开采时，由于煤层中瓦斯涌出量大，采用常规的开采方式，由于工作面内的工人和设备较多，容易导致工作面内的通风不畅而引起瓦斯积聚，可能带来安全隐患。
薄煤层上保护层开采是解决低透气性高瓦斯煤层群安全高效开采的有效途径，针对沙曲煤矿低透气性、高瓦斯、近距离煤层群、煤与瓦斯突出的特点，选择将2号薄煤层作为上保护层先行开采，且上保护层工作面采用无煤柱沿空留巷技术，无煤柱开采可充分回采宝贵的焦煤资源，并实现下被保护煤层的全面卸压。结合千米定向钻孔瓦斯抽采技术，预抽下被保护层的卸压瓦斯，消除被保护层突出危险性，保障了低透气性高瓦斯近距离煤层群的安全高效开采。本论文研究的关键是确定薄煤层上保护层开采后下伏煤岩体的裂隙与应力分布规律、上保护层卸压开采的卸压范围、合理的千米定向钻孔卸压煤层瓦斯抽采技术以及卸压保护效果分析，进而实现采煤和抽采瓦斯的统一。
1薄煤层开采技术分析
我国极薄、薄煤层煤炭资源分布广泛，为适应我国社会经济的快速发展和煤矿智能绿色开采的趋势，对极薄、薄煤层的开采也提出了更高的要求。若仅仅为了开采极薄、薄煤层的煤炭资源，经济效益较低而且技术难度也较大，所以通常将极薄、薄煤层作为保护层进行开采[1-6]，以实现煤炭资源的充分开采和低透气性高瓦斯煤层群卸压的统一。王猛[7]等针对薄煤层半煤岩巷道的煤层和岩层间容易发生剪切滑移破坏，提出了半煤岩巷道两帮打穿层倾斜锚索的高强支护技术;余伟健[8]等针对薄煤层半煤岩巷道常常发生大变形及难控制等问题，以百色矿区为例，分析了半煤岩巷道的变形机制，提出了“巷帮高刚度桁架锚索+顶板长锚索预应力”的整体支护技术;黄光利[9]等为降低了开采突出急倾斜煤层群中下被保护煤层的突出危险性，对薄煤层上保护层俯伪斜工作面开采的卸压范围进行了划定;张明杰[10]等针对远距离极薄半煤岩下保护层工作面卸压增透的问题，以中泰公司为例，通过对半煤岩工作面采高进行优化研究，以降低过量截割煤层顶板（底板）岩层引起的防突费用。 我国学者对极薄、薄煤层半煤岩巷道支护、无煤柱开采及保护层卸压进行了大量研究[11-15]，而对于极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采的全面卸压理论和现场工程应用较少。本文针对典型低透高突煤层群开采的矿井，分析了极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采全面卸压的机理，并通过优化工作面布置和区段护巷煤柱的宽度，实现了下被保护煤层的全面卸压增透。
目前，我国很多矿区都积极开展了薄煤层智能无人工作面采煤技术的研究和现场工业性试验[16-20]，但多数仅实现了采煤工作面内的智能化、无人化，而且在工作面设備出现故障或遇到设备不能适应现场条件时，须人工停机，并派工人到工作面现场进行处理，并需要对工作面内设备进行必要的定期检修和维护;另一方面，在巷道掘进和支护工作面仍然需要大量的现场作业人员，从某种意义上讲还未真正实现煤矿井下的智能无人化采煤。将薄煤层作为保护层开采是高瓦斯突出煤层群开采条件下瓦斯灾害防治的重要手段，未来随着薄煤层采煤设备制造技术和自动化控制技术的提升，以及国家对资源合理开发利用的要求的提高，薄煤层的开采日益受到重视，而将薄煤层作为保护层开采也将成为低透气性高瓦斯突出煤层群安全高效开采技术发展的重要途径。
2 半煤岩保护层开采技术分析
我国极薄、薄煤层煤炭资源分布广泛，为适应我国社会经济的快速发展和煤矿智能绿色开采的趋势，对极薄、薄煤层的开采也提出了更高的要求。若仅仅为了开采极薄、薄煤层的煤炭资源，经济效益较低而且技术难度也较大，所以通常将极薄、薄煤层作为保护层进行开采[1-6]，以实现煤炭资源的充分开采和低透气性高瓦斯煤层群卸压的统一。王猛[7]等针对薄煤层半煤岩巷道的煤层和岩层间容易发生剪切滑移破坏，提出了半煤岩巷道两帮打穿层倾斜锚索的高强支护技术;余伟健[8]等针对薄煤层半煤岩巷道常常发生大变形及难控制等问题，以百色矿区为例，分析了半煤岩巷道的变形机制，提出了“巷帮高刚度桁架锚索+顶板长锚索预应力”的整体支护技术;黄光利[9]等为降低了开采突出急倾斜煤层群中下被保护煤层的突出危险性，对薄煤层上保护层俯伪斜工作面开采的卸压范围进行了划定;张明杰[10]等针对远距离极薄半煤岩下保护层工作面卸压增透的问题，以中泰公司为例，通过对半煤岩工作面采高进行优化研究，以降低过量截割煤层顶板（底板）岩层引起的防突费用。我国学者对极薄、薄煤层半煤岩巷道支护、无煤柱开采及保护层卸压进行了大量研究，而对于极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采的全面卸压理论和现场工程应用较少。本书针对典型低透高突煤层群开采的矿井，分析了极薄、薄煤层半煤岩保护层无煤柱开采全面卸压的机理，并通过优化工作面布置和区段护巷煤柱的宽度，实现了下被保护煤层的全面卸压增透。
3结论
近年，国内外大量工程技术人员和科研工作者致力于极薄、薄煤层的开采，研究成果大多针对如何开采极薄、薄煤层的煤炭资源而提出理论方法和技术措施，但对于采用半煤岩无煤柱工作面的思路来解决极薄、薄煤层煤炭资源开采和全面卸压防突相结合的研究较少。而且，我国煤矿在进行保护层卸压开采时，一般都在相邻保护层工作面之间留设煤柱，致使煤柱下方的被保护煤层中形成一定范围的卸压盲区。卸压盲区范围内煤层出现缩变形、应力集中、瓦斯压力增大，致使下被保护煤层在开采卸压盲区范围区段煤层时安全隐患增大。通过采用UDEC数值模拟实验对极薄、薄煤层保护层工作面开采高度、区段煤柱宽度与卸压效果之间的关系进行分析，为实现下部高瓦斯低透气性被保护煤层群的全面卸压增透提供技术思路。
参考文献
[1]刘过兵，刘东才.薄煤层高产高效途径探讨[J].辽宁工程技术大学学报，2002，21（4）：531-533.
[2]秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010，（4）：85-86.
[3]舒彦民，赵 益，孙建华等.薄煤层群煤与瓦斯共采技术研究[J]. 矿业安全与环保，2011，38（4）：47-49
[4]刘洪永，程远平，赵长春等.保护层的分类及判定方法研究[J].采矿与安全工程学报，2010，12（4）：468-474.
六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy53）
作者简介：
杨卓（2000.03-）男，汉，贵州松桃县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。