忻州窯礦災(zāi)害綜合治理技術(shù)

李海龍

0 引言

礦井的五大自然災(zāi)害（水、火、瓦斯、煤塵、頂板）是煤礦安全生產(chǎn)的頑癥，嚴(yán)重的制約了礦井安全，影響了煤礦的高效生產(chǎn)。國內(nèi)外高度重視，就此進(jìn)行一系列的課題研究，但每個(gè)科技成果的應(yīng)用，都要進(jìn)行再創(chuàng)新，研究適合本礦井災(zāi)害的綜合治理技術(shù)，通過采用新技術(shù)、新材料、新工藝現(xiàn)場解決實(shí)際中存在的災(zāi)害隱患[1]。同煤集團(tuán)忻州窯礦有近百年的開采歷史，地質(zhì)及現(xiàn)有開采條件復(fù)雜，多煤層開采，地表裂縫縱橫交錯(cuò)，大面積采空區(qū)，孤島煤柱及采區(qū)壓力大，造成水、火、瓦斯、沖擊礦壓災(zāi)害日漸突顯，嚴(yán)重的影響了忻州窯礦的安全生產(chǎn)。

1 災(zāi)害分析

1.1 采空區(qū)積水

忻州窯礦井田內(nèi)無常年地表水體，僅有季節(jié)性溝谷通過[2]。由于侏羅系煤層的大面積開采，在采空區(qū)上方形成眾多塌陷裂隙，含水層、隔水層均已遭到破壞。當(dāng)煤層全部開采結(jié)束后，上下含水層成為一個(gè)整體，14-3#煤層賦存范圍內(nèi)的上層采空區(qū)成為地下水匯集的一個(gè)天然“大水庫”。[3]現(xiàn)忻州窯礦有較大采空積水區(qū)5 處，共計(jì)積水量50 萬m3。忻州窯礦現(xiàn)主要開采14-3#煤層，因此采空區(qū)積水是忻州窯礦的災(zāi)害之一。

1.2 自燃隱患

忻州窯礦煤層自然傾向性鑒定為易自燃煤層，自然發(fā)火期為57 d，煤層本身具有自然發(fā)火隱患，并且由于礦井多年開采，采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，地表破壞比較嚴(yán)重，地表裂縫較多，地面有不同程度的塌陷區(qū)。今年礦井對(duì)地表進(jìn)行裂縫調(diào)查，原有裂縫經(jīng)過填充大多完好，局部有開裂，塌陷現(xiàn)象，但每年都會(huì)有新的地表裂縫產(chǎn)生，地表裂縫與井下采區(qū)及采空區(qū)形成漏風(fēng)通道，是造成井下火災(zāi)的重要原因。忻州窯礦通過相應(yīng)治理，現(xiàn)無火區(qū)存在[4]。

1.3 采空區(qū)瓦斯

忻州窯礦歷年來瓦斯等級(jí)鑒定為高瓦斯礦井，但煤體內(nèi)瓦斯賦存量并不大。由于礦井開采年限長，目前開采煤層上覆全部為采空區(qū)[5]。采空區(qū)內(nèi)的瓦斯賦存量較大，采空區(qū)隨開采地應(yīng)力的變化與生產(chǎn)區(qū)會(huì)形成裂隙，積聚的瓦斯由裂隙進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)，對(duì)生產(chǎn)區(qū)的瓦斯含量造成影響；綜采工作面為“兩硬”開采，從巖石破壞角度分析確定了冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶[6]。但在“兩硬”條件下的綜放工作面上覆巖層活動(dòng)的“三帶”不明顯，導(dǎo)致綜采工作面回采采空區(qū)內(nèi)的空間較大，大量瓦斯積聚在采空區(qū)內(nèi)，綜采工作面向前推進(jìn)時(shí)，隨頂板垮落綜采工作面瓦斯涌出量會(huì)異常增大；忻州窯礦903 盤區(qū)存在1 條寬約80 m 的地質(zhì)破碎帶貫穿整個(gè)盤區(qū)，破碎帶裂隙內(nèi)賦存大量瓦斯，在回采期間，此段區(qū)域內(nèi)瓦斯含量異常增大。

1.4 沖擊礦壓

忻州窯礦現(xiàn)主采煤層為14-3#煤層，隨開采深度的不斷增加，沖擊礦壓災(zāi)害越來越嚴(yán)重，近年來沖擊礦壓顯現(xiàn)增多。已經(jīng)成為制約生產(chǎn)和安全的主要重大災(zāi)害[7]。西二903 盤區(qū)由于存在1 條80 m 寬的破碎沖擊礦壓造成巷道變形、支護(hù)失效、斷面縮小等隱患，已成為威脅安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一。忻州窯礦在治理前能量大于等于105J 的沖擊礦壓每年平均發(fā)生5～6 次，通過采取大直徑卸壓孔、巷道底板的卸壓槽以及鄰面斷頂爆破等綜合治理措施實(shí)施，能量大于等于105J 的沖擊礦壓再未發(fā)生。

2 災(zāi)害綜合治理技術(shù)

2.1 地表裂隙調(diào)查及回填

忻州窯礦在每年的雨季來臨之前，季節(jié)交替及日常檢查中，都要對(duì)地表的裂隙進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裂隙及塌陷區(qū)域，要及時(shí)進(jìn)行回填。具體作用如下：

（1）由于煤礦多年來的開采，采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，地表破壞比較嚴(yán)重，地表裂縫較多，地面有不同程度的塌陷區(qū)，因此地表水成為井田的地下水的又一補(bǔ)給來源，地面裂隙和塌陷區(qū)的回填，能夠防止地表水的補(bǔ)給；

（2）地表裂隙和塌陷區(qū)的形成，使地面與井下形成漏風(fēng)通道，增加了礦井的外部漏風(fēng)率，地面裂隙和塌陷區(qū)的回填能夠減少礦井的外部漏風(fēng)，提高礦井風(fēng)量的有效利用率；

（3）地表裂隙和塌陷區(qū)與井下采空區(qū)存在漏風(fēng)通道，給采空區(qū)內(nèi)補(bǔ)給氧氣，造成采空區(qū)內(nèi)煤炭自燃，回填能夠減少由礦井漏風(fēng)引起的礦井火災(zāi)。

2.2 沖擊礦壓探測和監(jiān)測監(jiān)控

忻州窯礦采用微震法、礦壓觀測法、電磁輻射法、鉆屑法和綜合指數(shù)法多種監(jiān)測、檢測手段相結(jié)合進(jìn)行沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報(bào)。具體作用如下:

（1）對(duì)微震及礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若判斷作業(yè)點(diǎn)有沖擊危險(xiǎn)時(shí)要及時(shí)通知調(diào)度室和生產(chǎn)隊(duì)組進(jìn)行防治，防止出現(xiàn)人員威脅；

（2）防止發(fā)生沖擊礦壓的巷道或者工作面巷道變形后，巷道斷面縮小，風(fēng)量變化引起瓦斯事故；

（3）防止沖擊礦壓使采空區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)通道，使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯會(huì)下泄，導(dǎo)致瓦斯事故的發(fā)生；

（4）沖擊礦壓導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)，采空區(qū)內(nèi)氧氣的補(bǔ)給，造成采空區(qū)內(nèi)自燃；

（5）能夠防止因沖擊礦壓引起破壞通風(fēng)設(shè)施，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)失效，引起礦井通風(fēng)事故的發(fā)生。

2.3 地面灌漿系統(tǒng)

忻州窯礦在每個(gè)盤區(qū)對(duì)應(yīng)的地面都設(shè)有地面集中灌漿孔，通過井下的集中灌漿管路，每年春季開始向井下采空區(qū)及有自然發(fā)火隱患的采空區(qū)灌注黃泥漿。具體作用如下：

（1）消除了采空區(qū)的自然發(fā)火隱患的隱患，灌注黃泥漿，一是黃泥漿覆蓋在煤炭表面，減少了煤與氧氣的接觸面積，二是能夠消除井下采空區(qū)內(nèi)的高溫點(diǎn)，杜絕礦井自然發(fā)火隱患。

（2）能夠回填井下采空區(qū)，通過灌注黃泥漿，黃泥漿沉淀積累在采空區(qū)內(nèi)，使井下的采空區(qū)能夠部分回填，減少了地表裂縫和地表塌陷。

2.4 小窯廢舊井筒改造風(fēng)井

忻州窯礦903 盤區(qū)在風(fēng)量緊張的情況下，利用原劉官莊廢舊斜井進(jìn)行改造，增加劉官莊風(fēng)井，使礦井各盤區(qū)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)。具體作用如下：

（1）使忻州窯礦各盤區(qū)均實(shí)現(xiàn)了分盤區(qū)的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，保證了各盤區(qū)的系統(tǒng)穩(wěn)定；

（2）增加盤區(qū)風(fēng)量，能夠稀釋礦井瓦斯，保證了礦井的安全生產(chǎn)；

（3）保證了礦井的通風(fēng)能力，能夠?yàn)殛?duì)組的采掘接替提供足夠的風(fēng)量保障，從而使采掘接替正常。

2.5 破碎帶永固S 材料充填

忻州窯礦903 盤區(qū)存在斷層破碎帶，在破碎帶區(qū)域內(nèi)向煤體內(nèi)施工鉆孔，向煤體內(nèi)灌注永固S 材料。具體作用如下：

（1）能夠加強(qiáng)掘進(jìn)巷道的支護(hù)，杜絕巷道應(yīng)破碎帶出現(xiàn)支護(hù)事故；

（2）使破碎帶區(qū)域內(nèi)的煤巖體膠結(jié)成受力整體，保證了回采機(jī)組過此段區(qū)域內(nèi)支架的順利推進(jìn)；

（3）材料能滲入煤體裂隙及煤體孔隙中，提前將瓦斯置換出煤體，以減少回采時(shí)的瓦斯涌出量。

2.6 煤體注水

忻州窯礦每個(gè)回采工作面均施工有煤體注水孔，并在回采工作面開采1 個(gè)月以前注水，煤體注水解決了降塵、減少?zèng)_擊礦壓和置換煤體內(nèi)瓦斯的礦井災(zāi)害。具體作用如下：

（1）使煤體完全濕潤，在回采時(shí)能夠降低工作面的煤塵，從源頭上降低煤塵濃度；

（2）煤層注水后總含水率不得小于4%，必要時(shí)進(jìn)行底板注水以降低煤層的沖擊礦壓危險(xiǎn)程度；

（3）水進(jìn)入煤體裂隙和孔隙中，置換出煤體內(nèi)的瓦斯，降低了回采工作面的瓦斯涌出量。

2.7 回采工作面五巷布置

忻州窯礦903 盤區(qū)回采工作面為“兩硬”開采，煤體硬、頂板硬，903 盤區(qū)綜采工作面采用五巷布置，五巷布置通風(fēng)系統(tǒng)為“三進(jìn)兩回”（Ⅱ+U+Ⅰ）。即沿煤層底板布置兩條順槽巷作為皮帶進(jìn)風(fēng)巷和運(yùn)料回風(fēng)巷，沿煤層頂板布置兩條中間預(yù)爆破工藝巷為進(jìn)風(fēng)巷。具體作用如下：

（1）五巷布置能夠增加工作面的風(fēng)量，稀釋綜采工作面的瓦斯?jié)舛龋?/p>

（2）頂回風(fēng)巷的設(shè)置，使上隅角的風(fēng)向流向頂回風(fēng)巷，徹底解決了上隅角瓦斯超限問題；

（3）兩條中間工藝巷，解決了回采時(shí)“兩硬”引起的放頂問題，提高了回采時(shí)煤炭的回收率。

2.8 均壓開采

忻州窯礦305 盤區(qū)為11#和14#層煤為近距離開采，由于受沖擊礦壓等諸多因素的影響，造成巷道煤柱壓裂、頂板離層、地表下陷、密閉嚴(yán)重壓損，致使采空區(qū)與地表、相鄰采空區(qū)、煤層與煤層間均存在漏風(fēng)通道，礦井在開采此盤區(qū)時(shí)均采用均壓防滅火技術(shù)。具體作用如下：

（1）均壓防滅火技術(shù)的應(yīng)用，能夠防止由于漏風(fēng)導(dǎo)致的采空區(qū)內(nèi)煤體自燃隱患的發(fā)生；

（2）均壓防滅火技術(shù)可以防止上層采空區(qū)的有害氣體下泄到回采工作面，發(fā)生有害氣體中毒事故。

3 結(jié)語

通過對(duì)各種災(zāi)害做出分析并實(shí)施相應(yīng)措施。多年來礦井從未發(fā)生過水、火、瓦斯、沖擊礦壓事故，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

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[3]鄒吉社.復(fù)雜條件礦井災(zāi)害綜合治理技術(shù)[J].中國煤炭科技，2012.（3）：214-215.

[4]劉鏡松，鄭德彬.地質(zhì)災(zāi)害綜合治理技術(shù)[J].科技信息，2002（2）:35-37.

[5]孟凡龍.“兩硬”綜放工作面綜合防滅火技術(shù)[J].煤炭工程，2007（10）:58-60.

[6]宋文忠.分層綜采工作面的綜合防滅火技術(shù)[J].煤礦安全，2002（2）:20-22.

[7]竇林名，何學(xué)秋.煤礦沖擊礦壓分級(jí)預(yù)測研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（6）：717-722.