中部復雜礦區(qū)老礦井持續(xù)安全開采謀劃與實踐

韓春曉，張治軍

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 一礦，河南 平頂山 467011)

1 概 況

平煤股份一礦位于我國中原地區(qū)，礦井于1959年12月投產(chǎn)，共有3個水平，主采丁、戊組煤層，生產(chǎn)能力400Mt/a。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，褶皺一般不發(fā)育，大中型斷層稀少。水文地質(zhì)條件簡單，充水水源主要是頂板砂巖和老空積水。礦井為煤與瓦斯突出礦井。煤層自然發(fā)火期180d。

在歷經(jīng)10a發(fā)展后，煤炭行業(yè)面臨經(jīng)濟下行等不利因素，同時在經(jīng)歷55a開采后，礦井生產(chǎn)條件也發(fā)生了很大變化，煤層變薄、地質(zhì)構(gòu)造增多，采深大、礦壓大、支護效果差。多個水平、多個采區(qū)同時生產(chǎn)，系統(tǒng)復雜、戰(zhàn)線長，采區(qū)接替脫節(jié)。開采深度不斷增加，由低瓦斯礦井升級為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯突出制約了產(chǎn)能的發(fā)揮、對安全構(gòu)成威脅。上述因素削弱了一礦的市場競爭力，制約了礦井的可持續(xù)發(fā)展。

面對市場和礦井生產(chǎn)經(jīng)營狀況，充分發(fā)揮科技的支撐作用，依靠科技進步和創(chuàng)新，在資源挖潛、生產(chǎn)布局、系統(tǒng)優(yōu)化改造、瓦斯治理、深井支護，機械化、自動化、智能化、無人化等方面取得技術突破，破解一礦在高產(chǎn)高效可持續(xù)發(fā)展中面臨的各種難題，實現(xiàn)礦井安全狀況持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)，推動礦井的可持續(xù)發(fā)展。

2 關鍵技術研究

2.1 資源挖潛回采技術

由于深部資源開發(fā)滯后，存在采區(qū)接替緊張局面，同時部分防突工作面施工進度慢，造成礦井產(chǎn)量不穩(wěn)定。因此，近幾年來，積極尋找并充分挖掘采區(qū)邊角煤及剩余下分層薄煤層，一方面可以緩解采區(qū)接替、利于礦井持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，提高企業(yè)經(jīng)濟效益；另一方面，可挖潛煤炭資源，提高礦井資源采出率。

2.1.1 資源挖掘手段

(1)查閱鉆孔、圖紙資料。通過查閱鉆孔、回采工作面說明書、回采工作面地質(zhì)剖面圖等相關圖件，掌握采面煤厚及上、中分層采高，估算區(qū)段剩余煤厚，標注在剩余煤厚平面圖上。查閱采掘工程平面圖，掌握階段煤柱及采區(qū)間留設的區(qū)段煤柱，調(diào)查留設不合理的煤柱。

(2)調(diào)查回采工藝。由于一二水平始采于上世紀80—90年代，回采工藝技術比較落后，剩余煤厚殘留較大。對所有回采工作面回采日期及結(jié)束日期、開采層數(shù)、各分層使用支架類型及采高情況，逐一進行調(diào)查分析，例如戊-17093工作面，分上、中兩層開采，上分層使用T13K11型支架，采高2.8m，中分層使用QY-200-14/31型支架，采高2.5m，依據(jù)開采厚度確定剩余煤厚。

(3)鉆探手段。對以往回采的采煤工作面打鉆探測煤厚資料，并進行分析整理，繪制剩余煤厚圖。

(4)巷探手段。由于以前的工作面回采時間比較早，局部的資料已收集不到，為確保不漏查，對局部可疑區(qū)域采用掘巷的方式進行資源探測。

2.1.2 復采開采技術

通過認真排查研究，共挖掘可供開采的剩余資源工業(yè)儲量10.24Mt，可采儲量9.24Mt。

(1)復采資源回采工藝在初期采用懸移支架回采工藝，后期主要是綜合機械化走向長壁后退式采煤工藝開采。綜采工藝復采技術在戊0-17113、戊0-17133、戊0-21023采面進行了成功應用，主要采用ZY4000-12/25型液壓支架支護頂板， MGTY250/600-1.1D型采煤機，采面采用SGZ-764/500型刮板運輸機，機巷采用SGB-620/40型刮板運輸機。

(2)復采資源采面布置時要充分考慮采動影響、考慮與鄰近煤層巷道的壓茬關系，避開應力集中區(qū)，同時要保證開采的連續(xù)性，合理集中生產(chǎn)，盡快結(jié)束復采區(qū)域。

(3)掘進及回采期間做好老巷、老空區(qū)有害氣體、老空水防治工作，確保安全掘進。

2.2 規(guī)劃實施三水平下延及北三風井工程

為了保證采區(qū)接替和充足的戰(zhàn)場，進行了深部資源開發(fā)，規(guī)劃實施了三水平下延及北三風井工程。三水平下延范圍為南部各煤層-516m等高線，北部為李口向斜軸部，東部為26勘探線，西部邊界以現(xiàn)有邊界再往西擴800m，東西走向長約6km，南北傾斜寬約4.2km，面積約25.2km2?？刹蓛α?55.55Mt，生產(chǎn)能力2.4Mt/a，服務年限57a。新建了北三進風井、回風井，對戊組采區(qū)進行了開發(fā)，4個戊組采區(qū)共圈定儲量34.0Mt。

三水平下延的開發(fā)為一礦發(fā)展提供了新的戰(zhàn)場，采區(qū)投產(chǎn)緩解了礦井采區(qū)接替緊張局面，同時三水平下延西翼采區(qū)走向長度達2300m，可布置大采長、大儲量工作面，有利于高產(chǎn)高效。

2.3 礦井生產(chǎn)布局規(guī)劃調(diào)整

為保證礦井產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定，2013年以來，一礦積極制定礦井生產(chǎn)布局調(diào)整規(guī)劃，按照規(guī)劃實施布局調(diào)整，逐步關閉了一水平的1個采區(qū)和二水平的3個采區(qū)，并加快組織三水平下延各采區(qū)投產(chǎn)進度，使礦井生產(chǎn)格局由“七區(qū)五面”逐步調(diào)整為“三區(qū)四面”，實現(xiàn)礦井合理集中生產(chǎn)，簡化系統(tǒng)、減少人員投入。

采區(qū)關閉主要是安排回采一水平戊七采區(qū)、二水平丁戊二采區(qū)、二水平丁戊三采區(qū)剩余工作面。新采區(qū)投產(chǎn)主要是加快三水平下延采區(qū)首采面工程進度，保證采面盡快投產(chǎn)。采區(qū)關閉情況見表1。

表1 采區(qū)關閉情況

通過減少4個采區(qū)，壓縮了戰(zhàn)場、實現(xiàn)合理集中生產(chǎn)。相應減少主運輸、輔助運輸、供電、供排水、一通三防等人員投入，共減少用工90人/d。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化和工程設計

2.4.1 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造

加快實施北三主扇工程、改造礦井通風系統(tǒng)。為解決深部主力采區(qū)和主力工作面風量不足、高溫、安全高效等問題，積極實施井下相關礦建工程和地面北三主扇土建、安裝工程。于2016年11月完成北三主扇掛網(wǎng)工作，掛網(wǎng)后為北二主扇分擔供風量4000～5000m3/min，有效解決三水平生產(chǎn)用風缺口，解決了三水平采掘工作面高溫熱害，為礦井深部開發(fā)提供可靠的通風保障[2]。

掛網(wǎng)運行后，使戊七通風系統(tǒng)掛網(wǎng)北一通風系統(tǒng)，于2016年12月停運了戊七主扇，消除戊七主扇運行成本，為礦井減少不必要的經(jīng)營開支。

2.4.2三水平下延戊一上山采區(qū)出煤和排矸系統(tǒng)優(yōu)化

三水平下延戊一上山采區(qū)原規(guī)劃在膠帶上山鋪設2部膠帶，1部出煤、1部排矸。針對采區(qū)運煤、排矸系統(tǒng)設備多、巷道斷面大、維護難等問題，進行了上帶運煤、下帶運矸的雙向膠帶機研究，膠帶上山凈斷面由20.1m2優(yōu)化至16.7m2。降低巷道掘進、支護、維護費用，以1部膠帶機代替2部膠帶機，減少了膠帶設備投入，共節(jié)約1300萬元。同時減少了用工和維護工作量，可實現(xiàn)節(jié)能，減少1部膠帶機的電費。項目實施后，配供電設備減少，減少了電氣事故，為突出采區(qū)的安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

2.4.3 實施機械化換人、自動化減人

采煤工作面通過增加電液控系統(tǒng)、智能泵站系統(tǒng)和自動配比裝置監(jiān)控系統(tǒng)等自動化設備，掘進工作面增加大功率掘進機、液壓錨桿鉆機、履帶挖掘機(鉆孔挖掘兩用)等設備，優(yōu)化支護參數(shù)，提高掘進支護效率，減少單班下井人數(shù)。輔助運輸方面推廣采用單軌吊運輸系統(tǒng)、JWB系列礦用無極繩調(diào)速機械絞車進行設備運輸，大大提高運輸效率及運輸安全可靠性。

平煤股份一礦井下供電系統(tǒng)共22個變電所，其中10個變電所陸續(xù)通過改造、更換設備實現(xiàn)電氣自動化控制，通過地面微機完成遠動、保護、操作(防誤)、測量、故障錄波、事故順序記錄和運行參數(shù)自動記錄等功能，實現(xiàn)了無人值守。礦井共有3個中央泵房，均已實現(xiàn)無人值守，減少了人員投入。

2.4.4 規(guī)劃布置大儲量工作面

三水平戊一下延、戊二下山及三水平丁二采區(qū)新規(guī)劃工作面及下分層工作面規(guī)劃布置大采長、大儲量工作面，應用1面6巷技術治理瓦斯來增加采長。合理挖潛三水平丁二采區(qū)西部丁5煤層可采部分，作為保護層開采后，盡量布置大采長工作面。規(guī)劃采長200～240m范圍[1]，如戊8-32140、戊0-31120、戊0-31140等采面。二水平丁戊二、丁戊三復采采區(qū)工作面通過優(yōu)化，整合為大儲量工作面，同時避開老巷對掘進及回采的影響。近3a共規(guī)劃0.5Mt以上工作面14個、0.8Mt以上工作面9個，并淘汰了0.3Mt以下工作面。

根據(jù)三水平下延丁組煤層在礦井東翼東部不可采，厚度僅0.3～1.0m，同時為了增加采區(qū)東翼走向長度，布置大走向、大儲量工作面，考慮不再布置丁一下山巷道，直接延長丁二采區(qū)東翼約800m，使得丁二東翼走向長度達到2500m，采區(qū)可采儲量可增加2.2Mt，緩解了接替緊張局面，有利于高產(chǎn)高效。節(jié)減了丁一下山準備巷道工程量約3600m，節(jié)約了開拓準備工期和大量礦建、安裝等工程資金。

2.5 強化瓦斯治理

一礦丁組、戊組煤層間距在70m左右，具備開采戊組煤解放丁組煤的條件，同時在戊組煤層內(nèi)部各層煤分層間合理選擇首采層，進而合理確定了煤層組內(nèi)、組間和單一煤層掘進、采煤工作面瓦斯治理技術路線。強化礦井瓦斯治理，近幾年礦井年度瓦斯治理巖巷工程、抽放鉆孔、抽放量不斷增加。采用穿層鉆孔、迎面斜交鉆孔、順層鉆孔、采空區(qū)埋管(插管)、高位巷抽放及老空區(qū)抽放瓦斯等方法治理工作面瓦斯，并據(jù)瓦斯來源選擇高(低)負壓抽放系統(tǒng)進行分源抽放[3]。逐步實現(xiàn)了礦井丁、戊組煤層保護性開采，如戊8-32040、戊8-31140、戊8-31220、戊8-32140等采面均為鄰近層開采起到保護作用。實現(xiàn)了瓦斯突出區(qū)域安全可控，保證了安全生產(chǎn)，每年礦井安全煤量均保持在6.0Mt以上，能夠滿足礦井4.0Mt產(chǎn)能需要。

2.6 高地應力支護技術

為了獲取礦井深部區(qū)域圍巖穩(wěn)定性和地應力數(shù)據(jù)，據(jù)此采取合理的支護方案和支護參數(shù)，減少深部區(qū)域巷道變形破壞程度，降低巷道維護成本。一礦在礦井深部區(qū)域進行了流變應力恢復法測試地應力、跨孔深波圍巖松動圈測試實驗，并相應采取了支護方案，提高了深部軟巖巷道支護效果。

2.6.1 深部區(qū)域采用流變應力恢復法

流變應力恢復法能夠克服傳統(tǒng)水壓致裂法、應力解除法需要巖性較好的測試條件，能夠進行軟弱裂隙圍巖的地應力測試，同時還能夠長期對3個方向主應力大小進行監(jiān)測。實驗地點選在三水平下延戊一軌道下山550m處，埋深790m，為全巖巷道，試驗中分別在巷道底板和幫部鉆孔并埋設三向壓力盒，三向壓力盒放置孔內(nèi)后進行注漿充填密實，然后進行了6個月的觀測分析。流變應力恢復法地應力測試孔布置見圖1。

圖1 流變應力恢復法地應力測試孔布置

經(jīng)觀測和數(shù)值模擬結(jié)算，獲得該區(qū)域地應力數(shù)據(jù)，最大主應力值為30.6MPa、方位109°、傾角15°,中主應力值為21.4MPa、方位45.8°、傾角74.8°，最小主應力值為19.9MPa、方位19.3°、傾角1.2°。

2.6.2 跨孔聲波圍巖松動圈測試技術

試驗中進行了鉆孔、下鋼管、管外注漿、管內(nèi)充水等工作，然后采用專用聲波儀和聲波探頭對兩個鉆孔間松動圈進行了測試。通過測試，發(fā)現(xiàn)總深度20m的鉆孔中，0～11m深度范圍內(nèi)巖體較疏松，在11.0～12.0m深度巖層存在松動圈、為圍巖破碎帶，13m以深為巖性原始完整區(qū)域，從而為巷道支護提供了深度上的依據(jù)。松動圈聲波透射探測孔施工示意見圖2。

圖2 松動圈聲波透射探測孔施工

2.6.3 深部大斷面軟弱巷道支護技術

一礦三水平下延戊一回風上山標高-800～-950m，埋深950～1080m。布置在戊8煤頂板的砂質(zhì)泥巖中，為半圓拱形斷面，凈寬6.0m，凈高4.8m。根據(jù)測試情況，礦井深部地應力數(shù)據(jù)較淺部增加明顯，局部巷道有嚴重變形失修現(xiàn)象，針對高地應力、軟巖等地質(zhì)條件，采用了錨網(wǎng)索噴+注漿錨桿+注漿組合錨索支護，一次支護采用錨網(wǎng)噴和普通錨索，二次支護采用注漿錨桿加組合錨索，若達不到支護效果，增加中空注漿錨索加強支護，有效控制了周圍巖體變形，降低巷道翻修率[4]。

(1)一次支護錨索3套/排(圍巖條件較差時5套/排)。

(2)二次支護錨桿為φ25mm×3000mm的中空注漿錨桿，間排距1500mm，9根/排，配Z2850型樹脂藥卷，1卷/根；錨桿螺母預緊力不低于30kN。注漿漿液水灰比1∶2～2.5，加水泥重量8%的ACZ-1注漿添加劑，注漿壓力>5MPa。噴厚150mm。注漿組合錨索由3根φ22mm×16000mm的鋼絞線組合而成，間排距3000mm[5]。

(3)加強支護：采用φ29mm×8300mm中空注漿錨索，間排距1500mm，配Z2850型樹脂藥卷2卷；張拉預緊力不低于120kN。注漿漿液添加水泥8%的ACZ-1型添加劑，注漿壓力>7MPa。

3 結(jié)束語

一礦屬于典型的中部礦區(qū)老礦井，開采時間長、系統(tǒng)復雜、生產(chǎn)效率較低。利用探巷、鉆探、地質(zhì)分析等多種手段對資源進行勘查分析，實施了深部資源開發(fā)，為礦井長遠發(fā)展提供了戰(zhàn)場。通過優(yōu)化布局不斷集中生產(chǎn)，減少了生產(chǎn)區(qū)域，采區(qū)數(shù)量由7個減為4個，保證了礦井生產(chǎn)接替正常。大儲量工作面為集中生產(chǎn)、單產(chǎn)提高創(chuàng)造了條件，系統(tǒng)優(yōu)化和機械化、自動化進一步提高了采掘裝備水平、減少了人員投入，提高了采掘工作效率。確定多煤層區(qū)域瓦斯治理技術路線，采用沿空留巷、Y型通風、多種抽放模式相結(jié)合等技術治理瓦斯，解放了生產(chǎn)力、礦井年度安全煤量均在6.0Mt以上，為礦井4.0Mt產(chǎn)能和安全開采奠定了堅實基礎，保持了礦井的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

[1]白錦勝.沙曲礦井設計優(yōu)化實踐[J].煤炭工程，2008(3)：5-7.

[2]何宗禮.十一礦主要通風機改造及通風系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].煤炭技術，2009(2)：12-15.

[3]聶 政.淮北煤田區(qū)域性防治煤與瓦斯突出對策[J].煤炭科學技術，2008，36(4)：54-57.

[4]劉泉聲，張 華，林 濤.煤礦深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護對策[J].巖石力學與工程學報，2004(21)：3732-3737.

[5]袁 亮，薛俊華，劉泉聲，等.煤礦深部巖巷圍巖控制理論與支護技術[J].煤炭學報，2011，36(4)：535-543.

[6]萬 軍.多水平多采區(qū)突出礦井安全高效模式研究與實踐[J].中州煤炭，2016(6)：44-48.

[7]柯鴻斌.煤炭企業(yè)推動安全效益型礦井發(fā)展的探索[J].煤炭經(jīng)濟研究，2014(6)：80-82.