桑樹坪煤礦3號煤層煤與瓦斯動力災害治理實踐

蘇宏剛

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

桑樹坪煤礦煤與瓦斯動力災害治理以開采保護層為主，近幾年來礦井先后開展2號煤層作上保護層、11號煤層作下保護層的瓦斯治理試驗，類似的工程條件下的相關研究也取得了良好的技術效果[1-6]。礦井2號、11號煤層分別在2014年、2015年鑒定為突出煤層；同時，由于上保護層2號煤層部分區(qū)域薄化不可采、下伏11號煤層含硫高且面臨底板奧灰水威脅不可采，對礦井瓦斯災害治理提出了新的需求；2015年礦井3號煤層非保護區(qū)煤巷掘進發(fā)生煤與瓦斯突出動力災害事故后，礦井防突工作面臨巨大的壓力。桑樹坪煤礦原有采掘部署均未考慮2號、11號煤層的突出防治的需求，導致2號、11號煤層升級為突出煤層后，礦井無法適應瓦斯災害治理的總體需求，且該兩煤層瓦斯治理的時間與空間不足。礦井近年雖經(jīng)過調(diào)整，但采掘部署仍無法滿足礦井瓦斯治理的需求，同時導致生產(chǎn)系統(tǒng)復雜。

1 工程概況

礦井目前生產(chǎn)分布在南、北兩個采區(qū)，總體利于礦井瓦斯災害治理，但現(xiàn)有開拓系統(tǒng)無足夠的瓦斯治理配套工程，急需對現(xiàn)有的采掘部署進行調(diào)整。桑樹坪煤礦3號煤層突出災害主要表現(xiàn)為應力主導型突出，無保護層開采條件下，針對煤巖瓦斯動力災害危險，傳統(tǒng)單一、無差別的本煤層卸壓預抽瓦斯難以有效消除復合動力災害危險[7-9]。

3號煤層采用下保護層開采時，以下保護層11號煤層開采結合上向穿層鉆孔強化卸壓瓦斯抽采作為區(qū)域防突措施；11號煤層瓦斯治理采用順層鉆孔邊采邊抽、在3號煤層底板巷施工穿層鉆孔抽采3號煤層卸壓瓦斯、高位鉆孔和沿空留巷埋管采空區(qū)抽采等綜合瓦斯治理措施。3號煤層采用上保護層開采時，以上保護層2號煤層開采結合下向穿層鉆孔強化卸壓瓦斯抽采作為區(qū)域防突措施；2號煤層瓦斯治理采用順層鉆孔邊采邊抽、沿空留巷側(cè)施工下向穿層鉆孔抽采3號煤層卸壓瓦斯、高位鉆孔和沿空留巷埋管采空區(qū)抽采等綜合瓦斯治理措施。

2 煤與瓦斯動力災害治理技術方案

2.1 煤層開采程序論證

防治突出角度論證3號煤層的保護層：從煤層瓦斯壓力、堅固性系數(shù)、瓦斯發(fā)散速度及煤層厚度以及采掘過程中的實際災害情況分析，礦井2號、11號突出危險大體一致，3號煤層突出危險性最嚴重，從防治突出的角度來看，2號、11號煤層均可作為3號煤層的保護層。

11號煤層論證：2015年桑樹坪煤礦11號煤層已鑒定為突出煤層。該煤層作保護層的過程中，面臨突出、奧灰水、H2S、自燃等災害的威脅；煤層工作面H2S涌出量較大，工作環(huán)境惡劣。11號煤層原煤硫含量很高，屬富硫～高硫煤，其洗選性較差，面臨巨大的環(huán)保壓力，也不符合國家的能源開發(fā)政策。綜合分析，認為11號煤層不宜繼續(xù)作為保護層開采。

2號煤層論證：2014年2號煤層鑒定為突出煤層，且深部實測瓦斯壓力達到1.35 MPa；2號煤層地質(zhì)復雜，小斷層十分發(fā)育，同時2號煤層中經(jīng)常見到一些小型壓梁、底鼓褶曲構造，礦井已發(fā)生的突出事故多發(fā)生在構造附近。從現(xiàn)有的開采情況來看，南一采區(qū)3312工作面，該區(qū)域地勘鉆孔7個，煤層厚度0.58～1.21 m，與3號煤層間距11.02～17.98 m；2號煤層掘進過程中局部區(qū)域與3號煤層間距2.00～3.00 m。掘進至該區(qū)域時工作面瓦斯涌出大，個別區(qū)域甚至誤揭3號煤層，嚴重威脅2號煤層的采掘安全。煤層賦存不穩(wěn)定，厚度變化較大，北一采區(qū)4219工作面開采時，工作面淺部2個地勘鉆孔，見煤厚度0.78～1.02 m，但該區(qū)域?qū)嶋H揭露煤層厚度小于0.5 m，局部煤層尖滅，出現(xiàn)無煤帶，導致工作面淺部約120 m無法開采，從而導致被保護層工作面形成應力集中帶，給3號煤層的開采帶來困難。

論證結果：綜上所述，可作為3號煤層保護層開采的有效保護垂距內(nèi)無厚度0.5 m及以上無突出危險煤層；2號煤層局部與3號煤層間距小，3號煤層威脅到2號煤層采掘安全；下伏的11號煤層開采面臨突出、奧灰水、H2S、自燃等災害的威脅。因此桑樹坪煤礦不具備保護層開采條件，礦井僅開采3號煤層。

2.2 瓦斯治理技術方案

針對礦井3號煤層無保護層開采條件的情況，直接開采單一3號煤層區(qū)域防突措施是重點。根據(jù)3號煤層賦存特點以及目前技術裝備現(xiàn)場，提出以下兩種區(qū)域防突措施方案。

方案Ⅰ：穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯。距3號煤層底板20 m位置布置兩條底板瓦斯抽采巷，底板瓦斯抽采巷I相對于回順內(nèi)錯30 m，底板瓦斯抽采巷Ⅱ相對于運順外錯30 m，兩條瓦斯抽采巷通過切眼底板抽采巷聯(lián)通形成全負壓通風，切眼底板抽采巷相對切眼內(nèi)錯20 m。底板瓦斯抽采巷Ⅰ施工穿層鉆孔控制3號煤層回順煤巷條帶區(qū)域，底板瓦斯抽采巷II施工穿層鉆孔控制3號煤層運順、下區(qū)段3號煤層回順煤巷條帶區(qū)域；鉆孔的控制范圍為輪廓線瓦斯15 m，鉆孔采用三花布置，鉆孔間距6 m×6 m，同時結合水力擴孔強化卸壓抽采技術，如圖1所示。待兩順消突后，在兩順施工順層交叉鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯，距切眼300 m范圍內(nèi)鉆孔間距為2 m，其余區(qū)域鉆孔間距4 m，鉆孔控制停采線外20 m；斜交鉆孔與工作面夾角75°，如圖2所示。鑒于煤層厚度在同一工作面差異性大，煤層厚度3～12 m，施工過程中根據(jù)煤層厚度確定順層鉆孔布置的排數(shù)。煤層厚度小于2 m時，布置1排鉆孔；煤層厚度2～5 m時，布置2排鉆孔；煤層厚度5～9 m時，布置3排鉆孔；煤層厚度9～12 m時，布置4排鉆孔。鉆孔直徑采用φ94 mm，穿層鉆孔封孔深度10 m，順層鉆孔封孔深度15 m?；夭蛇^程中采用邊采邊抽，在回采工作面采空區(qū)埋設抽采管對采空區(qū)進行埋管抽采，以防3號煤層回采時工作面后方采空區(qū)積聚瓦斯致使隅角瓦斯超限；同時在回順施工高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯。

圖1 穿層鉆孔預抽煤巷條帶區(qū)域瓦斯鉆孔布置示意圖

圖2 順層鉆孔預抽回采區(qū)域鉆孔布置示意圖

方案Ⅱ：一面四巷+穿層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯。南一、北一采區(qū)充分利用+280 m、+200 m水平的開拓巷道，布置一條頂板瓦斯抽采巷、底板瓦斯抽采巷，與兩水平的系統(tǒng)巷道聯(lián)通形成全負壓通風系統(tǒng)。距3號煤層底板20 m位置布置一條底板瓦斯抽采巷，對于運順內(nèi)錯30 m；距3號煤層頂板布置一條頂板瓦斯抽采巷，相對于回順內(nèi)錯30 m，頂板抽采巷距3號煤層頂板30 m。鉆孔控制范圍為兩順輪廓線外15 m及回采區(qū)域，沿工作面走向控制范圍為切眼外側(cè)15 m、停采線外20 m。鉆孔采用三花布置，鉆孔間距6 m×6 m，如圖3所示。鉆孔直徑采用φ94 mm，穿層鉆孔封孔深度10 m?；夭蛇^程中利用穿層鉆孔邊采邊抽；頂板瓦斯抽采巷抽采采空區(qū)瓦斯，采取分段密閉巷道抽采上鄰近層卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯，巷道分段密閉距離根據(jù)3號煤層工作面超前支撐壓力影響距離等因素確定。

圖3 穿層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯鉆孔布置剖面示意圖

2.3 區(qū)域防突措施治理方案比較分析

優(yōu)缺點分析：對于上述2種方案，從桑樹坪煤礦瓦斯治理方案瓦斯治理工程及安全可靠性等方面進行對比分析，見表1。

表1 區(qū)域防突措施方案比較分析表

方案確定及優(yōu)化：目前礦井已引進ZLD-4000鉆機并進行了試驗，順層鉆孔施工深度80～90 m，可以保障鉆孔的實施。穿層鉆孔太長，則施工精度及質(zhì)量無法保證，綜合比較分析，桑樹坪煤礦采用方案I，即采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶區(qū)域煤層瓦斯，順層鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯，回采過程中采用邊抽邊采，采空區(qū)埋管及高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯。同時，若后期煤層瓦斯含量增加，亦可直接利用底板瓦斯抽采巷施工穿層鉆孔抽采區(qū)段煤層瓦斯。

2.4 礦井地應力主導型突出災害治理技術

開展治理的必要性：桑樹坪煤礦所開采的3號煤層為近水平嚴重突出厚煤層，發(fā)生煤與瓦斯突出122次，3號煤層上覆存在堅硬厚層頂板，3號煤層突出災害主要表現(xiàn)為應力主導型突出。無保護層開采條件下，針對煤巖瓦斯動力災害危險，傳統(tǒng)單一的預抽瓦斯或本煤層卸壓抽采措施難以有效消除復合動力災害危險。

治理技術：無保護層開采條件下，煤巷條帶區(qū)域可以采用穿層鉆孔結合超高壓水力擴孔卸壓增透技術解決煤巷條帶區(qū)域防突，采用密集順層鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，還應對工作面頂板弱化降沖、煤層卸壓解決突出災害中的應力能量。分析采動應力集中及來壓規(guī)律，考慮采動應力、地質(zhì)構造、煤層賦存變化及瓦斯等多因素權重分析法結合無線電坑透技術劃分重點與一般防范危險區(qū)，依據(jù)劃分結果對重點防范區(qū)域施工密集鉆孔卸壓及抽采；回采前或回采過程中試驗研究頂板控制預裂爆破弱化降沖工藝技術，降低頂板沖擊誘發(fā)采煤工作面煤體壓出。

3 煤與瓦斯突出治理保障措施

突出礦井合理的采掘部署及巷道布置，是搞好礦井安全，尤其是防治重大瓦斯突出事故的一個核心和關鍵問題。突出礦井必須確定合理的采掘部署，使煤層的開采順序、巷道布置、采煤方法、采掘接替等有利于區(qū)域防突措施的實施[10-12]。礦井目前已完成準備的11號煤接續(xù)采面3109工作面回采結束后，11號煤不再作為保護煤層進行開采，對11號煤采區(qū)進行永久封閉。只開采3號煤層，主要位于采區(qū)+200～+280 m標高之間。

北翼現(xiàn)主要開采北一采區(qū)，其剩余的4321、4322兩個工作面尚未開采。礦井現(xiàn)階段開始北二采區(qū)的開拓延伸，北二采區(qū)淺部+235 m標高布置三條大巷，均布置在3號煤層底板，可增設一條煤層回風巷作為減少揭煤次數(shù)的備用巷道；南部布置三條下山，布置在3號煤層底板；采區(qū)深部+175 m標高布置3條巷道，均布置在3號煤層底板。采用傾斜條帶開采，工作面寬度155 m，長度1 500 m，采用綜放工藝，全部垮落法管理頂板。首采工作面布置兩條底板瓦斯抽采巷，一條相對于運順內(nèi)錯30 m，一條相對于回順外錯30 m；接替的工作面布置一條底板瓦斯抽采巷，相對于回順外錯30 m；底板瓦斯抽采巷布置在3號煤層底板法距20 m位置。初期南一采區(qū)3號煤采面回采結束后，跳采至北一采區(qū)進行開采，后跳回至南一采區(qū)；待北一采區(qū)開采結束后，南一、北二采區(qū)之間跳采，實現(xiàn)3號煤采面南、北采區(qū)跳采的總體布局。通過礦井采掘部署調(diào)整，為礦井區(qū)域防突措施執(zhí)行及瓦斯抽采提供時間和空間，保證了礦井“抽、掘、采”平衡。

4 結語

桑樹坪煤礦嚴重突出3號煤層單一煤層開采，針對礦井煤層賦存及瓦斯災害特點，提出采用穿層鉆孔結合超高壓水力擴孔卸壓增透預抽煤巷條帶區(qū)域煤層瓦斯，順層密集鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯。同時采用頂板控制預裂爆破弱化降沖工藝技術，是治理桑樹坪煤礦3號煤層地應力主導災害的可行方法。通過礦井南一采區(qū)、北一采區(qū)和北二采區(qū)采掘部署調(diào)整和優(yōu)化，為礦井區(qū)域防突措施執(zhí)行及瓦斯抽采提供時間和空間，進一步為礦井突出災害治理提供有利條件。