資源整合礦井重大災(zāi)害的防治技術(shù)應(yīng)用

文/張紅義

山西省的煤層具有埋藏淺、煤質(zhì)好的特性，也正是基于這一點(diǎn)，小煤窯在全省范圍內(nèi)分布廣泛，一度造成粗放、松散的開采局面，極不利于煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展。山西省于2009年對省內(nèi)礦井進(jìn)行資源整合，山西焦煤霍州煤電集團(tuán)晉南煤業(yè)公司完成了對河津、鄉(xiāng)寧兩區(qū)域部分礦井的資源整合工作，其所屬礦井均為資源整合礦井。為加強(qiáng)對整合礦井的安全管理，近年來，晉南公司對薛虎溝、騰暉兩座生產(chǎn)礦井在水患、瓦斯防治、頂板安全管控等重大災(zāi)害防治方面，制定了針對性的技術(shù)措施，進(jìn)行了綜合防治，取得了良好效果。

一、資源整合礦井“水患、瓦斯、頂板”三項(xiàng)重大災(zāi)害特點(diǎn)

整體來講，資源整合礦井接管前原礦井水文地質(zhì)資料缺乏，防治水基礎(chǔ)管理薄弱，多數(shù)礦井普遍存在井田勘探程度低、地質(zhì)資料欠缺，尤其是水文地質(zhì)方面的資料基本屬于空白，礦井移交的各種水文地質(zhì)基礎(chǔ)臺賬和基本圖紙短缺較多、部分?jǐn)?shù)據(jù)失真。同時(shí)，原礦井受開采技術(shù)或裝備限制，對煤炭資源的開采屬于小規(guī)模非正規(guī)私挖濫采，多數(shù)巷道布置不合理、無規(guī)律可循，井田范圍內(nèi)遭受小窯破壞嚴(yán)重，已開采的采空區(qū)和采空積水區(qū)等情況不清且無法現(xiàn)場準(zhǔn)確調(diào)查、測量，對整合以后的礦井開采設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)帶來較大的安全隱患。

晉南公司所屬的騰暉煤業(yè)屬于高瓦斯礦井，煤層原始瓦斯含量達(dá)13.67m3/t，煤層堅(jiān)固性系數(shù)低、透氣性差，抽采鉆孔瓦斯流量衰減快，造成抽采難度大、效果差，礦井采用綜采放頂煤開采工藝，采空區(qū)存有遺煤，瓦斯涌出量大，上隅角容易積聚瓦斯。薛虎溝煤業(yè)整合前2#煤層平均厚度為4.5～5m左右，但多數(shù)上分層資源已開采，部分下分層煤也已受到破壞，受原小煤窯空巷及采空區(qū)影響，巷道揭露后發(fā)現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象較為普遍，開采過程中復(fù)采煤層及頂板破碎易垮落，造成現(xiàn)階段礦井在巷道掘進(jìn)揭露空巷或采空區(qū)過程中頂板及有毒有害氣體安全管理難度增加。資源整合礦井特點(diǎn)及企業(yè)面臨的安全生產(chǎn)難題如圖1所示。

圖1 資源整合礦井特點(diǎn)及企業(yè)面臨的安全生產(chǎn)難題

二、重大災(zāi)害防治技術(shù)應(yīng)用

1.堅(jiān)持問題導(dǎo)向，有的放矢補(bǔ)齊探放水安全管控“短板”

晉南公司所屬礦井目前主要開采2#煤，騰暉煤業(yè)2#煤層部分為實(shí)煤體，薛虎溝煤業(yè)2#煤層部分區(qū)域已進(jìn)行過巷采，但沒有進(jìn)行過大面積壁式開采，在探放水過程中，局部受采空巷道影響，造成長探不能正常進(jìn)行。為此，需要研究應(yīng)用新的探放水模式和技術(shù)。

（1）針對煤層賦存的特點(diǎn)，研究新的探放水工作模式。在實(shí)際應(yīng)用過程中不斷優(yōu)化總結(jié)，逐步形成“1233”防治水工作模式：“1”為一個(gè)分區(qū)，嚴(yán)格按照評審備案的《煤礦防治水分區(qū)管理論證報(bào)告》進(jìn)行分區(qū)管理，嚴(yán)禁無計(jì)劃進(jìn)入緩采區(qū)及禁采區(qū)進(jìn)行采掘作業(yè)活動；“2”為兩個(gè)評價(jià)，嚴(yán)格按照《采掘兩面防治水安全許可評價(jià)》規(guī)定要求，做好掘進(jìn)工作面作業(yè)期間的防治水安全許可評價(jià)、工作面回采期間的防治水安全許可評價(jià)；第一個(gè)“3”為“三專一證”，即專職探放水隊(duì)伍、專業(yè)技術(shù)人員、專用探放水鉆機(jī)和探放水作業(yè)人員操作資格證；第二個(gè)“3”為物探、化探和鉆探，嚴(yán)格按照“物探先行、化探跟進(jìn)、鉆探驗(yàn)證”的綜合探查方法，查明水源，消除水患。

（2）成功應(yīng)用鉆孔軌跡測量及鉆孔窺視新技術(shù)。鉆孔軌跡測量主要應(yīng)用于對已施工鉆孔的軌跡進(jìn)行測量，并對鉆孔質(zhì)量進(jìn)行分析評價(jià)，對鉆孔施工的方位、傾角及終孔位置是否符合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對比，通過總結(jié)分析，解決鉆探在實(shí)際操作過程中鉆探工對鉆機(jī)壓力給定的忽大忽小問題及現(xiàn)場鉆孔參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性等問題；鉆孔窺視技術(shù)主要對所施工的鉆孔所揭露的巖性進(jìn)行分析對比，揭露老空是否存在積水及對老空巷道走向及范圍情況進(jìn)行分析，將鉆孔施工情況通過視頻進(jìn)行反應(yīng)，更直觀地綜合分析鉆孔情況。

圖2 技術(shù)關(guān)鍵及實(shí)施目標(biāo)

（3）對復(fù)采煤層和厚煤層探放水采取針對性措施進(jìn)行管控。薛虎溝煤業(yè)復(fù)采煤層在原長探的基礎(chǔ)上，根據(jù)工作面采空分布情況，使用專用鉆機(jī)在工作面迎頭布置3至5個(gè)短探孔，至少保證布置3個(gè)鉆孔，鉆孔呈扇形布置，角度根據(jù)煤層厚度，由下分層1.5米處上揚(yáng)到上分層，距離頂板不得超過0.5米為準(zhǔn)。實(shí)行每小班短探10米掘進(jìn)3米，保持7米的超前距，在長探基礎(chǔ)上對鉆孔進(jìn)行窺視、綜合分析評價(jià)確定允許掘進(jìn)距離，并增加短探短掘，班班進(jìn)行自探工作，保證鉆探留痕，有痕掘進(jìn)；騰暉煤業(yè)采用厚煤層立體壓茬式探測，設(shè)計(jì)上下兩排長探鉆孔，對施工完成鉆孔進(jìn)行鉆孔軌跡測量，檢測鉆孔終孔位置是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如遇揭露斷層等情況可通過窺視對鉆孔所揭?guī)r層進(jìn)行分析，經(jīng)綜合分析確保鉆孔有效控制鉆探安全區(qū)域，對于下層鉆孔沒有覆蓋到的部位進(jìn)行有效探測，不留盲區(qū)，上下形成壓茬式鉆孔布置，2019年3月至4月，2-100工作面有計(jì)劃疏放采空區(qū)積水4萬m3，“1123”探放水管理模式取得較好成效。技術(shù)關(guān)鍵及實(shí)施目標(biāo)如圖2所示。

2.堅(jiān)持綜合整治，多措并舉提升高瓦斯抽采達(dá)標(biāo)管理

（1）以孔代巷抽采技術(shù)。騰暉煤業(yè)為高瓦斯礦井，井下2-105工作面設(shè)計(jì)在采區(qū)邊界上，相鄰2-104工作面回采基本結(jié)束，采空區(qū)瓦斯較高，給2-105工作面瓦斯管理帶來難度。為此，該工作面采用了“以孔代巷”抽采技術(shù)（800mm大孔徑代替橫貫埋管技術(shù)）。此技術(shù)一是減少了2-105工作面7個(gè)橫貫共計(jì)140米掘進(jìn)巷道施工，緩解采掘銜接壓力；二是解放了20米護(hù)巷煤柱資源回收，回收資源11.62萬噸。該項(xiàng)目工程施工完成后，實(shí)現(xiàn)了對開采工作面采空區(qū)進(jìn)行低負(fù)壓、大流量抽采，改變了工作面采空區(qū)瓦斯流場，大幅度降低了工作面采空區(qū)瓦斯在上隅角積聚，徹底解決了回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大和上隅角超限等問題，為礦井的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

（2）高低位裂隙鉆孔、本煤層預(yù)抽、上隅角插管等多種手段抽采技術(shù)。騰暉煤業(yè)近幾年在災(zāi)害防治方面投入了大量的人力和財(cái)力，先后采用了“U+U”“U+L”型等通風(fēng)方式，均不同程度地需施工專用排瓦斯巷，加大了礦井成本，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。新版《煤礦安全規(guī)程》施行后，不再允許設(shè)置專用排瓦斯巷（內(nèi)錯(cuò)或外錯(cuò)尾巷），經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員研究，提出在騰暉煤業(yè)2-100工作面試驗(yàn)采用純“U”型通風(fēng)系統(tǒng)的改造方案，主要是通過采取高、低位裂隙鉆孔、本煤層預(yù)抽、上隅角插管抽采等措施對采空區(qū)高濃度瓦斯進(jìn)行抽放。抽采系統(tǒng)在大巷采用Φ630×10mm無縫鋼管，在正巷順槽內(nèi)鋪設(shè)一趟Φ325×2mm螺紋鋼管，開展本煤層鉆孔抽采，同時(shí)在回風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)兩趟Φ325×2mm螺紋鋼管，進(jìn)行高、低位裂隙鉆孔抽采，上隅角鋪設(shè)一趟進(jìn)行低負(fù)壓抽采。工作面本煤層抽放鉆孔設(shè)計(jì)300個(gè)，進(jìn)尺55500m；低位裂隙鉆孔設(shè)計(jì)14組，共計(jì)設(shè)計(jì)鉆孔84個(gè)，進(jìn)尺6720m；高位裂隙鉆孔設(shè)計(jì)16個(gè)，單孔350m，總進(jìn)尺56000m。通過多種抽采手段，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯礦井低瓦斯?fàn)顟B(tài)生產(chǎn)，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本和減少了預(yù)抽時(shí)間，實(shí)現(xiàn)安全管控到位。瓦斯治理綜合工程布置示意圖如圖3所示。

3.注重合理施策，全力以赴確保頂板支護(hù)安全可靠

薛虎溝煤業(yè)原小煤窯對上分層巷開采后，直接頂大面積垮落，直接頂垮落最大高度6～15m，寬度為10～20m，經(jīng)常揭露的小煤窯采空區(qū)平均冒落高6.5m，寬7.5m，且巷道掘進(jìn)過程中30%以上巷道頂板受小窯破壞區(qū)影響，回采面小窯破壞區(qū)影響面積約為40%，礦井面臨2#煤復(fù)采時(shí)頂板破碎易冒頂、復(fù)采面壓力分布不均勻、巷道維護(hù)困難和資源回收率低等難題。

基于多年來的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與現(xiàn)場實(shí)踐分析，在巷道掘進(jìn)期間采用29U拱形棚架進(jìn)行支護(hù)，巷道沿煤層底板掘進(jìn)施工并要求棚腿柱窩位于底板下0.2m處，保障棚腿受力支撐效果。揭露空巷期間曾使用前探管梁、超前注漿、內(nèi)注單體柱等方式作為臨時(shí)支護(hù)使用，但仍存在支護(hù)強(qiáng)度不足、穩(wěn)定效果差、作業(yè)成本高等問題，后摸索使用風(fēng)動鉆機(jī)超前施工鋼釬作為臨時(shí)支護(hù)，現(xiàn)場使用效果較為理想，減少了迎頭排矸量、頂部構(gòu)頂量的同時(shí)將月單進(jìn)由之前的120m/月提升至180m/月，在保證安全施工的前提下提升了掘進(jìn)工效，有效解決了礦井銜接緊張問題，提升了2#煤優(yōu)質(zhì)資源回收率。

圖3 瓦斯治理綜合工程布置示意圖

三、結(jié)語

煤礦安全生產(chǎn)要堅(jiān)定“安全第一、技術(shù)先行”這一工作理念，依靠超前的科學(xué)技術(shù)管理、健全完善的技術(shù)保障體系以及合理高效的工作運(yùn)行機(jī)制，統(tǒng)籌謀劃、科學(xué)分析影響礦井安全生產(chǎn)的各類疑難雜癥，通過精準(zhǔn)發(fā)力、綜合施策，協(xié)力推進(jìn)煤礦企業(yè)安全有序、平穩(wěn)健康發(fā)展。

在當(dāng)前智能化礦井、綠色（充填）開采、5G信息技術(shù)等新的開采技術(shù)逐步取代原來煤礦開采工藝的情況下，加強(qiáng)或超前完成煤礦重大災(zāi)害治理工作尤為重要。山西焦煤霍州煤電集團(tuán)晉南煤業(yè)公司針對薛虎溝、騰暉兩座整合礦井在水患、瓦斯防治、頂板安全管控等重大災(zāi)害防治問題，制定了有針對性的技術(shù)措施，取得了良好效果。實(shí)踐證明，高低位裂隙瓦斯抽采技術(shù)、定向鉆探抽采與探疏放水技術(shù)、新型頂板支護(hù)技術(shù)，對于解決資源整合礦井安全生產(chǎn)過程中可能面臨的各類困難有非常重要的作用，在實(shí)踐中應(yīng)加以借鑒和推廣應(yīng)用。