工作面過斷層期間自燃與沖擊風險管控技術

李棟梁 徐 超 秦 鵬

（山東省天安礦業(yè)集團有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

山東省天安礦業(yè)集團有限公司星村煤礦主采3煤層。礦井自投產以來，受深部開采的影響，煤質破碎、壓力大，自燃風險與沖擊地壓風險較高，特別是工作面過斷層期間的防火與防沖治理更是難點。超強卸壓使得煤體大范圍嚴重破碎，導致自然發(fā)火幾率大大增加，回采速度的變慢同樣使得自然發(fā)火幾率幾何式增加。對于沖擊地壓防治來說，強卸壓、強監(jiān)測、強支護、慢推進是有效手段；但對于自然發(fā)火防治而言，煤體完整、快推進是保證礦井不發(fā)生自然發(fā)火的重要手段。如何合理有效地管控過斷層期間煤體沖擊地壓危險與自然發(fā)火危險成為安全生產所面臨的難題。

星村煤礦現回采的3306 工作面總體構造形態(tài)為單斜構造，局部發(fā)育小幅緩波狀褶曲。工作面煤層走向北30°～40°西，傾向北50°～60°東，傾角3°～15°，平均11°。SF101 斷層貫穿整個工作面，對回采影響較大，致使工作面局部破巖石及丟底煤。SF101 斷層情況見表1，SF101 斷層示意圖如圖1。

圖1 3306 工作面SF101 斷層示意圖

表1 SF101 斷層情況表

如何有效管控斷層期間的防火與防沖重大風險，成為了解決問題的重點。

2 自然發(fā)火與沖擊地壓風險管控技術

由于過斷層期間自然發(fā)火重大風險與沖擊地壓重大風險共存，采取分項治理沖擊地壓與自然發(fā)火的同時，需對重點區(qū)域采取綜合治理的方式進行管控。

2.1 過斷層期間沖擊地壓防治技術

主要從四個字入手，一減：減少工作面推進度，根據工作面壓力顯現具體分析及時進行調整；二卸：重點對斷層尖滅位置進行卸壓，爆破孔再向兩端延伸，輔助卸壓的措施要堅持；三支：加強運順的頂幫支護；四控：控制危險區(qū)域施工人員，把人減下來。

2.1.1 大直徑鉆孔卸壓

對斷層區(qū)域施工大直徑鉆孔進行預防性卸壓。鉆孔布置：每兩排鋼帶施工一個鉆孔（孔間距1.6±0.5 m），鉆孔布置在巷道底板向上1.5±0.5 m，施工高度可根據現場情況進行適當調整。鉆孔直徑150 mm，鉆孔深度L ≥23 m（施工至巖石時，以實際施工深度為準），鉆孔角度：水平角度垂直于煤壁，垂直角度與煤層傾角一致。

2.1.2 頂板深孔爆破卸壓

孔間距均為15 m，鉆孔深度根據現場實際進行調整，每孔裝90 卷煤礦許用二級水膠炸藥（規(guī)格Φ27 mm×400 mm×300 g），裝藥長度12 m；均為正向裝藥，孔內并聯，孔間串聯；使用毫秒延期同段電雷管，每根母線長度與雷管自身的腳線接起來后應不少于卸壓爆破孔深度，并且雷管與雷管之間能用腳線連接；采用FD200 型發(fā)爆器起爆，一次起爆不超2 個孔，要保證發(fā)爆器電量充足；炮眼用速凝水泥藥卷封孔，炮眼封滿封實。爆破卸壓裝藥結構示意圖如圖2。

圖2 爆破卸壓裝藥結構示意圖

（1）運順頂板爆破卸壓

根據工作面斷層實際情況，運順施工兩組頂板深孔爆破孔。運順深孔爆破參數見表2，運順側整體卸壓示意圖如圖3。

圖3 運順側整體卸壓示意圖

（2）軌順頂板爆破卸壓

根據工作面斷層實際情況，軌順施工9 組頂板深孔爆破孔，見表2。軌順側整體卸壓示意圖如圖4。

表2 運順深孔爆破參數表

表3 軌順深孔爆破參數表

圖4 軌順側整體卸壓示意圖

2.2 過斷層期間自然發(fā)火防治技術

主要從強化常規(guī)防火措施以及監(jiān)測兩方面入手。

2.2.1 縮短管路間距

工作面接近斷層50 m 前兩順鋪設注漿、注氮鋼管，軌順注漿管路沿工作面方向鋪設3～10 m，注漿、注氮管路鋪設間距30 m 左右；工作面接近斷層30 m 前在軌道順槽側沿工作面方向鋪設多出口注漿管，管路長度不小于60 m，第一個三通出口距軌順不小于30 m，靠近溜頭的末端一節(jié)設三通出口，出口不設悶頭；過斷層期間多出口注漿管鋪設間距50 m 左右。

2.2.2 強化常規(guī)防火措施

運順頂板施工防火鉆孔采用三排布置：順槽支架與非采幫之間施工一排鉆孔，兩順槽支架之間施工一排鉆孔，順槽支架與采幫之間施工一排鉆孔，角度60°～80°傾向采空區(qū)方向，間距3 m 左右，鉆孔深度為3～5 m 或至巖石頂板，具體施工鉆孔根據現場情況適當調整鉆孔位置、角度。當現場無施工空間無法施工時，暫不施工鉆孔，在此區(qū)域推至端頭處必須加強對此區(qū)域插眼注防火材料處理。運順非采幫端頭架至后尾梁之間施工防火鉆孔，鉆孔位置距底板約1.5 m，角度60°～80°傾向采空區(qū)方向，間距2 m 左右，鉆孔深度為3 m 左右。1#～10#架間施工防火鉆孔，鉆孔角度60°左右，深度4 m左右，鉆桿前端設0.3～0.5 m 的花管，管與管之間用內接絲連接，封孔用棉紗封孔，保證封孔質量。運順煤壁10 m 外鉆孔以注水、防火劑等防火材料，煤壁10 m 內至端頭處注凝膠處理。工作面架間防火鉆孔注水、防火劑等防火材料處理，移架等因素破壞鉆桿時及時補打鉆孔并注防火材料處理。

2.2.3 加強監(jiān)測

工作面接近斷層50 m 前在兩順鋪設監(jiān)測束管，束管出口使用花管保護，將束管引至兩順煤壁外并做好保護。束管鋪設間距15 m 左右，每周不少于6次采樣。

2.2.4 強化注漿注氮工藝

軌順注漿及注氮交替進行，注漿管路選擇進入采空區(qū)約50 m，每次壓注量約100 m3；注氮管路選擇進入采空區(qū)約30～40 m，注氮流量約500 m3/h。根據現場出水及兩隅角氧氣情況適當選擇注漿、注氮一次性壓注量。當回風流一氧化碳氣體大于10 ppm 且有上升趨勢時，對采空區(qū)壓注阻化泡沫處理。管路選擇運順注氮管路進入采空區(qū)約40 m，具體管路選擇根據氣體分析情況適當調整，一次性壓注量約3 t，具體情況根據現場情況適當調整一次性壓注量。

2.3 沖擊地壓與自然發(fā)火綜合管控

（1）針對卸壓大孔及深孔爆破位置，每隔20 m 敷設一束管，每周取樣分析一次，進入采空區(qū)后不再取樣分析。

（2）對于出現大震動區(qū)域及時補注凝膠進行防火預處理，如在采空區(qū)內出現較大震動，及時根據預留的管路進行注漿或注氮處理。

3 風險控制效果分析

主要從過斷層期間的自然發(fā)火指標性氣體及工作面震動能量、頻次來驗證風險控制效果。

3.1 過斷層期間自然發(fā)火指標性氣體分析

（1）從工作面回風流一氧化碳濃度變化來看，整體變化不大，未連續(xù)出現回風流一氧化碳濃度超過10 ppm 情況。

（2）從采空區(qū)束管分析數據來看，未連續(xù)出現采空區(qū)一氧化碳濃度超過100 ppm 情況，根據以往防火經驗視為采空區(qū)無自然發(fā)火風險。

3.2 過斷層期間震動能力及頻次分析

3306 工作面過斷層期間震動631 次，震動能量57 萬焦，平均每天震動21 次，平均每天震動能量19 000 J。工作面1000 J 以上震動主要集中在工作面超前影響區(qū)域和卸壓區(qū)域，震動多分布于運順側斷層下盤，而軌順側震動較少。

根據以往工作面震動次數及能量來看，過斷層期間未發(fā)生超過10 萬焦震動，整體分析工作面無沖擊地壓風險。

4 結論

（1）針對斷層落差大、延展距離長、煤體破碎、巖石多等難題，必須強化工作面過斷層期間的沖擊地壓風險與自然發(fā)火風險的管控措施，堅持強卸壓，為沖擊地壓防治提供最有效的手段。針對強卸壓后煤體破碎，自然發(fā)火隱患大大增加的情況，在強卸壓位置進一步強化預防自然發(fā)火的措施。

（2）健全自然發(fā)火預測預報系統，加強自然發(fā)火預測預報，堅持每周一次的束管采樣分析，為過斷層期間防火措施的調整與實施提供依據。