隱蔽災(zāi)害治理示范工程建設(shè)的可行性分析

李亞斌，于 強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂克托旗 016064;2.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司告成煤礦，河南 登封 452477)

我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深化，對(duì)煤炭工業(yè)集約發(fā)展、安全發(fā)展、和諧發(fā)展提出了更高的要求，煤礦隱蔽災(zāi)害防治問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注和重視，2013年國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)工作的意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2013〕99號(hào))，其中要求強(qiáng)制查明隱蔽致災(zāi)因素，未查明的，不得劃定礦區(qū)范圍、不得繼續(xù)建設(shè)和生產(chǎn)。建設(shè)隱蔽災(zāi)害治理示范礦井不僅對(duì)鄭煤集團(tuán)告成礦長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和安全生產(chǎn)有著重要的意義，而且以告成礦隱蔽災(zāi)害治理為輻射，帶動(dòng)了整個(gè)鄭州礦區(qū)乃至全國(guó)類(lèi)似條件的礦區(qū)隱蔽災(zāi)害治理技術(shù)的進(jìn)步。

1 工程建設(shè)的必要性

1)頂?shù)装逅?yán)重，威脅礦井安全。

煤礦水害是制約我國(guó)煤炭生產(chǎn)的重大礦井災(zāi)害之一［1］，告成礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)2012年《礦井水文地質(zhì)類(lèi)型報(bào)告》有關(guān)數(shù)據(jù)，礦井正常涌水1 315.95 m3/h，最大涌水量2 300 m3/h，礦井建井以來(lái)底板含水層突水31次，最大突水量810 m3/h，頂板突水15次，最大突水量1 610 m3/h，頂?shù)装逅紘?yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。

2)煤層透氣性差，瓦斯治理困難。

告成礦所采二1煤層屬豫西“三軟”煤層，透氣性為0.08 m2/MPa2·d，隨著礦井開(kāi)采深度的延伸，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力逐步升高，開(kāi)采期間的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性日益嚴(yán)重，煤與瓦斯突出強(qiáng)度、礦井瓦斯涌出量顯著增加，嚴(yán)重影響和制約煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)［2］。在現(xiàn)有的抽放技術(shù)條件下，為有效解除工作面的突出危險(xiǎn)，礦井往往需要6～8個(gè)月，乃至十幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行采前預(yù)抽，但因瓦斯突出制約著安全生產(chǎn)。

2 安全生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題

2.1 水害隱患探查手段、疏水措施單一

告成礦頂板水探查主要依據(jù)地面鉆孔資料和瞬變電磁物探資料，滑動(dòng)構(gòu)造導(dǎo)致煤層頂板構(gòu)造復(fù)雜，地面鉆孔為點(diǎn)數(shù)據(jù)，給分析頂板構(gòu)造帶來(lái)一定難度。瞬變電磁物探雖然能對(duì)頂板富水區(qū)進(jìn)行探測(cè)，但對(duì)頂板裂隙、構(gòu)造等情況無(wú)法進(jìn)行有效探測(cè)，增加了頂板疏水巷區(qū)域治水工程風(fēng)險(xiǎn)。

礦井在水害防治方面缺少有效探測(cè)手段和技術(shù)裝備，物探手段單一，采掘活動(dòng)附近區(qū)域致災(zāi)因素辨識(shí)度不高，鉆探工程施工盲目性大。

2.2 區(qū)域瓦斯治理困難

告成礦開(kāi)采的主要采區(qū)中，21采區(qū)、23采區(qū)、25采區(qū)瓦斯含量高，隨著礦井開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的增大，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性將日益嚴(yán)重。同時(shí)由于所開(kāi)采二1煤層的瓦斯壓力較大、內(nèi)生裂隙不發(fā)育、煤層透氣性差、煤質(zhì)松軟、瓦斯含量大、瓦斯放散初速度大、煤的堅(jiān)固性系數(shù)低，無(wú)論是采取頂?shù)装鍘r巷穿層抽采措施，還是采取順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，都需要較長(zhǎng)的預(yù)抽期和較大的預(yù)抽工程量，生產(chǎn)接替困難。

3 隱蔽致災(zāi)工程實(shí)施方案

3.1 引進(jìn)高精度地球物理技術(shù)

告成礦目前在底板水治理方面主要以局部措施為主，巷道掘進(jìn)過(guò)程中利用直流電法儀對(duì)迎頭前方地層的富水情況進(jìn)行超前探查，結(jié)合鉆探資料分析迎頭前方巖層富水性及前方導(dǎo)水通道發(fā)育情況，對(duì)富水區(qū)進(jìn)行超前疏放或預(yù)注漿加固;采煤工作面底板水治理主要采用直流電法物探探測(cè)工作面底板低阻異常區(qū)，對(duì)低阻異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)加固［3］。

自2007年來(lái)，針對(duì)煤炭開(kāi)采安全對(duì)地震和非地震勘探成果要求，東方地球物理公司和有關(guān)煤礦企業(yè)，開(kāi)展了圍繞高精度三維地震勘探和高密度電法勘探的采集、處理和解釋、綜合評(píng)價(jià)技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，形成了較為配套的勘探技術(shù)系列，并在國(guó)內(nèi)多個(gè)煤業(yè)集團(tuán)得到成功應(yīng)用，取得了良好效果，這些研究和成果為該示范工程建設(shè)奠定了重要的基礎(chǔ)。

通過(guò)多物探信息的煤礦富水區(qū)及導(dǎo)水裂隙的綜合預(yù)測(cè)技術(shù)，結(jié)合地震資料和時(shí)頻電磁資料，綜合預(yù)測(cè)富水區(qū)分布范圍及導(dǎo)水通道發(fā)育情況，應(yīng)用多地震屬性對(duì)煤礦瓦斯富集區(qū)的探索性預(yù)測(cè)研究。如瓦斯氣巖石物理建模，是通過(guò)模型研究瓦斯分布對(duì)地球物理響應(yīng)特征的影響，分析瓦斯氣的分布特征，結(jié)合構(gòu)造解釋、裂縫預(yù)測(cè)以及區(qū)域煤田地質(zhì)特征等綜合信息，分析影響瓦斯氣分布的地質(zhì)因素。

3.2 布置頂板疏水巷減少工作面涌水

通過(guò)分析二1煤層頂板三疊系圈門(mén)組下統(tǒng)砂巖含水層分布情況，根據(jù)含水層分布情況，在適當(dāng)?shù)囟涡藿ㄊ杷锏溃瓜锏琅c頂板砂巖徑流方向垂直或斜交，盡可能切穿頂板滑體砂巖裂隙破碎帶，此外，輔以疏水鉆孔增加截流面積，以達(dá)到最佳的放水效果。通過(guò)疏水巷道對(duì)工作面頂板砂巖含水層中的水進(jìn)行襲奪，在人為控制下有目的地放水，把疏水巷道作為井下施工的自然疏放基地;形成以疏水巷道為中心的降落漏斗，達(dá)到減少工作面涌水的目的。

結(jié)合21采區(qū)、25采區(qū)瞬變電磁物探資料和頂板三疊系圈門(mén)組下段砂巖含水層分布情況，在受三疊系下統(tǒng)圈門(mén)組砂巖含水層影響較大的施工頂板疏水巷和疏水鉆孔，對(duì)區(qū)域頂板水進(jìn)行超前疏放，確保21、25和23采區(qū)受頂板水影響工作面在開(kāi)采前頂板水水位降到安全水位以下。目前，正在施工的有疏放21采區(qū)下部和23采區(qū)上部頂板水的21采區(qū)頂板疏水巷和疏放25001工作面頂板水的25001工作面頂板疏水巷，計(jì)劃中的有疏放25采區(qū)中下部的25采區(qū)頂板疏水巷和疏放23采區(qū)下部頂板水的23采區(qū)頂板疏水巷。

3.3 礦井排水系統(tǒng)擴(kuò)容改造

隨著礦井開(kāi)采水平向深部延伸，礦井涌水量逐步增加，水害治理難度逐漸加大。根據(jù)礦井采掘接替計(jì)劃，礦井技改的南翼副井與現(xiàn)采掘區(qū)域貫通前中央排水系統(tǒng)需承擔(dān)13采區(qū)、25采區(qū)、21采區(qū)及23下山巷道的涌水量，預(yù)計(jì)全礦井正常涌水量2 223.6 m3/h，最大涌水量2 479.8 m3/h.現(xiàn)有的中央泵房安裝9臺(tái)MD500－57×7型水泵，在礦井處于最大涌水量時(shí)，需啟動(dòng)8臺(tái)水泵可滿足排水要求，但是不能滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的工作水泵、備用水泵、檢修水泵之間的系數(shù)比關(guān)系，需增加4臺(tái)同型號(hào)水泵，而現(xiàn)有中央泵房已無(wú)擴(kuò)容位置，故在主副井底附近增設(shè)了一個(gè)附屬泵房、變電所等，并通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷與主排水陣地連通，利用現(xiàn)有主井底水倉(cāng)有效容量，提高主排水陣地排水能力。排水系統(tǒng)增容改造工程量共約401 m，同時(shí)施工2個(gè)孔徑d426 mm排水鉆孔(760 m)來(lái)增設(shè)2趟排水管路。另外，對(duì)地面變電所進(jìn)行增容改造，保證排水系統(tǒng)供電安全。改造完成后，附屬泵房安裝4臺(tái)MD500－57×7型水泵，預(yù)留2臺(tái)水泵位置，礦井排水能力將完全滿足目前和后期安全生產(chǎn)需要。

3.4 地質(zhì)、瓦斯區(qū)域超前探測(cè)工程

通過(guò)礦井三維及時(shí)頻電磁物探工程能預(yù)測(cè)富水區(qū)分布范圍及導(dǎo)水通道發(fā)育情況以及預(yù)測(cè)瓦斯富集區(qū)分析影響瓦斯氣分布和構(gòu)造解釋、裂縫預(yù)測(cè)以及區(qū)域煤田地質(zhì)特征等綜合信息。對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域開(kāi)展瓦斯地質(zhì)區(qū)域探測(cè)驗(yàn)證，根據(jù)物探和探測(cè)地質(zhì)結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)合理優(yōu)化頂板疏水巷和穿層瓦斯抽放鉆孔設(shè)計(jì)，同時(shí)保證后續(xù)的采掘工作面安全措施編制的針對(duì)性。

沿計(jì)劃采掘區(qū)域走向(傾斜)條帶每30～50 m布置至少2組探測(cè)鉆孔和瓦斯參數(shù)測(cè)試鉆孔(探測(cè)驗(yàn)證水文鉆孔和瓦斯參數(shù)測(cè)試鉆孔可共用)，探測(cè)煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等情況。同時(shí)，每30～50 m至少測(cè)試1組煤層原始瓦斯含量(有條件可同時(shí)測(cè)定瓦斯壓力參數(shù))。

3.5 利用水力沖孔增透抽采瓦斯

水力沖孔是水力化增透消突措施中的一種，它是在煤層內(nèi)部通過(guò)高壓水射流沖出大直徑孔洞，再連接抽采管路抽采煤層中的瓦斯，從而達(dá)到降低煤層中瓦斯壓力，消除突出危險(xiǎn)性的目的。

25001工作面為近兩年此礦井主力工作面，位于25采區(qū)上部，切巷長(zhǎng)192 m，煤厚1～10.8 m，平均煤厚6 m，煤層傾角5°～16°，平均傾角10°，實(shí)測(cè)最大原始瓦斯含量為22.26 m3/t.與工作面上下副巷和切巷間距20 m底板L7－8灰?guī)r中設(shè)計(jì)有底板抽放巷約2 500 m，工作面主要采用穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施。鉆孔間距按6 m×6 m布置，鉆孔直徑94 mm，孔口間距≥300 mm.鉆孔深度為穿透煤層進(jìn)入煤層頂板≥0.5 m.鉆孔控制范圍為工作面整個(gè)回采區(qū)域及停采線外20 m范圍。同時(shí)，為提高穿層鉆孔瓦斯抽采效果，合理選擇抽采鉆孔和水力沖孔增透卸壓鉆孔布置方式，增透卸壓鉆孔使用直徑133 mm或94 mm鉆頭配用三棱鉆桿沖孔，單孔泄煤量要求每米煤孔≥1 m3，總泄煤量不得小于鉆孔控制塊段煤炭?jī)?chǔ)量的10‰，增透卸壓鉆孔聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行抽采。從目前25001工作面已回采的0～220 m段抽采達(dá)標(biāo)情況來(lái)看，共施工有450個(gè)穿層鉆孔，泄煤量2 816 t，泄煤率16.7‰，抽放瓦斯54.8萬(wàn) m3，保證了工作面正常安全生產(chǎn)。

4 預(yù)期建設(shè)效果

1)礦井5 m以上斷層控制達(dá)到70%以上，含水層富水性及導(dǎo)水通道探測(cè)符合率達(dá)到60%以上，瓦斯富集區(qū)探測(cè)率達(dá)到80%以上。

2)通過(guò)工作面頂板疏水和底板注漿加固，改善工作環(huán)境，杜絕突水事故，礦井正常涌水量由1 315.95 m3/h降至600 m3/h以下。

3)通過(guò)區(qū)域探測(cè)和局部探查，劃分煤層瓦斯賦存區(qū)域(高瓦斯煤體、突出煤體、高應(yīng)力煤體)，在高瓦斯區(qū)施工抽采巷和抽采鉆孔進(jìn)行消突治理。

4)通過(guò)實(shí)施隱蔽災(zāi)害治理工程，改善礦井水文地質(zhì)條件，減少礦井涌水量，對(duì)礦井水害進(jìn)行綜合治理，封堵已有突水點(diǎn)、加固斷層帶、封閉導(dǎo)水裂隙帶。

5 結(jié)束語(yǔ)

隱蔽災(zāi)害治理示范工程的建設(shè)和相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施，將使告成礦在水害治理及瓦斯治理上徹底改變面貌，杜絕水災(zāi)及瓦斯事故，逐漸建立本質(zhì)安全型礦井，為礦井安全生產(chǎn)和快速發(fā)展創(chuàng)造條件。

［1］吳偉征，康莉莉.基于ArcGIS和ECM－AHP的煤層底板突水后果嚴(yán)重度評(píng)價(jià)研究［J］.中州煤炭，2014，1(5):51－54.

［2］吳偉征.查莊煤礦底板突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究［D］.青島:山東科技大學(xué)，2011.

［3］張文泉.礦井水害預(yù)防與治理［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007:112－114.