大埋深低透氣性突出回采工作面松爆注水協同解危技術研究與應用

朱同功

(平頂山天安煤業股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000)

目前隨著礦井開采向深部延伸，越來越多的礦區進入深部開發，伴隨而來的高地應力、煤與瓦斯突出危險等安全隱患也越來越嚴重，成為制約煤礦安全生產的天敵。如何科學解決上述問題，實現安全高效生產，是橫亙在廣大煤礦科技工作者面前急待突破的難題。基于此，本文提出了采用松動爆破、高壓注水協同技術，同時研發爆注一體化工藝裝備，并成功地應用于平煤股份十礦己15.16-24100工作面，破解大埋深、低透氣性高突出危險性回采工作面卸壓、防治煤與瓦斯突出、降塵等技術難題，實現了工作面安全高效生產。

1 工程地點概況

平頂山天安煤業股份有限公司十礦(以下簡稱十礦)設計生產能力為3 Mt/a，礦井屬煤與瓦斯突出礦井，2017年礦井絕對瓦斯涌出量76.18 m3/min，主采的丁、戊、己三組煤層均為煤與瓦斯突出煤層。己15.16-24100工作面位于十礦-320 m水平己四采區西翼第四區段。工作面東靠己四軌道下山、己四瓦斯專用回風下山、己四膠帶下山，西距26勘探線820 m，南鄰己15-24080采空區，上覆有己15-24080機巷高抽巷，機巷底板以下12～15 m處布置有底板抽采巷掩護機巷掘進，北部未開采。工作面地面標高+180～+275 m，工作面標高-622～-664 m，埋深844～921 m。工作面走向長809 m，傾斜寬141 m，平均采高4 m。

己15.16-24100工作面開采己15.16煤層，煤層原始瓦斯壓力最大為2.95 MPa，原始瓦斯含量最大為20.0374 m3/t。己15.16-24100工作面煤層地質綜合柱狀圖見圖1。

圖1 己15.16-24100工作面煤層地質綜合柱狀圖

由圖1可以看出，己15煤層頂板為厚11～18 m的砂質泥巖夾薄層細砂巖含己14煤層和無名煤，其上為厚度大于14 m的灰白色細至中粒砂巖；己15煤層底板為厚0.1～0.9 m的泥巖含煤線(局部受構造影響厚2.1 m)，其下為厚1.0～1.8 m的己16煤層，己16煤層的底板為厚0.3～1.6 m的砂質泥巖，其下為厚1.8～2.6 m的己17煤層，再下為大于20 m的砂質泥巖及灰巖。己15.16煤層平均厚度3.7～4.3 m，煤層傾角10°～16.7°，主焦煤儲量63.6萬t。

2 突出危險源機理分析

2.1 回采前區域消突設計

工作面所采煤層f值在0.17～0.61之間，屬松軟煤層；煤層透氣性系數為0.0001～0.0061 mD，屬難抽采煤層；煤層頂底板均為透氣性很差的砂質泥巖，不易于瓦斯逸散。十礦以往所采取的瓦斯治理方式為順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯，鉆孔設計如圖2所示，沿工作面機巷和風巷垂直于煤壁布置本煤層鉆孔，根據實測，抽采半徑為3 m，設計鉆孔沿走向間距為4 m一組，一組兩個孔，分別控制煤層上部和下部，終孔位置分別設計在距頂板和底板300～500 mm處，鉆孔設計孔深為80 m。鉆孔施工成孔48 h內封孔聯網抽采。

圖2 順層鉆孔布置圖

根據十礦歷年對煤層瓦斯治理工程現場監測結果的分析可知，埋深700 m以上區域按上述設計治理消突，能較好地消除煤與瓦斯突出危險，工作面在回采期間適當執行局部措施鉆孔，即可實現安全生產。己15.16-24100工作面埋深844～921 m，與以往開采工作面區域瓦斯抽采治理工程相比，采用以上的區域鉆孔設計在施工過程中，鉆孔噴孔、響煤炮、夾鉆現象較為嚴重，鉆桿夾鉆情況上升了近19%。己15.16-24100工作面區域鉆孔采用國內較為先進的“兩堵一注”成套封孔工藝封孔，封孔氣密性、封孔質量較以往有很大改進，具備盡可能多抽出瓦斯的可能性。

2.2 突出危險源機理分析

2.2.1 工作面回采初期瓦斯情況。

己15.16-24100工作面回采初期，在未采取局部措施的情況下，生產期間回風流瓦斯濃度在0.51%～0.62%，工作面片幫、響煤炮現象較為嚴重；在采取卸壓鉆孔措施后，瓦斯降幅不明顯，且在打鉆期間夾鉆情況嚴重，月產量僅4 萬t，嚴重制約了工作面安全回采。

2.2.2 突出危險源機理分析

己15.16-24100工作面與鄰近區段工作面相比，其煤層原始瓦斯壓力和含量、煤層厚度基本一致；己15.16-24100工作面區域鉆孔施工期間瓦斯異常現象明顯增多，鄰近工作面構造應力區打鉆異常現象也較多。根據現場礦壓監測結果表明：工作面區段巷道超前20～30 m范圍內圍巖采動引起的裂隙較發育，頂板下沉量增加80～150 mm，超前支承應力峰值增加了20%～30%，礦山壓力顯現劇烈程度增加。結合己15.16-24100工作面打鉆異常顯現特點，綜合分析該工作面埋深及以上巷道圍巖變形和應力分布變化規律等情況可知，該工作面區域鉆孔施工異常是由大埋深造成的高地應力與高瓦斯耦合作用所引起的。基于此，常規順層鉆孔治理回采區域瓦斯在區域措施實施以后，煤層瓦斯雖然可以得到較好地釋放，實現抽采達標，但高地應力參與下的消突效果尚待考證。

綜合分析工作面瓦斯地質情況得到以下結論：

(1)工作面頂、底板為泥巖或砂質泥巖，具有良好的封閉作用，不利于瓦斯逸散，造成瓦斯僅僅可通過抽采或生產期間自然涌出釋放，易造成生產期間瓦斯高值。

(2)通過順層鉆孔施工，雖然改善了鉆孔封孔工藝、優化了抽采系統，但抽采周期沒有明顯提升；雖然工作面已經抽采達標，但受順層鉆孔漂移、煤體內局部瓦斯富集、煤體透氣性低等因素影響，煤體殘余瓦斯量仍然較大，在落煤期間瓦斯大量釋放會嚴重影響工作面安全、高效回采。

(3)大埋深、大采高作用使得工作面前方煤體處于高應力區，不利于瓦斯抽采。己15.16-24100工作面埋深844～921 m，平均采高4 m，受大埋深、大采高影響，工作面煤巖體處于相對高應力狀態，難以形成孔隙，也會給瓦斯抽采釋放帶來嚴重影響，且高應力影響容易誘導煤與瓦斯突出事故的發生。

綜合以上分析可知,大埋深、低透氣性煤層高突工作面回采過程中，僅僅依靠順層鉆孔預抽回采區域瓦斯難以有效釋放煤體應力和瓦斯，無法完全保障回采期間安全生產。

3 解危方案設計

回采工作面松動爆破(以下簡稱“松爆”)技術和煤層高壓注水技術都已經相對成熟，此項技術在特定區域內應用都有先例，并取得較好的效果，兩項技術協同應用，消突卸壓解危降塵還鮮有應用。根據己15.16-24100工作面突出危險源機理分析和生產期間所暴露的問題，本文提出了協同應用松爆注水技術，即工作面每三天為一個措施循環，完成兩次卸壓注水鉆孔、一次松爆施工，可達到每循環出煤9000 t(每天3刀煤3000 t)、推進6.3 m、月產量9萬t的效果。

3.1 措施鉆孔設計

工作面卸壓注水鉆孔孔徑為89 mm，有效孔深20 m，施工范圍14～71架(工作面共92架)。措施每三天一個循環，第一天14～71架每兩架施工一個注水鉆孔，同時每4架布置一個松爆鉆孔(孔徑89 mm，孔深13.5 m)；第二天、第三天在14～19架和62～71架每兩架施工一個注水鉆孔，20～61架區域每架施工一個注水鉆孔；施工期間相鄰鉆孔分別控制己15煤層和己16煤層。鉆孔施工完畢后，均進行高壓注水，注水壓力8～10 MPa。

3.2 松爆、注水工藝設計

(1)原松爆工藝設計。原松動爆破工藝如圖3所示，原松爆鉆孔內裝藥順序依次為藥管、沙管、黃泥。其中2 m裝藥(每3卷為一組，雷管3個，全部為正向裝藥，3個雷管按并聯方式連接)，10 m沙管，1.5 m黃泥。松爆鉆孔之間腳線串聯，爆破時一次起爆。

圖3 原松動爆破工藝示意圖

(2)爆注一體化工藝設計。受原松爆工藝工人操作勞動強度大，無法實現松爆孔爆破后注水等缺點，研發了爆注一體化工藝裝備，實現了松爆、注水同孔操作，達到了降低勞動強度、提高效率的目的。爆注一體化工藝如圖4所示，爆注一體化工藝裝藥順序依次為4 m裝藥倉、注水段(封孔器以里11.5 m)、1.5 m爆注一體化封孔器(距孔口0.5 m左右)，裝藥段采取線性裝藥9卷、雷管3個，全部為正向裝藥，3個雷管按并聯方式連接。松爆鉆孔之間腳線串聯，爆破時一次起爆。

圖4 爆注一體化工藝示意圖

(3)注水工藝設計。卸壓注水鉆孔施工完畢后及松爆鉆孔爆破后，均利用快速封孔器進行高壓注水(卸壓孔快速封孔器，封孔器距孔口1 m)，注水壓力8～10 MPa，以鄰近鉆孔或煤壁出水為停止注水標準。

4 實施效果分析

2018年3月在己15.16-24100工作面實施松爆注水協同技術以來，已安全推進338 m，結合施工現場監測結果，對應力變化、鉆屑量、瓦斯抽采數據、注水降塵效果等進行分析可知：

(1)應力變化。實施松爆注水協同措施前后各在爆破孔附近施工2個應力觀測孔，通過測定其S值，判斷爆破前后工作面前方應力峰值位置。爆注一體化實施前后鉆屑量數據曲線如圖5所示，通過對已施工的21組觀測數據統計，采取措施后，工作面前方應力峰值由12～15 m移至17～19.5 m位置，應力前移，工作面安全屏障增加。同時，在生產期間工作面片幫情況也得到了大幅緩解。

圖5 爆注一體化實施前后鉆屑量數據曲線

(2)瓦斯變化。采用爆注一體化工藝，由于水力耦合爆破可提高工作面松爆效果。爆破瓦斯涌出量變化情況如圖6所示，爆破后瓦斯涌出量由0～24.6 m3增至2.16～38.52 m3，平均松爆涌出量由4.79 m3增至20.28 m3，增幅達323.38%。項目實施前后回風流瓦斯變化情況如圖7所示，項目實施后工作面生產期間回風流平均瓦斯濃度由0.58%降至0.22%左右。

圖6 爆破瓦斯涌出量變化示意圖

圖7 項目實施前后回風流瓦斯變化

(3)注水及降塵情況。原工藝松爆鉆孔爆破后無法進行注水，新工藝可利用爆注一體化封孔器對松爆鉆孔進行高壓注水，受爆破后裂隙發育影響，可有效的提升注水量，松爆鉆孔注水量0.1～1.7 m3，平均注水量0.7 m3(孔深13.5 m、孔徑89 mm、孔內空間0.067 m3)。根據原始區域與技術實施后爆破注水區域內含水率實測數據對比：爆破注水區域較原始區域煤層含水率1.26%～1.45%提升至2.35%～2.75%，有效改善了煤體的力學性能。松爆注水前后煤層含水率變化如圖8所示。

圖8 松爆注水前后煤層含水率變化圖

工作面實施爆注一體化工藝后，煤體裂隙發育，利于煤體注水。而且煤體注水后，煤體濕潤，可降低割煤、打鉆期間揚塵現象，改善作業環境。措施執行前后在割煤、落煤、移架及多工序同時作業時，分別測定了回風流總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度。措施執行前后呼吸性粉塵濃度變化如圖9所示，注水前，落煤期間呼吸性粉塵濃度最大15.3 mg/m3，采用“松爆工藝+注水”措施后降低到11.2 mg/m3，實施爆注一體化工藝后呼吸性粉塵濃度降低至10.4 mg/m3。措施執行前后全塵濃度變化如圖10所示，未采取注水措施前，落煤期間全塵濃度最大為24.4 mg/m3，采用“松爆工藝+注水”措施后降低至17.5 mg/m3，全塵濃度降低至15.9 mg/m3。

采用松爆注水協同卸壓消突解危技術，在煤體前方通過松爆釋放了前方13.5 m范圍內的煤體中的高地應力及瓦斯，形成了循環切割前最少13.5 m、循環結束最小7.2 m(每循環推進6.3 m)的安全煤體保護屏障。每天卸壓鉆孔的施工，既釋放了煤壁前方20 m范圍內的煤體瓦斯，也探測了前方地質構造及瓦斯異常，為安全生產提供第二道防線。

圖9 措施執行前后呼吸性粉塵濃度變化示意圖

圖10 措施執行前后全塵濃度變化示意圖

鉆孔施工完畢后，用8～10 MPa的水壓向鉆孔內高壓注水，單孔注水量大于0.5 m3，是鉆孔體積4～5倍，破壞了鉆孔煤體的完整性，增加了透氣性，有利于瓦斯的釋放，減小回采期間隨煤體集中釋放造成的危險。同時高壓注水后，煤體回采、打鉆過程中粉塵濃度大大降低，為工作面安全實現月單產9萬t奠定了基礎。

通過實施前后的效果對比，工作面區域瓦斯及防塵治理工程得到較大地改善，達到了預期目的，有效破解了工作面安全管理的難點問題。

5 結論

(1)基于對工程現場瓦斯抽采情況和礦山壓力顯現規律的分析表明，大埋深、低透氣性煤層高突工作面回采過程中，僅僅依靠順層鉆孔預抽回采區域瓦斯難以有效釋放煤體應力和瓦斯，無法完全保障回采期間安全、高效生產。

(2)通過對技術現場應用情況監測結果可知：采用以“松爆工藝+注水”為核心的爆注一體化區域瓦斯防治技術后，應力峰值由12～15 m前移至17～19.5 m位置，工作面安全屏障增加；松爆后平均瓦斯涌出量增幅323.38%，松爆效果提升；工作面生產期間回風流平均瓦斯濃度由0.58%降至0.22%左右，回風流瓦斯濃度下降；煤體水分增加、降塵效果顯著，爆破注水區域較原始區域煤層含水率由1.26%～1.45%提升至2.35%～2.75%，有效改善了煤體的力學性能；落煤期間呼吸性粉塵濃度由15.3 mg/m3降低至10.4 mg/m3；全塵濃度由24.4 mg/m3降低至15.9 mg/m3。

(3)在大埋深、低透氣性煤層高突工作面回采過程中，采取松爆注水協同解危技術，既可有效地消除突出危險性也改善了工作面作業環境，同時為工作面安全、高效回采提供了基礎。