資源整合礦井重大災害的防治技術應用

文/張紅義

山西省的煤層具有埋藏淺、煤質好的特性，也正是基于這一點，小煤窯在全省范圍內分布廣泛，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發展。山西省于2009年對省內礦井進行資源整合，山西焦煤霍州煤電集團晉南煤業公司完成了對河津、鄉寧兩區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、騰暉兩座生產礦井在水患、瓦斯防治、頂板安全管控等重大災害防治方面，制定了針對性的技術措施，進行了綜合防治，取得了良好效果。

一、資源整合礦井“水患、瓦斯、頂板”三項重大災害特點

整體來講，資源整合礦井接管前原礦井水文地質資料缺乏，防治水基礎管理薄弱，多數礦井普遍存在井田勘探程度低、地質資料欠缺，尤其是水文地質方面的資料基本屬于空白，礦井移交的各種水文地質基礎臺賬和基本圖紙短缺較多、部分數據失真。同時，原礦井受開采技術或裝備限制，對煤炭資源的開采屬于小規模非正規私挖濫采，多數巷道布置不合理、無規律可循，井田范圍內遭受小窯破壞嚴重，已開采的采空區和采空積水區等情況不清且無法現場準確調查、測量，對整合以后的礦井開采設計、安全生產帶來較大的安全隱患。

晉南公司所屬的騰暉煤業屬于高瓦斯礦井，煤層原始瓦斯含量達13.67m3/t，煤層堅固性系數低、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，采空區存有遺煤，瓦斯涌出量大，上隅角容易積聚瓦斯。薛虎溝煤業整合前2#煤層平均厚度為4.5～5m左右，但多數上分層資源已開采，部分下分層煤也已受到破壞，受原小煤窯空巷及采空區影響，巷道揭露后發現頂板冒落現象較為普遍，開采過程中復采煤層及頂板破碎易垮落，造成現階段礦井在巷道掘進揭露空巷或采空區過程中頂板及有毒有害氣體安全管理難度增加。資源整合礦井特點及企業面臨的安全生產難題如圖1所示。

圖1 資源整合礦井特點及企業面臨的安全生產難題

二、重大災害防治技術應用

1.堅持問題導向，有的放矢補齊探放水安全管控“短板”

晉南公司所屬礦井目前主要開采2#煤，騰暉煤業2#煤層部分為實煤體，薛虎溝煤業2#煤層部分區域已進行過巷采，但沒有進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行。為此，需要研究應用新的探放水模式和技術。

（1）針對煤層賦存的特點，研究新的探放水工作模式。在實際應用過程中不斷優化總結，逐步形成“1233”防治水工作模式：“1”為一個分區，嚴格按照評審備案的《煤礦防治水分區管理論證報告》進行分區管理，嚴禁無計劃進入緩采區及禁采區進行采掘作業活動；“2”為兩個評價，嚴格按照《采掘兩面防治水安全許可評價》規定要求，做好掘進工作面作業期間的防治水安全許可評價、工作面回采期間的防治水安全許可評價；第一個“3”為“三專一證”，即專職探放水隊伍、專業技術人員、專用探放水鉆機和探放水作業人員操作資格證；第二個“3”為物探、化探和鉆探，嚴格按照“物探先行、化探跟進、鉆探驗證”的綜合探查方法，查明水源，消除水患。

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

圖2 技術關鍵及實施目標

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

2.堅持綜合整治，多措并舉提升高瓦斯抽采達標管理

（1）以孔代巷抽采技術。騰暉煤業為高瓦斯礦井，井下2-105工作面設計在采區邊界上，相鄰2-104工作面回采基本結束，采空區瓦斯較高，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（800mm大孔徑代替橫貫埋管技術）。此技術一是減少了2-105工作面7個橫貫共計140米掘進巷道施工，緩解采掘銜接壓力；二是解放了20米護巷煤柱資源回收，回收資源11.62萬噸。該項目工程施工完成后，實現了對開采工作面采空區進行低負壓、大流量抽采，改變了工作面采空區瓦斯流場，大幅度降低了工作面采空區瓦斯在上隅角積聚，徹底解決了回采工作面采空區瓦斯涌出量大和上隅角超限等問題，為礦井的安全生產提供了技術保障。

（2）高低位裂隙鉆孔、本煤層預抽、上隅角插管等多種手段抽采技術。騰暉煤業近幾年在災害防治方面投入了大量的人力和財力，先后采用了“U+U”“U+L”型等通風方式，均不同程度地需施工專用排瓦斯巷，加大了礦井成本，安全風險較大。新版《煤礦安全規程》施行后，不再允許設置專用排瓦斯巷（內錯或外錯尾巷），經相關技術人員研究，提出在騰暉煤業2-100工作面試驗采用純“U”型通風系統的改造方案，主要是通過采取高、低位裂隙鉆孔、本煤層預抽、上隅角插管抽采等措施對采空區高濃度瓦斯進行抽放。抽采系統在大巷采用Φ630×10mm無縫鋼管，在正巷順槽內鋪設一趟Φ325×2mm螺紋鋼管，開展本煤層鉆孔抽采，同時在回風巷內鋪設兩趟Φ325×2mm螺紋鋼管，進行高、低位裂隙鉆孔抽采，上隅角鋪設一趟進行低負壓抽采。工作面本煤層抽放鉆孔設計300個，進尺55500m；低位裂隙鉆孔設計14組，共計設計鉆孔84個，進尺6720m；高位裂隙鉆孔設計16個，單孔350m，總進尺56000m。通過多種抽采手段，實現了高瓦斯礦井低瓦斯狀態生產，從而節約了生產成本和減少了預抽時間，實現安全管控到位。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安全可靠

薛虎溝煤業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，經常揭露的小煤窯采空區平均冒落高6.5m，寬7.5m，且巷道掘進過程中30%以上巷道頂板受小窯破壞區影響，回采面小窯破壞區影響面積約為40%，礦井面臨2#煤復采時頂板破碎易冒頂、復采面壓力分布不均勻、巷道維護困難和資源回收率低等難題。

基于多年來的經驗總結與現場實踐分析，在巷道掘進期間采用29U拱形棚架進行支護，巷道沿煤層底板掘進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、內注單體柱等方式作為臨時支護使用，但仍存在支護強度不足、穩定效果差、作業成本高等問題，后摸索使用風動鉆機超前施工鋼釬作為臨時支護，現場使用效果較為理想，減少了迎頭排矸量、頂部構頂量的同時將月單進由之前的120m/月提升至180m/月，在保證安全施工的前提下提升了掘進工效，有效解決了礦井銜接緊張問題，提升了2#煤優質資源回收率。

圖3 瓦斯治理綜合工程布置示意圖

三、結語

煤礦安全生產要堅定“安全第一、技術先行”這一工作理念，依靠超前的科學技術管理、健全完善的技術保障體系以及合理高效的工作運行機制，統籌謀劃、科學分析影響礦井安全生產的各類疑難雜癥，通過精準發力、綜合施策，協力推進煤礦企業安全有序、平穩健康發展。

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