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

（山東省天安礦業集團有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

山東省天安礦業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，導致自然發火幾率大大增加，回采速度的變慢同樣使得自然發火幾率幾何式增加。對于沖擊地壓防治來說，強卸壓、強監測、強支護、慢推進是有效手段；但對于自然發火防治而言，煤體完整、快推進是保證礦井不發生自然發火的重要手段。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為單斜構造，局部發育小幅緩波狀褶曲。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 自然發火與沖擊地壓風險管控技術

由于過斷層期間自然發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火的同時，需對重點區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：控制危險區域施工人員，把人減下來。

2.1.1 大直徑鉆孔卸壓

對斷層區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 型發爆器起爆，一次起爆不超2 個孔，要保證發爆器電量充足；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 過斷層期間自然發火防治技術

主要從強化常規防火措施以及監測兩方面入手。

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，在此區域推至端頭處必須加強對此區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 加強監測

工作面接近斷層50 m 前在兩順鋪設監測束管，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約50 m，每次壓注量約100 m3；注氮管路選擇進入采空區約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，對采空區壓注阻化泡沫處理。管路選擇運順注氮管路進入采空區約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，進入采空區后不再取樣分析。

（2）對于出現大震動區域及時補注凝膠進行防火預處理，如在采空區內出現較大震動，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，未連續出現回風流一氧化碳濃度超過10 ppm 情況。

（2）從采空區束管分析數據來看，未連續出現采空區一氧化碳濃度超過100 ppm 情況，根據以往防火經驗視為采空區無自然發火風險。

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域和卸壓區域，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火的措施。

（2）健全自然發火預測預報系統，加強自然發火預測預報，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。