资源整合矿井重大灾害的防治技术应用

文/张红义

山西省的煤层具有埋藏浅、煤质好的特性，也正是基于这一点，小煤窑在全省范围内分布广泛，一度造成粗放、松散的开采局面，极不利于煤炭资源的可持续发展。山西省于2009年对省内矿井进行资源整合，山西焦煤霍州煤电集团晋南煤业公司完成了对河津、乡宁两区域部分矿井的资源整合工作，其所属矿井均为资源整合矿井。为加强对整合矿井的安全管理，近年来，晋南公司对薛虎沟、腾晖两座生产矿井在水患、瓦斯防治、顶板安全管控等重大灾害防治方面，制定了针对性的技术措施，进行了综合防治，取得了良好效果。

一、资源整合矿井“水患、瓦斯、顶板”三项重大灾害特点

整体来讲，资源整合矿井接管前原矿井水文地质资料缺乏，防治水基础管理薄弱，多数矿井普遍存在井田勘探程度低、地质资料欠缺，尤其是水文地质方面的资料基本属于空白，矿井移交的各种水文地质基础台账和基本图纸短缺较多、部分数据失真。同时，原矿井受开采技术或装备限制，对煤炭资源的开采属于小规模非正规私挖滥采，多数巷道布置不合理、无规律可循，井田范围内遭受小窑破坏严重，已开采的采空区和采空积水区等情况不清且无法现场准确调查、测量，对整合以后的矿井开采设计、安全生产带来较大的安全隐患。

晋南公司所属的腾晖煤业属于高瓦斯矿井，煤层原始瓦斯含量达13.67m3/t，煤层坚固性系数低、透气性差，抽采钻孔瓦斯流量衰减快，造成抽采难度大、效果差，矿井采用综采放顶煤开采工艺，采空区存有遗煤，瓦斯涌出量大，上隅角容易积聚瓦斯。薛虎沟煤业整合前2#煤层平均厚度为4.5～5m左右，但多数上分层资源已开采，部分下分层煤也已受到破坏，受原小煤窑空巷及采空区影响，巷道揭露后发现顶板冒落现象较为普遍，开采过程中复采煤层及顶板破碎易垮落，造成现阶段矿井在巷道掘进揭露空巷或采空区过程中顶板及有毒有害气体安全管理难度增加。资源整合矿井特点及企业面临的安全生产难题如图1所示。

图1 资源整合矿井特点及企业面临的安全生产难题

二、重大灾害防治技术应用

1.坚持问题导向，有的放矢补齐探放水安全管控“短板”

晋南公司所属矿井目前主要开采2#煤，腾晖煤业2#煤层部分为实煤体，薛虎沟煤业2#煤层部分区域已进行过巷采，但没有进行过大面积壁式开采，在探放水过程中，局部受采空巷道影响，造成长探不能正常进行。为此，需要研究应用新的探放水模式和技术。

（1）针对煤层赋存的特点，研究新的探放水工作模式。在实际应用过程中不断优化总结，逐步形成“1233”防治水工作模式：“1”为一个分区，严格按照评审备案的《煤矿防治水分区管理论证报告》进行分区管理，严禁无计划进入缓采区及禁采区进行采掘作业活动；“2”为两个评价，严格按照《采掘两面防治水安全许可评价》规定要求，做好掘进工作面作业期间的防治水安全许可评价、工作面回采期间的防治水安全许可评价；第一个“3”为“三专一证”，即专职探放水队伍、专业技术人员、专用探放水钻机和探放水作业人员操作资格证；第二个“3”为物探、化探和钻探，严格按照“物探先行、化探跟进、钻探验证”的综合探查方法，查明水源，消除水患。

（2）成功应用钻孔轨迹测量及钻孔窥视新技术。钻孔轨迹测量主要应用于对已施工钻孔的轨迹进行测量，并对钻孔质量进行分析评价，对钻孔施工的方位、倾角及终孔位置是否符合设计要求进行对比，通过总结分析，解决钻探在实际操作过程中钻探工对钻机压力给定的忽大忽小问题及现场钻孔参数标定的准确性等问题；钻孔窥视技术主要对所施工的钻孔所揭露的岩性进行分析对比，揭露老空是否存在积水及对老空巷道走向及范围情况进行分析，将钻孔施工情况通过视频进行反应，更直观地综合分析钻孔情况。

图2 技术关键及实施目标

（3）对复采煤层和厚煤层探放水采取针对性措施进行管控。薛虎沟煤业复采煤层在原长探的基础上，根据工作面采空分布情况，使用专用钻机在工作面迎头布置3至5个短探孔，至少保证布置3个钻孔，钻孔呈扇形布置，角度根据煤层厚度，由下分层1.5米处上扬到上分层，距离顶板不得超过0.5米为准。实行每小班短探10米掘进3米，保持7米的超前距，在长探基础上对钻孔进行窥视、综合分析评价确定允许掘进距离，并增加短探短掘，班班进行自探工作，保证钻探留痕，有痕掘进；腾晖煤业采用厚煤层立体压茬式探测，设计上下两排长探钻孔，对施工完成钻孔进行钻孔轨迹测量，检测钻孔终孔位置是否达到设计要求，如遇揭露断层等情况可通过窥视对钻孔所揭岩层进行分析，经综合分析确保钻孔有效控制钻探安全区域，对于下层钻孔没有覆盖到的部位进行有效探测，不留盲区，上下形成压茬式钻孔布置，2019年3月至4月，2-100工作面有计划疏放采空区积水4万m3，“1123”探放水管理模式取得较好成效。技术关键及实施目标如图2所示。

2.坚持综合整治，多措并举提升高瓦斯抽采达标管理

（1）以孔代巷抽采技术。腾晖煤业为高瓦斯矿井，井下2-105工作面设计在采区边界上，相邻2-104工作面回采基本结束，采空区瓦斯较高，给2-105工作面瓦斯管理带来难度。为此，该工作面采用了“以孔代巷”抽采技术（800mm大孔径代替横贯埋管技术）。此技术一是减少了2-105工作面7个横贯共计140米掘进巷道施工，缓解采掘衔接压力；二是解放了20米护巷煤柱资源回收，回收资源11.62万吨。该项目工程施工完成后，实现了对开采工作面采空区进行低负压、大流量抽采，改变了工作面采空区瓦斯流场，大幅度降低了工作面采空区瓦斯在上隅角积聚，彻底解决了回采工作面采空区瓦斯涌出量大和上隅角超限等问题，为矿井的安全生产提供了技术保障。

（2）高低位裂隙钻孔、本煤层预抽、上隅角插管等多种手段抽采技术。腾晖煤业近几年在灾害防治方面投入了大量的人力和财力，先后采用了“U+U”“U+L”型等通风方式，均不同程度地需施工专用排瓦斯巷，加大了矿井成本，安全风险较大。新版《煤矿安全规程》施行后，不再允许设置专用排瓦斯巷（内错或外错尾巷），经相关技术人员研究，提出在腾晖煤业2-100工作面试验采用纯“U”型通风系统的改造方案，主要是通过采取高、低位裂隙钻孔、本煤层预抽、上隅角插管抽采等措施对采空区高浓度瓦斯进行抽放。抽采系统在大巷采用Φ630×10mm无缝钢管，在正巷顺槽内铺设一趟Φ325×2mm螺纹钢管，开展本煤层钻孔抽采，同时在回风巷内铺设两趟Φ325×2mm螺纹钢管，进行高、低位裂隙钻孔抽采，上隅角铺设一趟进行低负压抽采。工作面本煤层抽放钻孔设计300个，进尺55500m；低位裂隙钻孔设计14组，共计设计钻孔84个，进尺6720m；高位裂隙钻孔设计16个，单孔350m，总进尺56000m。通过多种抽采手段，实现了高瓦斯矿井低瓦斯状态生产，从而节约了生产成本和减少了预抽时间，实现安全管控到位。瓦斯治理综合工程布置示意图如图3所示。

3.注重合理施策，全力以赴确保顶板支护安全可靠

薛虎沟煤业原小煤窑对上分层巷开采后，直接顶大面积垮落，直接顶垮落最大高度6～15m，宽度为10～20m，经常揭露的小煤窑采空区平均冒落高6.5m，宽7.5m，且巷道掘进过程中30%以上巷道顶板受小窑破坏区影响，回采面小窑破坏区影响面积约为40%，矿井面临2#煤复采时顶板破碎易冒顶、复采面压力分布不均匀、巷道维护困难和资源回收率低等难题。

基于多年来的经验总结与现场实践分析，在巷道掘进期间采用29U拱形棚架进行支护，巷道沿煤层底板掘进施工并要求棚腿柱窝位于底板下0.2m处，保障棚腿受力支撑效果。揭露空巷期间曾使用前探管梁、超前注浆、内注单体柱等方式作为临时支护使用，但仍存在支护强度不足、稳定效果差、作业成本高等问题，后摸索使用风动钻机超前施工钢钎作为临时支护，现场使用效果较为理想，减少了迎头排矸量、顶部构顶量的同时将月单进由之前的120m/月提升至180m/月，在保证安全施工的前提下提升了掘进工效，有效解决了矿井衔接紧张问题，提升了2#煤优质资源回收率。

图3 瓦斯治理综合工程布置示意图

三、结语

煤矿安全生产要坚定“安全第一、技术先行”这一工作理念，依靠超前的科学技术管理、健全完善的技术保障体系以及合理高效的工作运行机制，统筹谋划、科学分析影响矿井安全生产的各类疑难杂症，通过精准发力、综合施策，协力推进煤矿企业安全有序、平稳健康发展。

在当前智能化矿井、绿色（充填）开采、5G信息技术等新的开采技术逐步取代原来煤矿开采工艺的情况下，加强或超前完成煤矿重大灾害治理工作尤为重要。山西焦煤霍州煤电集团晋南煤业公司针对薛虎沟、腾晖两座整合矿井在水患、瓦斯防治、顶板安全管控等重大灾害防治问题，制定了有针对性的技术措施，取得了良好效果。实践证明，高低位裂隙瓦斯抽采技术、定向钻探抽采与探疏放水技术、新型顶板支护技术，对于解决资源整合矿井安全生产过程中可能面临的各类困难有非常重要的作用，在实践中应加以借鉴和推广应用。