蘇宏剛

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

桑樹坪煤礦煤與瓦斯動力災(zāi)害治理以開采保護(hù)層為主，近幾年來礦井先后開展2號煤層作上保護(hù)層、11號煤層作下保護(hù)層的瓦斯治理試驗(yàn)，類似的工程條件下的相關(guān)研究也取得了良好的技術(shù)效果[1-6]。礦井2號、11號煤層分別在2014年、2015年鑒定為突出煤層；同時，由于上保護(hù)層2號煤層部分區(qū)域薄化不可采、下伏11號煤層含硫高且面臨底板奧灰水威脅不可采，對礦井瓦斯災(zāi)害治理提出了新的需求；2015年礦井3號煤層非保護(hù)區(qū)煤巷掘進(jìn)發(fā)生煤與瓦斯突出動力災(zāi)害事故后，礦井防突工作面臨巨大的壓力。桑樹坪煤礦原有采掘部署均未考慮2號、11號煤層的突出防治的需求，導(dǎo)致2號、11號煤層升級為突出煤層后，礦井無法適應(yīng)瓦斯災(zāi)害治理的總體需求，且該兩煤層瓦斯治理的時間與空間不足。礦井近年雖經(jīng)過調(diào)整，但采掘部署仍無法滿足礦井瓦斯治理的需求，同時導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜。

1 工程概況

礦井目前生產(chǎn)分布在南、北兩個采區(qū)，總體利于礦井瓦斯災(zāi)害治理，但現(xiàn)有開拓系統(tǒng)無足夠的瓦斯治理配套工程，急需對現(xiàn)有的采掘部署進(jìn)行調(diào)整。桑樹坪煤礦3號煤層突出災(zāi)害主要表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型突出，無保護(hù)層開采條件下，針對煤巖瓦斯動力災(zāi)害危險(xiǎn)，傳統(tǒng)單一、無差別的本煤層卸壓預(yù)抽瓦斯難以有效消除復(fù)合動力災(zāi)害危險(xiǎn)[7-9]。

3號煤層采用下保護(hù)層開采時，以下保護(hù)層11號煤層開采結(jié)合上向穿層鉆孔強(qiáng)化卸壓瓦斯抽采作為區(qū)域防突措施；11號煤層瓦斯治理采用順層鉆孔邊采邊抽、在3號煤層底板巷施工穿層鉆孔抽采3號煤層卸壓瓦斯、高位鉆孔和沿空留巷埋管采空區(qū)抽采等綜合瓦斯治理措施。3號煤層采用上保護(hù)層開采時，以上保護(hù)層2號煤層開采結(jié)合下向穿層鉆孔強(qiáng)化卸壓瓦斯抽采作為區(qū)域防突措施；2號煤層瓦斯治理采用順層鉆孔邊采邊抽、沿空留巷側(cè)施工下向穿層鉆孔抽采3號煤層卸壓瓦斯、高位鉆孔和沿空留巷埋管采空區(qū)抽采等綜合瓦斯治理措施。

2 煤與瓦斯動力災(zāi)害治理技術(shù)方案

2.1 煤層開采程序論證

防治突出角度論證3號煤層的保護(hù)層：從煤層瓦斯壓力、堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯發(fā)散速度及煤層厚度以及采掘過程中的實(shí)際災(zāi)害情況分析，礦井2號、11號突出危險(xiǎn)大體一致，3號煤層突出危險(xiǎn)性最嚴(yán)重，從防治突出的角度來看，2號、11號煤層均可作為3號煤層的保護(hù)層。

11號煤層論證：2015年桑樹坪煤礦11號煤層已鑒定為突出煤層。該煤層作保護(hù)層的過程中，面臨突出、奧灰水、H2S、自燃等災(zāi)害的威脅；煤層工作面H2S涌出量較大，工作環(huán)境惡劣。11號煤層原煤硫含量很高，屬富硫～高硫煤，其洗選性較差，面臨巨大的環(huán)保壓力，也不符合國家的能源開發(fā)政策。綜合分析，認(rèn)為11號煤層不宜繼續(xù)作為保護(hù)層開采。

2號煤層論證：2014年2號煤層鑒定為突出煤層，且深部實(shí)測瓦斯壓力達(dá)到1.35 MPa；2號煤層地質(zhì)復(fù)雜，小斷層十分發(fā)育，同時2號煤層中經(jīng)常見到一些小型壓梁、底鼓褶曲構(gòu)造，礦井已發(fā)生的突出事故多發(fā)生在構(gòu)造附近。從現(xiàn)有的開采情況來看，南一采區(qū)3312工作面，該區(qū)域地勘鉆孔7個，煤層厚度0.58～1.21 m，與3號煤層間距11.02～17.98 m；2號煤層掘進(jìn)過程中局部區(qū)域與3號煤層間距2.00～3.00 m。掘進(jìn)至該區(qū)域時工作面瓦斯涌出大，個別區(qū)域甚至誤揭3號煤層，嚴(yán)重威脅2號煤層的采掘安全。煤層賦存不穩(wěn)定，厚度變化較大，北一采區(qū)4219工作面開采時，工作面淺部2個地勘鉆孔，見煤厚度0.78～1.02 m，但該區(qū)域?qū)嶋H揭露煤層厚度小于0.5 m，局部煤層尖滅，出現(xiàn)無煤帶，導(dǎo)致工作面淺部約120 m無法開采，從而導(dǎo)致被保護(hù)層工作面形成應(yīng)力集中帶，給3號煤層的開采帶來困難。

論證結(jié)果：綜上所述，可作為3號煤層保護(hù)層開采的有效保護(hù)垂距內(nèi)無厚度0.5 m及以上無突出危險(xiǎn)煤層；2號煤層局部與3號煤層間距小，3號煤層威脅到2號煤層采掘安全；下伏的11號煤層開采面臨突出、奧灰水、H2S、自燃等災(zāi)害的威脅。因此桑樹坪煤礦不具備保護(hù)層開采條件，礦井僅開采3號煤層。

2.2 瓦斯治理技術(shù)方案

針對礦井3號煤層無保護(hù)層開采條件的情況，直接開采單一3號煤層區(qū)域防突措施是重點(diǎn)。根據(jù)3號煤層賦存特點(diǎn)以及目前技術(shù)裝備現(xiàn)場，提出以下兩種區(qū)域防突措施方案。

方案Ⅰ：穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯。距3號煤層底板20 m位置布置兩條底板瓦斯抽采巷，底板瓦斯抽采巷I相對于回順內(nèi)錯30 m，底板瓦斯抽采巷Ⅱ相對于運(yùn)順外錯30 m，兩條瓦斯抽采巷通過切眼底板抽采巷聯(lián)通形成全負(fù)壓通風(fēng)，切眼底板抽采巷相對切眼內(nèi)錯20 m。底板瓦斯抽采巷Ⅰ施工穿層鉆孔控制3號煤層回順煤巷條帶區(qū)域，底板瓦斯抽采巷II施工穿層鉆孔控制3號煤層運(yùn)順、下區(qū)段3號煤層回順煤巷條帶區(qū)域；鉆孔的控制范圍為輪廓線瓦斯15 m，鉆孔采用三花布置，鉆孔間距6 m×6 m，同時結(jié)合水力擴(kuò)孔強(qiáng)化卸壓抽采技術(shù)，如圖1所示。待兩順消突后，在兩順施工順層交叉鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，距切眼300 m范圍內(nèi)鉆孔間距為2 m，其余區(qū)域鉆孔間距4 m，鉆孔控制停采線外20 m；斜交鉆孔與工作面夾角75°，如圖2所示。鑒于煤層厚度在同一工作面差異性大，煤層厚度3～12 m，施工過程中根據(jù)煤層厚度確定順層鉆孔布置的排數(shù)。煤層厚度小于2 m時，布置1排鉆孔；煤層厚度2～5 m時，布置2排鉆孔；煤層厚度5～9 m時，布置3排鉆孔；煤層厚度9～12 m時，布置4排鉆孔。鉆孔直徑采用φ94 mm，穿層鉆孔封孔深度10 m，順層鉆孔封孔深度15 m。回采過程中采用邊采邊抽，在回采工作面采空區(qū)埋設(shè)抽采管對采空區(qū)進(jìn)行埋管抽采，以防3號煤層回采時工作面后方采空區(qū)積聚瓦斯致使隅角瓦斯超限；同時在回順施工高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯。

圖1 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶區(qū)域瓦斯鉆孔布置示意圖

圖2 順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域鉆孔布置示意圖

方案Ⅱ：一面四巷+穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯。南一、北一采區(qū)充分利用+280 m、+200 m水平的開拓巷道，布置一條頂板瓦斯抽采巷、底板瓦斯抽采巷，與兩水平的系統(tǒng)巷道聯(lián)通形成全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。距3號煤層底板20 m位置布置一條底板瓦斯抽采巷，對于運(yùn)順內(nèi)錯30 m；距3號煤層頂板布置一條頂板瓦斯抽采巷，相對于回順內(nèi)錯30 m，頂板抽采巷距3號煤層頂板30 m。鉆孔控制范圍為兩順輪廓線外15 m及回采區(qū)域，沿工作面走向控制范圍為切眼外側(cè)15 m、停采線外20 m。鉆孔采用三花布置，鉆孔間距6 m×6 m，如圖3所示。鉆孔直徑采用φ94 mm，穿層鉆孔封孔深度10 m?；夭蛇^程中利用穿層鉆孔邊采邊抽；頂板瓦斯抽采巷抽采采空區(qū)瓦斯，采取分段密閉巷道抽采上鄰近層卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯，巷道分段密閉距離根據(jù)3號煤層工作面超前支撐壓力影響距離等因素確定。

圖3 穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯鉆孔布置剖面示意圖

2.3 區(qū)域防突措施治理方案比較分析

優(yōu)缺點(diǎn)分析：對于上述2種方案，從桑樹坪煤礦瓦斯治理方案瓦斯治理工程及安全可靠性等方面進(jìn)行對比分析，見表1。

表1 區(qū)域防突措施方案比較分析表

方案確定及優(yōu)化：目前礦井已引進(jìn)ZLD-4000鉆機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)，順層鉆孔施工深度80～90 m，可以保障鉆孔的實(shí)施。穿層鉆孔太長，則施工精度及質(zhì)量無法保證，綜合比較分析，桑樹坪煤礦采用方案I，即采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶區(qū)域煤層瓦斯，順層鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯，回采過程中采用邊抽邊采，采空區(qū)埋管及高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯。同時，若后期煤層瓦斯含量增加，亦可直接利用底板瓦斯抽采巷施工穿層鉆孔抽采區(qū)段煤層瓦斯。

2.4 礦井地應(yīng)力主導(dǎo)型突出災(zāi)害治理技術(shù)

開展治理的必要性：桑樹坪煤礦所開采的3號煤層為近水平嚴(yán)重突出厚煤層，發(fā)生煤與瓦斯突出122次，3號煤層上覆存在堅(jiān)硬厚層頂板，3號煤層突出災(zāi)害主要表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型突出。無保護(hù)層開采條件下，針對煤巖瓦斯動力災(zāi)害危險(xiǎn)，傳統(tǒng)單一的預(yù)抽瓦斯或本煤層卸壓抽采措施難以有效消除復(fù)合動力災(zāi)害危險(xiǎn)。

治理技術(shù)：無保護(hù)層開采條件下，煤巷條帶區(qū)域可以采用穿層鉆孔結(jié)合超高壓水力擴(kuò)孔卸壓增透技術(shù)解決煤巷條帶區(qū)域防突，采用密集順層鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，還應(yīng)對工作面頂板弱化降沖、煤層卸壓解決突出災(zāi)害中的應(yīng)力能量。分析采動應(yīng)力集中及來壓規(guī)律，考慮采動應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存變化及瓦斯等多因素權(quán)重分析法結(jié)合無線電坑透技術(shù)劃分重點(diǎn)與一般防范危險(xiǎn)區(qū)，依據(jù)劃分結(jié)果對重點(diǎn)防范區(qū)域施工密集鉆孔卸壓及抽采；回采前或回采過程中試驗(yàn)研究頂板控制預(yù)裂爆破弱化降沖工藝技術(shù)，降低頂板沖擊誘發(fā)采煤工作面煤體壓出。

3 煤與瓦斯突出治理保障措施

突出礦井合理的采掘部署及巷道布置，是搞好礦井安全，尤其是防治重大瓦斯突出事故的一個核心和關(guān)鍵問題。突出礦井必須確定合理的采掘部署，使煤層的開采順序、巷道布置、采煤方法、采掘接替等有利于區(qū)域防突措施的實(shí)施[10-12]。礦井目前已完成準(zhǔn)備的11號煤接續(xù)采面3109工作面回采結(jié)束后，11號煤不再作為保護(hù)煤層進(jìn)行開采，對11號煤采區(qū)進(jìn)行永久封閉。只開采3號煤層，主要位于采區(qū)+200～+280 m標(biāo)高之間。

北翼現(xiàn)主要開采北一采區(qū)，其剩余的4321、4322兩個工作面尚未開采。礦井現(xiàn)階段開始北二采區(qū)的開拓延伸，北二采區(qū)淺部+235 m標(biāo)高布置三條大巷，均布置在3號煤層底板，可增設(shè)一條煤層回風(fēng)巷作為減少揭煤次數(shù)的備用巷道；南部布置三條下山，布置在3號煤層底板；采區(qū)深部+175 m標(biāo)高布置3條巷道，均布置在3號煤層底板。采用傾斜條帶開采，工作面寬度155 m，長度1 500 m，采用綜放工藝，全部垮落法管理頂板。首采工作面布置兩條底板瓦斯抽采巷，一條相對于運(yùn)順內(nèi)錯30 m，一條相對于回順外錯30 m；接替的工作面布置一條底板瓦斯抽采巷，相對于回順外錯30 m；底板瓦斯抽采巷布置在3號煤層底板法距20 m位置。初期南一采區(qū)3號煤采面回采結(jié)束后，跳采至北一采區(qū)進(jìn)行開采，后跳回至南一采區(qū)；待北一采區(qū)開采結(jié)束后，南一、北二采區(qū)之間跳采，實(shí)現(xiàn)3號煤采面南、北采區(qū)跳采的總體布局。通過礦井采掘部署調(diào)整，為礦井區(qū)域防突措施執(zhí)行及瓦斯抽采提供時間和空間，保證了礦井“抽、掘、采”平衡。

4 結(jié)語

桑樹坪煤礦嚴(yán)重突出3號煤層單一煤層開采，針對礦井煤層賦存及瓦斯災(zāi)害特點(diǎn)，提出采用穿層鉆孔結(jié)合超高壓水力擴(kuò)孔卸壓增透預(yù)抽煤巷條帶區(qū)域煤層瓦斯，順層密集鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯。同時采用頂板控制預(yù)裂爆破弱化降沖工藝技術(shù)，是治理桑樹坪煤礦3號煤層地應(yīng)力主導(dǎo)災(zāi)害的可行方法。通過礦井南一采區(qū)、北一采區(qū)和北二采區(qū)采掘部署調(diào)整和優(yōu)化，為礦井區(qū)域防突措施執(zhí)行及瓦斯抽采提供時間和空間，進(jìn)一步為礦井突出災(zāi)害治理提供有利條件。