朱同功

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000)

目前隨著礦井開(kāi)采向深部延伸，越來(lái)越多的礦區(qū)進(jìn)入深部開(kāi)發(fā)，伴隨而來(lái)的高地應(yīng)力、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等安全隱患也越來(lái)越嚴(yán)重，成為制約煤礦安全生產(chǎn)的天敵。如何科學(xué)解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，是橫亙?cè)趶V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(dòng)爆破、高壓注水協(xié)同技術(shù)，同時(shí)研發(fā)爆注一體化工藝裝備，并成功地應(yīng)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(xiǎn)性回采工作面卸壓、防治煤與瓦斯突出、降塵等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。

1 工程地點(diǎn)概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦(以下簡(jiǎn)稱十礦)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3 Mt/a，礦井屬煤與瓦斯突出礦井，2017年礦井絕對(duì)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(qū)西翼第四區(qū)段。工作面東靠己四軌道下山、己四瓦斯專(zhuān)用回風(fēng)下山、己四膠帶下山，西距26勘探線820 m，南鄰己15-24080采空區(qū)，上覆有己15-24080機(jī)巷高抽巷，機(jī)巷底板以下12～15 m處布置有底板抽采巷掩護(hù)機(jī)巷掘進(jìn)，北部未開(kāi)采。工作面地面標(biāo)高+180～+275 m，工作面標(biāo)高-622～-664 m，埋深844～921 m。工作面走向長(zhǎng)809 m，傾斜寬141 m，平均采高4 m。

己15.16-24100工作面開(kāi)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(zhì)綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1 己15.16-24100工作面煤層地質(zhì)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(zhì)泥巖夾薄層細(xì)砂巖含己14煤層和無(wú)名煤，其上為厚度大于14 m的灰白色細(xì)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(gòu)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(zhì)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(zhì)泥巖及灰?guī)r。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(chǔ)量63.6萬(wàn)t。

2 突出危險(xiǎn)源機(jī)理分析

2.1 回采前區(qū)域消突設(shè)計(jì)

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(shù)為0.0001～0.0061 mD，屬難抽采煤層；煤層頂?shù)装寰鶠橥笟庑院懿畹纳百|(zhì)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(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，鉆孔設(shè)計(jì)如圖2所示，沿工作面機(jī)巷和風(fēng)巷垂直于煤壁布置本煤層鉆孔，根據(jù)實(shí)測(cè)，抽采半徑為3 m，設(shè)計(jì)鉆孔沿走向間距為4 m一組，一組兩個(gè)孔，分別控制煤層上部和下部，終孔位置分別設(shè)計(jì)在距頂板和底板300～500 mm處，鉆孔設(shè)計(jì)孔深為80 m。鉆孔施工成孔48 h內(nèi)封孔聯(lián)網(wǎng)抽采。

圖2 順層鉆孔布置圖

根據(jù)十礦歷年對(duì)煤層瓦斯治理工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析可知，埋深700 m以上區(qū)域按上述設(shè)計(jì)治理消突，能較好地消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，工作面在回采期間適當(dāng)執(zhí)行局部措施鉆孔，即可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。己15.16-24100工作面埋深844～921 m，與以往開(kāi)采工作面區(qū)域瓦斯抽采治理工程相比，采用以上的區(qū)域鉆孔設(shè)計(jì)在施工過(guò)程中，鉆孔噴孔、響煤炮、夾鉆現(xiàn)象較為嚴(yán)重，鉆桿夾鉆情況上升了近19%。己15.16-24100工作面區(qū)域鉆孔采用國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的“兩堵一注”成套封孔工藝封孔，封孔氣密性、封孔質(zhì)量較以往有很大改進(jìn)，具備盡可能多抽出瓦斯的可能性。

2.2 突出危險(xiǎn)源機(jī)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(chǎn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.51%～0.62%，工作面片幫、響煤炮現(xiàn)象較為嚴(yán)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(yán)重，月產(chǎn)量?jī)H4 萬(wàn)t，嚴(yán)重制約了工作面安全回采。

2.2.2 突出危險(xiǎn)源機(jī)理分析

己15.16-24100工作面與鄰近區(qū)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(qū)域鉆孔施工期間瓦斯異常現(xiàn)象明顯增多，鄰近工作面構(gòu)造應(yīng)力區(qū)打鉆異?，F(xiàn)象也較多。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：工作面區(qū)段巷道超前20～30 m范圍內(nèi)圍巖采動(dòng)引起的裂隙較發(fā)育，頂板下沉量增加80～150 mm，超前支承應(yīng)力峰值增加了20%～30%，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈程度增加。結(jié)合己15.16-24100工作面打鉆異常顯現(xiàn)特點(diǎn)，綜合分析該工作面埋深及以上巷道圍巖變形和應(yīng)力分布變化規(guī)律等情況可知，該工作面區(qū)域鉆孔施工異常是由大埋深造成的高地應(yīng)力與高瓦斯耦合作用所引起的?；诖耍Ｒ?guī)順層鉆孔治理回采區(qū)域瓦斯在區(qū)域措施實(shí)施以后，煤層瓦斯雖然可以得到較好地釋放，實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)，但高地應(yīng)力參與下的消突效果尚待考證。

綜合分析工作面瓦斯地質(zhì)情況得到以下結(jié)論：

(1)工作面頂、底板為泥巖或砂質(zhì)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(guò)抽采或生產(chǎn)期間自然涌出釋放，易造成生產(chǎn)期間瓦斯高值。

(2)通過(guò)順層鉆孔施工，雖然改善了鉆孔封孔工藝、優(yōu)化了抽采系統(tǒng)，但抽采周期沒(méi)有明顯提升；雖然工作面已經(jīng)抽采達(dá)標(biāo)，但受順層鉆孔漂移、煤體內(nèi)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(huì)嚴(yán)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(yīng)力區(qū)，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(duì)高應(yīng)力狀態(tài)，難以形成孔隙，也會(huì)給瓦斯抽采釋放帶來(lái)嚴(yán)重影響，且高應(yīng)力影響容易誘導(dǎo)煤與瓦斯突出事故的發(fā)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(guò)程中，僅僅依靠順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯難以有效釋放煤體應(yīng)力和瓦斯，無(wú)法完全保障回采期間安全生產(chǎn)。

3 解危方案設(shè)計(jì)

回采工作面松動(dòng)爆破(以下簡(jiǎn)稱“松爆”)技術(shù)和煤層高壓注水技術(shù)都已經(jīng)相對(duì)成熟，此項(xiàng)技術(shù)在特定區(qū)域內(nèi)應(yīng)用都有先例，并取得較好的效果，兩項(xiàng)技術(shù)協(xié)同應(yīng)用，消突卸壓解危降塵還鮮有應(yīng)用。根據(jù)己15.16-24100工作面突出危險(xiǎn)源機(jī)理分析和生產(chǎn)期間所暴露的問(wèn)題，本文提出了協(xié)同應(yīng)用松爆注水技術(shù)，即工作面每三天為一個(gè)措施循環(huán)，完成兩次卸壓注水鉆孔、一次松爆施工，可達(dá)到每循環(huán)出煤9000 t(每天3刀煤3000 t)、推進(jìn)6.3 m、月產(chǎn)量9萬(wàn)t的效果。

3.1 措施鉆孔設(shè)計(jì)

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(gè)循環(huán)，第一天14～71架每?jī)杉苁┕ひ粋€(gè)注水鉆孔，同時(shí)每4架布置一個(gè)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?jī)杉苁┕ひ粋€(gè)注水鉆孔，20～61架區(qū)域每架施工一個(gè)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(jìn)行高壓注水，注水壓力8～10 MPa。

3.2 松爆、注水工藝設(shè)計(jì)

(1)原松爆工藝設(shè)計(jì)。原松動(dòng)爆破工藝如圖3所示，原松爆鉆孔內(nèi)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(gè)，全部為正向裝藥，3個(gè)雷管按并聯(lián)方式連接)，10 m沙管，1.5 m黃泥。松爆鉆孔之間腳線串聯(lián)，爆破時(shí)一次起爆。

圖3 原松動(dòng)爆破工藝示意圖

(2)爆注一體化工藝設(shè)計(jì)。受原松爆工藝工人操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)松爆孔爆破后注水等缺點(diǎn)，研發(fā)了爆注一體化工藝裝備，實(shí)現(xiàn)了松爆、注水同孔操作，達(dá)到了降低勞動(dòng)強(qiáng)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(cāng)、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(gè)，全部為正向裝藥，3個(gè)雷管按并聯(lián)方式連接。松爆鉆孔之間腳線串聯(lián)，爆破時(shí)一次起爆。

圖4 爆注一體化工藝示意圖

(3)注水工藝設(shè)計(jì)。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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。

4 實(shí)施效果分析

2018年3月在己15.16-24100工作面實(shí)施松爆注水協(xié)同技術(shù)以來(lái)，已安全推進(jìn)338 m，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)應(yīng)力變化、鉆屑量、瓦斯抽采數(shù)據(jù)、注水降塵效果等進(jìn)行分析可知：

(1)應(yīng)力變化。實(shí)施松爆注水協(xié)同措施前后各在爆破孔附近施工2個(gè)應(yīng)力觀測(cè)孔，通過(guò)測(cè)定其S值，判斷爆破前后工作面前方應(yīng)力峰值位置。爆注一體化實(shí)施前后鉆屑量數(shù)據(jù)曲線如圖5所示，通過(guò)對(duì)已施工的21組觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采取措施后，工作面前方應(yīng)力峰值由12～15 m移至17～19.5 m位置，應(yīng)力前移，工作面安全屏障增加。同時(shí)，在生產(chǎn)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(shí)施前后鉆屑量數(shù)據(jù)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(dá)323.38%。項(xiàng)目實(shí)施前后回風(fēng)流瓦斯變化情況如圖7所示，項(xiàng)目實(shí)施后工作面生產(chǎn)期間回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛扔?.58%降至0.22%左右。

圖6 爆破瓦斯涌出量變化示意圖

圖7 項(xiàng)目實(shí)施前后回風(fēng)流瓦斯變化

(3)注水及降塵情況。原工藝松爆鉆孔爆破后無(wú)法進(jìn)行注水，新工藝可利用爆注一體化封孔器對(duì)松爆鉆孔進(jìn)行高壓注水，受爆破后裂隙發(fā)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(nèi)空間0.067 m3)。根據(jù)原始區(qū)域與技術(shù)實(shí)施后爆破注水區(qū)域內(nèi)含水率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比：爆破注水區(qū)域較原始區(qū)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(xué)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(shí)施爆注一體化工藝后，煤體裂隙發(fā)育，利于煤體注水。而且煤體注水后，煤體濕潤(rùn)，可降低割煤、打鉆期間揚(yáng)塵現(xiàn)象，改善作業(yè)環(huán)境。措施執(zhí)行前后在割煤、落煤、移架及多工序同時(shí)作業(yè)時(shí)，分別測(cè)定了回風(fēng)流總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度。措施執(zhí)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(shí)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(zhí)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(xié)同卸壓消突解危技術(shù)，在煤體前方通過(guò)松爆釋放了前方13.5 m范圍內(nèi)的煤體中的高地應(yīng)力及瓦斯，形成了循環(huán)切割前最少13.5 m、循環(huán)結(jié)束最小7.2 m(每循環(huán)推進(jìn)6.3 m)的安全煤體保護(hù)屏障。每天卸壓鉆孔的施工，既釋放了煤壁前方20 m范圍內(nèi)的煤體瓦斯，也探測(cè)了前方地質(zhì)構(gòu)造及瓦斯異常，為安全生產(chǎn)提供第二道防線。

圖9 措施執(zhí)行前后呼吸性粉塵濃度變化示意圖

圖10 措施執(zhí)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(nèi)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(xiǎn)。同時(shí)高壓注水后，煤體回采、打鉆過(guò)程中粉塵濃度大大降低，為工作面安全實(shí)現(xiàn)月單產(chǎn)9萬(wàn)t奠定了基礎(chǔ)。

通過(guò)實(shí)施前后的效果對(duì)比，工作面區(qū)域瓦斯及防塵治理工程得到較大地改善，達(dá)到了預(yù)期目的，有效破解了工作面安全管理的難點(diǎn)問(wèn)題。

5 結(jié)論

(1)基于對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采情況和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的分析表明，大埋深、低透氣性煤層高突工作面回采過(guò)程中，僅僅依靠順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯難以有效釋放煤體應(yīng)力和瓦斯，無(wú)法完全保障回采期間安全、高效生產(chǎn)。

(2)通過(guò)對(duì)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：采用以“松爆工藝+注水”為核心的爆注一體化區(qū)域瓦斯防治技術(shù)后，應(yīng)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(chǎn)期間回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛扔?.58%降至0.22%左右，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛认陆?；煤體水分增加、降塵效果顯著，爆破注水區(qū)域較原始區(qū)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(xué)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(guò)程中，采取松爆注水協(xié)同解危技術(shù)，既可有效地消除突出危險(xiǎn)性也改善了工作面作業(yè)環(huán)境，同時(shí)為工作面安全、高效回采提供了基礎(chǔ)。