隱蔽災害治理示范工程建設的可行性分析

李亞斌，于 強

(1.內蒙古利民煤焦有限責任公司，內蒙古 鄂克托旗 016064;2.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責任公司告成煤礦，河南 登封 452477)

我國煤炭工業(yè)的發(fā)展和產業(yè)結構調整的不斷深化，對煤炭工業(yè)集約發(fā)展、安全發(fā)展、和諧發(fā)展提出了更高的要求，煤礦隱蔽災害防治問題越來越受到關注和重視，2013年國務院辦公廳下發(fā)《關于進一步加強煤礦安全生產工作的意見》(國辦發(fā)〔2013〕99號)，其中要求強制查明隱蔽致災因素，未查明的，不得劃定礦區(qū)范圍、不得繼續(xù)建設和生產。建設隱蔽災害治理示范礦井不僅對鄭煤集團告成礦長遠發(fā)展和安全生產有著重要的意義，而且以告成礦隱蔽災害治理為輻射，帶動了整個鄭州礦區(qū)乃至全國類似條件的礦區(qū)隱蔽災害治理技術的進步。

1 工程建設的必要性

1)頂?shù)装逅乐?，威脅礦井安全。

煤礦水害是制約我國煤炭生產的重大礦井災害之一［1］，告成礦水文地質條件復雜，根據(jù)2012年《礦井水文地質類型報告》有關數(shù)據(jù)，礦井正常涌水1 315.95 m3/h，最大涌水量2 300 m3/h，礦井建井以來底板含水層突水31次，最大突水量810 m3/h，頂板突水15次，最大突水量1 610 m3/h，頂?shù)装逅紘乐赝{礦井安全生產。

2)煤層透氣性差，瓦斯治理困難。

告成礦所采二1煤層屬豫西“三軟”煤層，透氣性為0.08 m2/MPa2·d，隨著礦井開采深度的延伸，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力逐步升高，開采期間的煤與瓦斯突出危險性日益嚴重，煤與瓦斯突出強度、礦井瓦斯涌出量顯著增加，嚴重影響和制約煤礦企業(yè)的正常生產［2］。在現(xiàn)有的抽放技術條件下，為有效解除工作面的突出危險，礦井往往需要6～8個月，乃至十幾個月的時間進行采前預抽，但因瓦斯突出制約著安全生產。

2 安全生產中存在的主要問題

2.1 水害隱患探查手段、疏水措施單一

告成礦頂板水探查主要依據(jù)地面鉆孔資料和瞬變電磁物探資料，滑動構造導致煤層頂板構造復雜，地面鉆孔為點數(shù)據(jù)，給分析頂板構造帶來一定難度。瞬變電磁物探雖然能對頂板富水區(qū)進行探測，但對頂板裂隙、構造等情況無法進行有效探測，增加了頂板疏水巷區(qū)域治水工程風險。

礦井在水害防治方面缺少有效探測手段和技術裝備，物探手段單一，采掘活動附近區(qū)域致災因素辨識度不高，鉆探工程施工盲目性大。

2.2 區(qū)域瓦斯治理困難

告成礦開采的主要采區(qū)中，21采區(qū)、23采區(qū)、25采區(qū)瓦斯含量高，隨著礦井開采深度的增加和開采強度的增大，煤與瓦斯突出危險性將日益嚴重。同時由于所開采二1煤層的瓦斯壓力較大、內生裂隙不發(fā)育、煤層透氣性差、煤質松軟、瓦斯含量大、瓦斯放散初速度大、煤的堅固性系數(shù)低，無論是采取頂?shù)装鍘r巷穿層抽采措施，還是采取順層鉆孔預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，都需要較長的預抽期和較大的預抽工程量，生產接替困難。

3 隱蔽致災工程實施方案

3.1 引進高精度地球物理技術

告成礦目前在底板水治理方面主要以局部措施為主，巷道掘進過程中利用直流電法儀對迎頭前方地層的富水情況進行超前探查，結合鉆探資料分析迎頭前方巖層富水性及前方導水通道發(fā)育情況，對富水區(qū)進行超前疏放或預注漿加固;采煤工作面底板水治理主要采用直流電法物探探測工作面底板低阻異常區(qū)，對低阻異常區(qū)進行重點探測加固［3］。

自2007年來，針對煤炭開采安全對地震和非地震勘探成果要求，東方地球物理公司和有關煤礦企業(yè)，開展了圍繞高精度三維地震勘探和高密度電法勘探的采集、處理和解釋、綜合評價技術的研究和應用工作，形成了較為配套的勘探技術系列，并在國內多個煤業(yè)集團得到成功應用，取得了良好效果，這些研究和成果為該示范工程建設奠定了重要的基礎。

通過多物探信息的煤礦富水區(qū)及導水裂隙的綜合預測技術，結合地震資料和時頻電磁資料，綜合預測富水區(qū)分布范圍及導水通道發(fā)育情況，應用多地震屬性對煤礦瓦斯富集區(qū)的探索性預測研究。如瓦斯氣巖石物理建模，是通過模型研究瓦斯分布對地球物理響應特征的影響，分析瓦斯氣的分布特征，結合構造解釋、裂縫預測以及區(qū)域煤田地質特征等綜合信息，分析影響瓦斯氣分布的地質因素。

3.2 布置頂板疏水巷減少工作面涌水

通過分析二1煤層頂板三疊系圈門組下統(tǒng)砂巖含水層分布情況，根據(jù)含水層分布情況，在適當?shù)囟涡藿ㄊ杷锏?，使巷道與頂板砂巖徑流方向垂直或斜交，盡可能切穿頂板滑體砂巖裂隙破碎帶，此外，輔以疏水鉆孔增加截流面積，以達到最佳的放水效果。通過疏水巷道對工作面頂板砂巖含水層中的水進行襲奪，在人為控制下有目的地放水，把疏水巷道作為井下施工的自然疏放基地;形成以疏水巷道為中心的降落漏斗，達到減少工作面涌水的目的。

結合21采區(qū)、25采區(qū)瞬變電磁物探資料和頂板三疊系圈門組下段砂巖含水層分布情況，在受三疊系下統(tǒng)圈門組砂巖含水層影響較大的施工頂板疏水巷和疏水鉆孔，對區(qū)域頂板水進行超前疏放，確保21、25和23采區(qū)受頂板水影響工作面在開采前頂板水水位降到安全水位以下。目前，正在施工的有疏放21采區(qū)下部和23采區(qū)上部頂板水的21采區(qū)頂板疏水巷和疏放25001工作面頂板水的25001工作面頂板疏水巷，計劃中的有疏放25采區(qū)中下部的25采區(qū)頂板疏水巷和疏放23采區(qū)下部頂板水的23采區(qū)頂板疏水巷。

3.3 礦井排水系統(tǒng)擴容改造

隨著礦井開采水平向深部延伸，礦井涌水量逐步增加，水害治理難度逐漸加大。根據(jù)礦井采掘接替計劃，礦井技改的南翼副井與現(xiàn)采掘區(qū)域貫通前中央排水系統(tǒng)需承擔13采區(qū)、25采區(qū)、21采區(qū)及23下山巷道的涌水量，預計全礦井正常涌水量2 223.6 m3/h，最大涌水量2 479.8 m3/h.現(xiàn)有的中央泵房安裝9臺MD500－57×7型水泵，在礦井處于最大涌水量時，需啟動8臺水泵可滿足排水要求，但是不能滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的工作水泵、備用水泵、檢修水泵之間的系數(shù)比關系，需增加4臺同型號水泵，而現(xiàn)有中央泵房已無擴容位置，故在主副井底附近增設了一個附屬泵房、變電所等，并通過聯(lián)絡巷與主排水陣地連通，利用現(xiàn)有主井底水倉有效容量，提高主排水陣地排水能力。排水系統(tǒng)增容改造工程量共約401 m，同時施工2個孔徑d426 mm排水鉆孔(760 m)來增設2趟排水管路。另外，對地面變電所進行增容改造，保證排水系統(tǒng)供電安全。改造完成后，附屬泵房安裝4臺MD500－57×7型水泵，預留2臺水泵位置，礦井排水能力將完全滿足目前和后期安全生產需要。

3.4 地質、瓦斯區(qū)域超前探測工程

通過礦井三維及時頻電磁物探工程能預測富水區(qū)分布范圍及導水通道發(fā)育情況以及預測瓦斯富集區(qū)分析影響瓦斯氣分布和構造解釋、裂縫預測以及區(qū)域煤田地質特征等綜合信息。對預測區(qū)域開展瓦斯地質區(qū)域探測驗證，根據(jù)物探和探測地質結果，最終實現(xiàn)合理優(yōu)化頂板疏水巷和穿層瓦斯抽放鉆孔設計，同時保證后續(xù)的采掘工作面安全措施編制的針對性。

沿計劃采掘區(qū)域走向(傾斜)條帶每30～50 m布置至少2組探測鉆孔和瓦斯參數(shù)測試鉆孔(探測驗證水文鉆孔和瓦斯參數(shù)測試鉆孔可共用)，探測煤層賦存、地質構造等情況。同時，每30～50 m至少測試1組煤層原始瓦斯含量(有條件可同時測定瓦斯壓力參數(shù))。

3.5 利用水力沖孔增透抽采瓦斯

水力沖孔是水力化增透消突措施中的一種，它是在煤層內部通過高壓水射流沖出大直徑孔洞，再連接抽采管路抽采煤層中的瓦斯，從而達到降低煤層中瓦斯壓力，消除突出危險性的目的。

25001工作面為近兩年此礦井主力工作面，位于25采區(qū)上部，切巷長192 m，煤厚1～10.8 m，平均煤厚6 m，煤層傾角5°～16°，平均傾角10°，實測最大原始瓦斯含量為22.26 m3/t.與工作面上下副巷和切巷間距20 m底板L7－8灰?guī)r中設計有底板抽放巷約2 500 m，工作面主要采用穿層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施。鉆孔間距按6 m×6 m布置，鉆孔直徑94 mm，孔口間距≥300 mm.鉆孔深度為穿透煤層進入煤層頂板≥0.5 m.鉆孔控制范圍為工作面整個回采區(qū)域及停采線外20 m范圍。同時，為提高穿層鉆孔瓦斯抽采效果，合理選擇抽采鉆孔和水力沖孔增透卸壓鉆孔布置方式，增透卸壓鉆孔使用直徑133 mm或94 mm鉆頭配用三棱鉆桿沖孔，單孔泄煤量要求每米煤孔≥1 m3，總泄煤量不得小于鉆孔控制塊段煤炭儲量的10‰，增透卸壓鉆孔聯(lián)網(wǎng)進行抽采。從目前25001工作面已回采的0～220 m段抽采達標情況來看，共施工有450個穿層鉆孔，泄煤量2 816 t，泄煤率16.7‰，抽放瓦斯54.8萬 m3，保證了工作面正常安全生產。

4 預期建設效果

1)礦井5 m以上斷層控制達到70%以上，含水層富水性及導水通道探測符合率達到60%以上，瓦斯富集區(qū)探測率達到80%以上。

2)通過工作面頂板疏水和底板注漿加固，改善工作環(huán)境，杜絕突水事故，礦井正常涌水量由1 315.95 m3/h降至600 m3/h以下。

3)通過區(qū)域探測和局部探查，劃分煤層瓦斯賦存區(qū)域(高瓦斯煤體、突出煤體、高應力煤體)，在高瓦斯區(qū)施工抽采巷和抽采鉆孔進行消突治理。

4)通過實施隱蔽災害治理工程，改善礦井水文地質條件，減少礦井涌水量，對礦井水害進行綜合治理，封堵已有突水點、加固斷層帶、封閉導水裂隙帶。

5 結束語

隱蔽災害治理示范工程的建設和相關項目的實施，將使告成礦在水害治理及瓦斯治理上徹底改變面貌，杜絕水災及瓦斯事故，逐漸建立本質安全型礦井，為礦井安全生產和快速發(fā)展創(chuàng)造條件。

［1］吳偉征，康莉莉.基于ArcGIS和ECM－AHP的煤層底板突水后果嚴重度評價研究［J］.中州煤炭，2014，1(5):51－54.

［2］吳偉征.查莊煤礦底板突水風險評價研究［D］.青島:山東科技大學，2011.

［3］張文泉.礦井水害預防與治理［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2007:112－114.