苏宏刚

(陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400)

0 引言

桑树坪煤矿煤与瓦斯动力灾害治理以开采保护层为主，近几年来矿井先后开展2号煤层作上保护层、11号煤层作下保护层的瓦斯治理试验，类似的工程条件下的相关研究也取得了良好的技术效果[1-6]。矿井2号、11号煤层分别在2014年、2015年鉴定为突出煤层；同时，由于上保护层2号煤层部分区域薄化不可采、下伏11号煤层含硫高且面临底板奥灰水威胁不可采，对矿井瓦斯灾害治理提出了新的需求；2015年矿井3号煤层非保护区煤巷掘进发生煤与瓦斯突出动力灾害事故后，矿井防突工作面临巨大的压力。桑树坪煤矿原有采掘部署均未考虑2号、11号煤层的突出防治的需求，导致2号、11号煤层升级为突出煤层后，矿井无法适应瓦斯灾害治理的总体需求，且该两煤层瓦斯治理的时间与空间不足。矿井近年虽经过调整，但采掘部署仍无法满足矿井瓦斯治理的需求，同时导致生产系统复杂。

1 工程概况

矿井目前生产分布在南、北两个采区，总体利于矿井瓦斯灾害治理，但现有开拓系统无足够的瓦斯治理配套工程，急需对现有的采掘部署进行调整。桑树坪煤矿3号煤层突出灾害主要表现为应力主导型突出，无保护层开采条件下，针对煤岩瓦斯动力灾害危险，传统单一、无差别的本煤层卸压预抽瓦斯难以有效消除复合动力灾害危险[7-9]。

3号煤层采用下保护层开采时，以下保护层11号煤层开采结合上向穿层钻孔强化卸压瓦斯抽采作为区域防突措施；11号煤层瓦斯治理采用顺层钻孔边采边抽、在3号煤层底板巷施工穿层钻孔抽采3号煤层卸压瓦斯、高位钻孔和沿空留巷埋管采空区抽采等综合瓦斯治理措施。3号煤层采用上保护层开采时，以上保护层2号煤层开采结合下向穿层钻孔强化卸压瓦斯抽采作为区域防突措施；2号煤层瓦斯治理采用顺层钻孔边采边抽、沿空留巷侧施工下向穿层钻孔抽采3号煤层卸压瓦斯、高位钻孔和沿空留巷埋管采空区抽采等综合瓦斯治理措施。

2 煤与瓦斯动力灾害治理技术方案

2.1 煤层开采程序论证

防治突出角度论证3号煤层的保护层：从煤层瓦斯压力、坚固性系数、瓦斯发散速度及煤层厚度以及采掘过程中的实际灾害情况分析，矿井2号、11号突出危险大体一致，3号煤层突出危险性最严重，从防治突出的角度来看，2号、11号煤层均可作为3号煤层的保护层。

11号煤层论证：2015年桑树坪煤矿11号煤层已鉴定为突出煤层。该煤层作保护层的过程中，面临突出、奥灰水、H2S、自燃等灾害的威胁；煤层工作面H2S涌出量较大，工作环境恶劣。11号煤层原煤硫含量很高，属富硫～高硫煤，其洗选性较差，面临巨大的环保压力，也不符合国家的能源开发政策。综合分析，认为11号煤层不宜继续作为保护层开采。

2号煤层论证：2014年2号煤层鉴定为突出煤层，且深部实测瓦斯压力达到1.35 MPa；2号煤层地质复杂，小断层十分发育，同时2号煤层中经常见到一些小型压梁、底鼓褶曲构造，矿井已发生的突出事故多发生在构造附近。从现有的开采情况来看，南一采区3312工作面，该区域地勘钻孔7个，煤层厚度0.58～1.21 m，与3号煤层间距11.02～17.98 m；2号煤层掘进过程中局部区域与3号煤层间距2.00～3.00 m。掘进至该区域时工作面瓦斯涌出大，个别区域甚至误揭3号煤层，严重威胁2号煤层的采掘安全。煤层赋存不稳定，厚度变化较大，北一采区4219工作面开采时，工作面浅部2个地勘钻孔，见煤厚度0.78～1.02 m，但该区域实际揭露煤层厚度小于0.5 m，局部煤层尖灭，出现无煤带，导致工作面浅部约120 m无法开采，从而导致被保护层工作面形成应力集中带，给3号煤层的开采带来困难。

论证结果：综上所述，可作为3号煤层保护层开采的有效保护垂距内无厚度0.5 m及以上无突出危险煤层；2号煤层局部与3号煤层间距小，3号煤层威胁到2号煤层采掘安全；下伏的11号煤层开采面临突出、奥灰水、H2S、自燃等灾害的威胁。因此桑树坪煤矿不具备保护层开采条件，矿井仅开采3号煤层。

2.2 瓦斯治理技术方案

针对矿井3号煤层无保护层开采条件的情况，直接开采单一3号煤层区域防突措施是重点。根据3号煤层赋存特点以及目前技术装备现场，提出以下两种区域防突措施方案。

方案Ⅰ：穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。距3号煤层底板20 m位置布置两条底板瓦斯抽采巷，底板瓦斯抽采巷I相对于回顺内错30 m，底板瓦斯抽采巷Ⅱ相对于运顺外错30 m，两条瓦斯抽采巷通过切眼底板抽采巷联通形成全负压通风，切眼底板抽采巷相对切眼内错20 m。底板瓦斯抽采巷Ⅰ施工穿层钻孔控制3号煤层回顺煤巷条带区域，底板瓦斯抽采巷II施工穿层钻孔控制3号煤层运顺、下区段3号煤层回顺煤巷条带区域；钻孔的控制范围为轮廓线瓦斯15 m，钻孔采用三花布置，钻孔间距6 m×6 m，同时结合水力扩孔强化卸压抽采技术，如图1所示。待两顺消突后，在两顺施工顺层交叉钻孔预抽回采区域煤层瓦斯，距切眼300 m范围内钻孔间距为2 m，其余区域钻孔间距4 m，钻孔控制停采线外20 m；斜交钻孔与工作面夹角75°，如图2所示。鉴于煤层厚度在同一工作面差异性大，煤层厚度3～12 m，施工过程中根据煤层厚度确定顺层钻孔布置的排数。煤层厚度小于2 m时，布置1排钻孔；煤层厚度2～5 m时，布置2排钻孔；煤层厚度5～9 m时，布置3排钻孔；煤层厚度9～12 m时，布置4排钻孔。钻孔直径采用φ94 mm，穿层钻孔封孔深度10 m，顺层钻孔封孔深度15 m。回采过程中采用边采边抽，在回采工作面采空区埋设抽采管对采空区进行埋管抽采，以防3号煤层回采时工作面后方采空区积聚瓦斯致使隅角瓦斯超限；同时在回顺施工高位钻孔抽采采空区瓦斯。

图1 穿层钻孔预抽煤巷条带区域瓦斯钻孔布置示意图

图2 顺层钻孔预抽回采区域钻孔布置示意图

方案Ⅱ：一面四巷+穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯。南一、北一采区充分利用+280 m、+200 m水平的开拓巷道，布置一条顶板瓦斯抽采巷、底板瓦斯抽采巷，与两水平的系统巷道联通形成全负压通风系统。距3号煤层底板20 m位置布置一条底板瓦斯抽采巷，对于运顺内错30 m；距3号煤层顶板布置一条顶板瓦斯抽采巷，相对于回顺内错30 m，顶板抽采巷距3号煤层顶板30 m。钻孔控制范围为两顺轮廓线外15 m及回采区域，沿工作面走向控制范围为切眼外侧15 m、停采线外20 m。钻孔采用三花布置，钻孔间距6 m×6 m，如图3所示。钻孔直径采用φ94 mm，穿层钻孔封孔深度10 m。回采过程中利用穿层钻孔边采边抽；顶板瓦斯抽采巷抽采采空区瓦斯，采取分段密闭巷道抽采上邻近层卸压瓦斯及采空区瓦斯，巷道分段密闭距离根据3号煤层工作面超前支撑压力影响距离等因素确定。

图3 穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯钻孔布置剖面示意图

2.3 区域防突措施治理方案比较分析

优缺点分析：对于上述2种方案，从桑树坪煤矿瓦斯治理方案瓦斯治理工程及安全可靠性等方面进行对比分析，见表1。

表1 区域防突措施方案比较分析表

方案确定及优化：目前矿井已引进ZLD-4000钻机并进行了试验，顺层钻孔施工深度80～90 m，可以保障钻孔的实施。穿层钻孔太长，则施工精度及质量无法保证，综合比较分析，桑树坪煤矿采用方案I，即采用穿层钻孔预抽煤巷条带区域煤层瓦斯，顺层钻孔抽采回采区域煤层瓦斯，回采过程中采用边抽边采，采空区埋管及高位钻孔抽采采空区瓦斯。同时，若后期煤层瓦斯含量增加，亦可直接利用底板瓦斯抽采巷施工穿层钻孔抽采区段煤层瓦斯。

2.4 矿井地应力主导型突出灾害治理技术

开展治理的必要性：桑树坪煤矿所开采的3号煤层为近水平严重突出厚煤层，发生煤与瓦斯突出122次，3号煤层上覆存在坚硬厚层顶板，3号煤层突出灾害主要表现为应力主导型突出。无保护层开采条件下，针对煤岩瓦斯动力灾害危险，传统单一的预抽瓦斯或本煤层卸压抽采措施难以有效消除复合动力灾害危险。

治理技术：无保护层开采条件下，煤巷条带区域可以采用穿层钻孔结合超高压水力扩孔卸压增透技术解决煤巷条带区域防突，采用密集顺层钻孔抽采回采区域煤层瓦斯区域防突措施，还应对工作面顶板弱化降冲、煤层卸压解决突出灾害中的应力能量。分析采动应力集中及来压规律，考虑采动应力、地质构造、煤层赋存变化及瓦斯等多因素权重分析法结合无线电坑透技术划分重点与一般防范危险区，依据划分结果对重点防范区域施工密集钻孔卸压及抽采；回采前或回采过程中试验研究顶板控制预裂爆破弱化降冲工艺技术，降低顶板冲击诱发采煤工作面煤体压出。

3 煤与瓦斯突出治理保障措施

突出矿井合理的采掘部署及巷道布置，是搞好矿井安全，尤其是防治重大瓦斯突出事故的一个核心和关键问题。突出矿井必须确定合理的采掘部署，使煤层的开采顺序、巷道布置、采煤方法、采掘接替等有利于区域防突措施的实施[10-12]。矿井目前已完成准备的11号煤接续采面3109工作面回采结束后，11号煤不再作为保护煤层进行开采，对11号煤采区进行永久封闭。只开采3号煤层，主要位于采区+200～+280 m标高之间。

北翼现主要开采北一采区，其剩余的4321、4322两个工作面尚未开采。矿井现阶段开始北二采区的开拓延伸，北二采区浅部+235 m标高布置三条大巷，均布置在3号煤层底板，可增设一条煤层回风巷作为减少揭煤次数的备用巷道；南部布置三条下山，布置在3号煤层底板；采区深部+175 m标高布置3条巷道，均布置在3号煤层底板。采用倾斜条带开采，工作面宽度155 m，长度1 500 m，采用综放工艺，全部垮落法管理顶板。首采工作面布置两条底板瓦斯抽采巷，一条相对于运顺内错30 m，一条相对于回顺外错30 m；接替的工作面布置一条底板瓦斯抽采巷，相对于回顺外错30 m；底板瓦斯抽采巷布置在3号煤层底板法距20 m位置。初期南一采区3号煤采面回采结束后，跳采至北一采区进行开采，后跳回至南一采区；待北一采区开采结束后，南一、北二采区之间跳采，实现3号煤采面南、北采区跳采的总体布局。通过矿井采掘部署调整，为矿井区域防突措施执行及瓦斯抽采提供时间和空间，保证了矿井“抽、掘、采”平衡。

4 结语

桑树坪煤矿严重突出3号煤层单一煤层开采，针对矿井煤层赋存及瓦斯灾害特点，提出采用穿层钻孔结合超高压水力扩孔卸压增透预抽煤巷条带区域煤层瓦斯，顺层密集钻孔抽采回采区域煤层瓦斯。同时采用顶板控制预裂爆破弱化降冲工艺技术，是治理桑树坪煤矿3号煤层地应力主导灾害的可行方法。通过矿井南一采区、北一采区和北二采区采掘部署调整和优化，为矿井区域防突措施执行及瓦斯抽采提供时间和空间，进一步为矿井突出灾害治理提供有利条件。