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中国煤炭报| 治灾铸安向未来——陕煤集团彬长矿业奋力打造全国多元灾害耦合协同治理示范矿区

作者: 弯桂清     时间: 2022-09-22     点击: 查询中    分享到:

中国煤炭报 2022年09月17日 M4版


治灾铸安向未来

陕煤集团彬长矿业奋力打造全国多元灾害耦合协同治理示范矿区

“陕煤彬长矿业创新理念方法,不断丰富多元灾害同防同治技术路径,探索形成耦合因素分源治、区域局部协同治、井上井下立体治灾害防治新格局,重大灾害防治能力显著提升,走出了一条具有彬长特色的多元灾害协同治理新路子。”8月11日,在全国煤矿瓦斯和冲击地压重大灾害防治现场会上,与会代表纷纷为彬长矿业灾害精准防治点赞。

“在跻身世界一流煤炭企业的竞技场上,安全是横亘在彬长矿业眼前的一座大山。唯有跨过安全这道非过不可的难关,企业才能迎来高质量发展的新气象。”彬长矿业公司党委书记、董事长白永明说。

彬长矿区地质条件复杂、多元灾害耦合叠加,被认定为全国煤矿灾害最重、治理难度最大、安全风险最高、有效防范和遏制重特大事故任务最繁重的矿区之一。

今年以来,在国家矿山安全监察局、省市县各级政府的大力支持和陕煤集团、陕西煤业的坚强领导下,彬长矿业围绕强安全、精治灾、优接续的工作主线,加强重大灾害防治顶层设计,加快各矿井灾害治理3年至5年规划落地实施,坚持一矿一策、一面一策、一段一策,做到超前、综合、科学、精准治灾。1月至8月,彬长矿业顺利实现安全“六零”目标。

“11533”新体系,树起瓦斯防治样板

彬长矿业5对矿井均属高瓦斯矿井,其中大佛寺矿绝对瓦斯涌出量最大曾达到每分钟210立方米,是陕西瓦斯涌出量最大的矿井。今年以来,彬长矿业经过不懈探索和实践,构建形成了“11533”瓦斯治理新体系。

围绕一个目标,即精准治理零盲区、严格管控零超限、综合利用零排放瓦斯多元治理。

推行一种模式,即井上下抽采相协同、三区递进相协调、预抽与卸压抽采相结合的“三区联动”瓦斯治理模式。

彬长矿业在8年以上规划区布置地面钻井,解决井下未开拓区域的瓦斯治理难题。累计施工82组地面抽采井,包括生产直井、多分支水平井、远端对接“U”型井、丛式定向井等井型;其中,水平井单井日产气量最高达3万立方米,垂直井单井日产气量最高达4000立方米,地面累计抽采瓦斯量1.4亿立方米,地面抽采预抽率达到20%。在3年至8年准备区开拓大巷或灾害治理专用巷道,应用大功率、大扭矩定向钻机,施工长距离定向钻孔,孔深达到1000米左右,可同时覆盖6个至8个工作面区段,实现准备区瓦斯超前治理。将采煤工作面(生产区)划分为3个至5个单元,按照一面一策、一段一策原则和一单元一设计、一钻孔一工程标准,实现瓦斯抽采达标。

“三区联动”立体抽采在空间上体现为井上下相结合,在时间上体现为中长远规划与短期生产准备相结合,在方式上体现为预抽与卸压抽采相结合。

深耕五项技术。“2—111”瓦斯高效抽采技术,即在单孔内开展2种技术作业,用水力割缝和液态二氧化碳驱替,实现钻孔内1次割缝卸压、1次气相脱附驱替以及1次导向扩冲驱气。

特厚煤层长钻孔水力压裂技术,即根据煤层坚固性系数较高的特点,在定向长钻孔内分段压裂扩张煤体裂隙+整体压裂沟通网络,实现煤层大范围区域性增透改造,测试压裂影响范围46米至58米,百米抽采流量提高3倍至5倍。

邻近层立体掩护式抽采技术,即针对近距离煤层赋存特点,优先开采上覆煤层,提前对主采煤层进行卸压;利用开拓大巷或盘区专用灾害治理巷施工密集长距离定向钻孔,拦截主采煤层瓦斯涌出,实现立体掩护式抽采。上覆煤层开采后,主采煤层瓦斯涌出量减少40%至55%。

高位定向钻孔“以孔代巷”技术,即采用大功率、大扭矩定向钻机,在工作面回风巷向顶板裂隙带沿工作面走向施工长距离高位定向大直径钻孔,精准抽采采空区卸压瓦斯,卸压瓦斯治理量占工作面瓦斯涌出量的50%以上。

本煤层网格化采前预抽技术,即工作面沿倾向布置常规预抽钻孔,沿走向对上分层煤层补充布置长距离定向钻孔,实现本煤层不同层位全覆盖、全面达标,瓦斯精准治理零盲区。

提升三个保障。超前地质保障,即地质前期预判与后期采掘相互验证,采用地面钻孔补勘、瞬变电磁法、三维地震勘探、直流电法等手段,有效掌握采掘活动与瓦斯治理的空间关系。

过程控制保障,即推行装备智能化升级,引进了智能钻机群组;打钻监控系统、随钻轨迹测定装置,实现打钻过程智能验收、远程纠违等以及一孔一工程、一孔一视频;采掘工作面引进瓦斯抽采效果智能分元评价系统,实现分单元煤层瓦斯抽采各参数精准计量,实现对各单元的抽采效果动态评价、动态达标。

供电可靠保障,即在矿井原有双回路供电基础上,实现矿井三回路供电,确保主通风机、抽采泵、提升系统、排水系统正常运行。

创新三条途径。低浓度、乏风瓦斯发电方面,建成全国装机容量最大的低浓度瓦斯发电厂,安装36台低浓度瓦斯发电机组,总装机容量达到2.16万千瓦,实现井下抽采浓度8%以上的瓦斯全部利用,年发电能力1亿千瓦时,已累计发电8亿千瓦时。建成全国首个煤矿通风瓦斯利用示范工程,将通风瓦斯与浓度8%以下抽采瓦斯掺混利用,通风瓦斯处理能力达到39万Nm3/h(标准立方米/小时),实现浓度8%以下抽采瓦斯和通风瓦斯有效利用。

地面煤层气开发及集输利用方面,建成日处理能力5万立方米的提纯压缩输送站,建设了21.79千米集输管网,完成29组煤层气井输气管道对接及提纯压缩输送站连接。与地方天然气公司合作开展煤层气销售工作,日产气量5万立方米。

余热综合利用方面,在大佛寺矿井,利用瓦斯电厂余热作为热源,建设6台余热锅炉,满足了职工洗浴热水常态化供应和冬季井口供暖用热。

“去年,彬长矿业在全国煤矿首创‘2—111’高效瓦斯抽采技术工艺,利用高压水射流割缝卸压和液态二氧化碳气相驱替原理,在钻孔内开展2种技术作业,实现1次割缝卸压、1次气相脱附驱替及1次导向扩冲驱气。瓦斯抽采影响半径最远可达26米,瓦斯抽采浓度和抽采纯量增加1倍以上。”彬长矿业副总经理、总工程师原德胜说。

“今年上半年,公司累计完成各类瓦斯抽采钻孔66.8万米,抽采瓦斯量3457.77万立方米,完成年计划54%。”该公司副总工程师、通风部经理郭魏虎说。

通过大力实施瓦斯综合防治措施,矿井瓦斯防治由局部治理向区域治理、由生产过程治理向超前治理彻底转变,实现了瓦斯抽采量、抽采率、钻孔抽采浓度显著提高,煤层瓦斯含量、压力、采掘工作面回风瓦斯浓度显著下降。彬长矿业连续8年实现瓦斯“零超限”目标。

“1155”新模式,彰显冲击地压防治担当

冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤(岩)体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象。2013年以来,冲击地压在彬长矿区显现,威胁矿井安全生产。

彬长矿业5对矿井中,强冲击矿井2对、中等冲击矿井2对、弱冲击矿井1对。

“去年以来,彬长矿业按照‘地质先行、超前探查,分级治理、立体实施,精准监测、效果达标’的总体思路,探索形成了以地面区域压裂为主、井下局部治理为辅的井上下立体防冲‘1155’新模式。”该公司副总工程师、防冲部经理付田田说。

今年以来,彬长矿业围绕煤岩“零冲击”一个目标,坚持冲击地压“可预、可防、可控”一个理念,立足立体联合监测五种方法,夯实立体协同卸压五项技术。

井上下立体联合监测五种方法,即安装地面ARP微震监测系统,对高位岩层破断产生的微震事件进行实时监测;安装井下微震监测系统,与地面微震监测系统有机融合,形成立体微震监测台网,对煤岩体破裂产生的微震事件进行实时监测;安装地音监测系统,对采掘工作面地音事件进行实时监测;安装应力在线监测系统,对采掘工作面近场围岩集中静载荷及变化进行实时监测;安装矿压、顶板离层等监测系统,对液压支架工作阻力、顶板离层量等进行实时监测。

以此为基础,彬长矿业形成以全天时、全覆盖、全频段、全要素为特点的立体监测网络,实现由点、局部、单参量监测至区域多场多参量综合预警转变,有效提高了冲击地压监测预警精度。

井上下立体协同卸压五项技术,即对高位坚硬顶板采用地面“L型”水平井分段压裂技术进行改造,形成“人造解放层”;对中位坚硬顶板采用定向长钻孔水力压裂技术进行压裂;对低位坚硬顶板采用爆破、磨砂射流轴向精准切顶等技术进行预裂,高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿,将顶板切割成相对规则的块状结构;对煤层采用大直径钻孔和煤层爆破等技术进行卸压,使得煤体内应力集中程度降低,高应力区向煤体深部转移;对煤层采用水射流旋切等技术,进一步提高卸压效果。

“三区联动”开采模式。彬长矿业下辖煤矿依据顶层设计,立足源头治理,构建了一井三区、一区一面、交替开采的“三区联动”开采模式。规划区着力于巷道开拓及准备,为生产接续夯实基础,以地面“L型”水平井分段压裂技术为主进行超前区域治理;准备区采用井下定向长钻孔水力压裂、顶板预裂爆破、磨砂射流轴向精准切顶等技术,对备采工作面煤层上覆中、低位坚硬顶板进行弱化;生产区采用煤层爆破、大直径钻孔、水射流旋切等卸压手段,对煤层进行卸压。在空间上体现为井上下相结合,在时间上体现为中长远规划与短期生产准备相结合,在方式上体现为区域与局部相结合,从设计源头解决采掘、卸压等活动在时空上相互扰动的不利因素。

今年1月至6月,彬长矿业完成各类防冲卸压钻孔60.29万米,完成年计划58.36%。通过实施区域与局部相结合的卸压技术,有效降低了采掘工作面冲击危险程度。

国内外学术界普遍认为,防治冲击地压是采矿工程和岩石力学领域面临的一项世界性难题,其致灾机理尚未研究清楚,相关防治技术手段仍需完善。

“现阶段和今后一个时期,彬长矿业将加快产学研用深度融合,持续致力于促进冲击地压防治理论与技术的突破。”彬长矿业党委副书记、总经理焦小年说。

“11235”新机制,提供防治水方案

彬长矿区5对矿井地质及水文地质条件均为复杂型,水害问题突出、防治水工作难度大。彬长矿业始终坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的防治水原则,贯彻执行立体探查、精准预报、主动疏放、综合治理防治水管理理念,超前开展区域洛河组含水层精细探查分析,积极探索顶板水、离层水、老空水、断层水、井筒水5种典型水害防治技术路线,逐渐形成了以地质透明、科技引领、系统保障为支撑的“11235”井上下立体防治水新机制,连续多年实现水害“零事故”目标。

围绕“有水无灾”水害零事故一个安全目标;坚持立体探查、精准预报、主动疏放、综合治理一个管理理念;探索清污分离、污水过滤的高效排水和减水开采、综合利用的绿色减排两条治水路径;筑牢透明地质、排水系统、科研技术三项基础保障;致力巨厚洛河砂岩水综合防治、典型离层水害立体防治、采空区积水精准探放、断层水害超前防治五种防治技术、井筒冻结孔水害创新治理。

巨厚洛河砂岩水综合防治技术。巨厚洛河组含水层是彬长矿区煤层开采的主要涌水来源。洛河砂岩水防治工作方面,针对洛河组分布范围广、厚度大的特点,采用多孔布置和分层抽水试验等方法,对其平面和垂向两个维度的富水差异性进行精细探查,创新采用双packer(栓)分层抽水试验装置开展单孔抽水10层次以上,按照垂向上的富水性差异、岩性差异和沉积特征差异,首次将洛河组含水层划分为“上中下”三段;根据矿井煤层赋存情况设计区域集中泄水巷,最大限度减少洛河砂岩水对矿井开采影响;优化工作面防治水设计,调整采煤工艺,通过留设挡水梁、砌筑拦水坝、构筑鱼脊梁等方式,实现工作面涌水有序疏排。

典型离层水害立体防治技术。离层水是彬长矿区的典型水害类型,具有瞬时水量大、持续时间短、出水位置以及时间规律不明显等特点,防治难度大。近年来,彬长矿业与相关科研院所合作,逐渐掌握了离层水害特点及形成机理,确定了本区“上硬下软”互层型地层组合是形成离层水的关键地质因素。通过采取地下水水位动态监测和施工井上下大孔径抽泄钻孔,实现了离层水害超前预警和降低涌水峰值目标,并利用工作面泄水巷消除了离层水威胁,实践形成了综合监测预警、井上下联合疏排、采场涌水自泄的离层水害井上下立体防治新模式。

采空区积水定向探放技术。随着矿区持续开发建设,矿井自身采空区积水已成为日常防治水工作重点,彬长矿业坚持查全、探清、放净、验准采空水“四步工作法”,实行老空水害“三区”管理。所属矿井均成立了专职探放水队伍,按照探放水“三专”要求,配备了钻探距离超过千米的探放水专用定向钻机。针对自身采空区积水范围和积水量清楚的特点,彬长矿业通过施工定向长距离分支钻孔,解决了常规钻机探不准、放不净的难题,在减少钻探工程量的同时,增大了探放水面积,实现了采空区积水靶向式精准疏放。

断层水害超前防治技术。彬长矿业按照查清范围、超前治理、加强支护、限高开采的思路开展断层水害防治,杜绝了断层水害对采掘工作面安全生产的影响。

以孟村矿401101工作面防治DF29断层水害为例:该矿通过井上下物探+钻探相结合的方式,查明了DF29断层的产状、含(导)水性及影响宽度,超前500米在两顺槽对断层影响区域进行注浆加固,并在断层面两侧各75米范围内执行限高开采,保持匀速推进,减小采动对断层的扰动,确保过断层前后未发生突水现象,实现了工作面安全回采。

井筒冻结孔水害创新治理技术。胡家河煤矿主、副立井井筒采用全深冻结法施工。地层解冻后,冻结管与周围地层接触面附近形成环形裂隙,洛河组承压水沿环形空间下泄,造成井筒马头门涌水。彬长矿业创造性运用“环形措施巷+注浆”工艺方法,在直罗组底部地层内沿冻结管外侧施工环形措施巷,采用插管引流注浆技术封堵冻结管外环形空间高压涌水,施工耳硐揭露冻结管并进行割管、注浆,封堵涌水通道,并构筑人工阻水塞,成功治理了冻结孔水害。

该项技术方法成功解决了立井全深冻结法施工后的水害问题,推动了煤炭行业深井井筒水害治理技术发展,被评为陕西省科学技术一等奖,并获得国家发明专利。

“上半年,彬长矿业累计完成各类地质勘探进尺2.55万米、勘探面积8.0平方公里,完成各类疏放水钻孔1.6万米、疏放水量3.4万立方米,超额完成计划指标。”该公司副总工程师、地测防治水部经理张联队说。

协同治理,打造全国多元灾害治理示范矿区

今年以来,彬长矿业坚持多元灾害协同治理,制定了“盘区准备期—巷道掘进前—工作面回采前”三阶段的灾害协同治理规划,创建了多元灾害协同治理模式。

盘区准备期通过实施“一级网格建设+灾害治理措施巷+区域预抽钻孔+水力压裂技术”,超前开展盘区内冲击地压防治、瓦斯预抽、地质探查、探放水等工作。

巷道掘进前通过实施“二级网格建设+超前掘进灾害治理孔+水力压裂+高压水射流割缝”,超前开展冲击地压防治、瓦斯预抽、地质探查、探放水等工作。

工作面回采前通过实施“ 三级网格建设+地面水平井压裂+高位定向钻孔+集中泄水巷+‘2—111’瓦斯高效抽采技术”,超前开展瓦斯、冲击地压、水、火、煤尘、地热等灾害治理工作。

今年3月,彬长矿业发布实施“煤矿冲击地压防治、地面‘L型’水平井分段压裂防治煤矿冲击地压、煤矿瓦斯抽采、煤矿防灭火、煤矿防治水”5项企业标准。这是既基于国家行业标准、又严于国家行业标准的灾害治理企业标准,填补了全国煤炭行业多元灾害治理企业标准的空白。今年6月,率先出台实施灾害治理“五超前”验收标准,不断完善灾害防治技术体系,保障矿井安全生产。彬长矿业全面进入标准引领、体系推进、本安治灾新阶段,全面迈上打造全国多元灾害耦合协同治理示范矿区新征程。(弯桂清)

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