復雜地質條件下立井揭煤防突措施

張超杰 蔣承林

(1.徐州恒安煤礦技術有限公司；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院)

復雜地質條件下立井揭煤防突措施

張超杰1蔣承林2

(1.徐州恒安煤礦技術有限公司；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院)

針對河南某礦井筒揭煤區(qū)域有斷層的復雜地質條件，對水力沖孔措施進行了優(yōu)化，以水力沖孔加注漿方法為井筒揭煤的區(qū)域防突措施，以揭煤后煤層段壁后注漿方法為安全措施，在保證安全的前提下，提高了立井揭煤區(qū)域防突措施的實施效果和效率，縮短了揭煤及掘進工期，提高了生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟效益。

立井揭煤 水力沖孔 防突措施 注漿 掘進工期 生產(chǎn)效率

煤與瓦斯突出主要發(fā)生在井筒及石門揭煤、煤巷掘進和工作面回采過程中，以井筒和石門揭煤時煤與瓦斯突出的危險性最大，主要表現(xiàn)在突出的強度大且危險性程度高，特別是立井揭煤時，防突措施實施的空間有限，導致施工難度大、效果差、時間長，尤其是遇到斷層等復雜地質條件時，防突措施收效甚微[1-4]。因此，在復雜地質條件下，有必要編制和實施科學、可行的立井揭煤防突措施。

1 項目概況

河南某礦位于河南省許昌市，該礦主采二1煤層，屬煤與瓦斯突出煤層，礦井生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a，目前正進行改擴建施工，根據(jù)改擴建設計方案，在井田北部邊界區(qū)域新建1個進風井和1個回風井，其中回風井井筒上部245.1 m采用凍結法施工，245.1～556 m為正?；鶐r段，采用普通鉆爆法施工，井壁結構為素混凝土結構/鋼筋混凝土+錨網(wǎng)噴結構，混凝土強度等級為C40，在遇特殊地層(破碎帶)片幫嚴重時，采取錨、網(wǎng)、噴或錨、網(wǎng)臨時支護，臨時支護采用φ45 mm×1 600 mm管縫式錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，噴射混凝土強度C20，噴厚100 mm?；仫L井將揭穿二1煤層，該煤層頂板砂巖段孔隙承壓含水層組，該段含水層巖性多為中—細粒砂巖。距二1煤層頂板法向距離20 m處，于立井掘進工作面施工了5個前探鉆孔，鉆探結果顯示，井筒輪廓線內地質構造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，但有一斷層位于井筒輪廓線外8～10 m處，屬于揭煤工作面區(qū)域措施包括的范圍內。在揭煤工作面距離二1煤層法向距離10 m處施工了3個鉆孔并測定了煤層瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)，結果見表1。

表1 回風井突出危險性參數(shù)測定結果

據(jù)表1可計算得回風井二1煤層綜合指標D為-5.06，K為116。經(jīng)預測，回風井揭穿二1煤層存在瓦斯突出危險性，需采取區(qū)域防突措施。

2 防突措施論證及優(yōu)化

2.1 防突措施論證

就回風立井揭穿二1煤層的實際情況而言，采用常規(guī)的瓦斯抽放方法，存在以下難點。

(1)瓦斯壓力較小、透氣性差，該礦井煤層的透氣性系數(shù)為0.03 m2/(MPa2·d)，屬較難抽放的煤層，瓦斯抽放效果難以保證，且抽放周期較長，很難保證改擴建工程得到按時驗收。

(2)在立井揭煤區(qū)域施工防突措施鉆孔時，所有抽放鉆孔均為下行孔，鉆孔施工完畢后孔內積水難以及時有效排出[4]，且二1煤層的直接頂板為中—細粒砂巖，為承壓含水層，抽放過程中鉆孔易受到水系的影響。

(3)雖然水力沖孔或擴孔已被證明是該礦區(qū)的有效防突措施，但考慮到水力沖孔對井壁穩(wěn)定性的影響，因而不建議將其作為區(qū)域防突措施。

2.2 防突措施優(yōu)化

(1)區(qū)域防突措施鉆孔可分區(qū)域輪換施工，防突措施鉆孔呈環(huán)形布置，抽放鉆孔和注漿鉆孔間隔布置，所有鉆孔均采用水力沖孔措施，但僅半數(shù)鉆孔在初期注漿，其余鉆孔在區(qū)域措施效果檢驗合格后注漿。

(2)考慮到鉆孔可能具備的自噴能力，須嚴格控制水壓，應先期進行試驗，確定合理的沖孔水壓，水壓不宜過大，以地面靜壓水水壓為宜(5 MPa)。

(3)控制鉆孔的出煤量，防止單孔出煤過多，形成較大的孔洞，單孔的出煤量計算公式為

式中，m為單孔沖孔煤量，t；R為井筒揭煤區(qū)域措施范圍直徑，m；h為煤層厚度，m；ρ為煤的視相對密度，t/m3；n為鉆孔個數(shù)；μ為煤層變形率，m。

(4)為保證井壁的穩(wěn)定性不受影響，考慮到井壁的長期穩(wěn)定性，在井筒施工進入二1煤層底板5 m后，在煤層段進行一次壁后注漿。

3 防突措施及實施效果

3.1 防突措施

設計9圈共計258個鉆孔，考慮鉆孔施工的可行性，最外部3圈鉆孔的開孔位置均在井壁上(圖1)。單個鉆孔施工工序：首先施工長3.5 m、孔徑113 mm的鉆孔，退出鉆桿，將長3.5 m、外徑108 mm一端帶有法蘭盤的無縫鋼管送入鉆孔，出露地面0.5 m, 外側用雙漿液固定封堵，孔口管與法蘭盤采用無縫焊接，固定孔口管時首先用部分聚氨酯固定，然后由孔口管內注入水泥漿，由孔壁外部返漿，待鉆孔壁與孔口管全部填滿水泥時即可停止注漿。待凝固12 h后在孔口管內施工直徑94 mm的抽放鉆孔，在鉆頭進入煤層時，采取低鉆壓、慢鉆進的方式鉆進。鉆進煤層0.5 m時，停止鉆進，保持水壓、鉆桿及鉆頭轉速，在煤孔內0～0.5 m處往復運動5～10 min，若發(fā)生噴孔現(xiàn)象，則立即停止鉆進，調小排渣壓力水，但不停鉆機，使鉆桿及鉆頭在鉆孔中空轉(嚴禁停水、鉆機，否則導致鉆桿無法拔出)，直至噴孔停止，恢復鉆進；鉆進至煤孔0.5～1.0 m處時，停止鉆進，保持水壓及鉆桿和鉆頭轉速，在煤孔0.5～1.0 m處往復運動5～10 min，按上述循環(huán)，每0.5 m循環(huán)1次，直至進入煤層底板1.5 m停止鉆進，換風將鉆孔內水排出。鉆進過程中，應收集鉆孔內沖出的煤樣并現(xiàn)場稱重，若未達到預定的重量，則應再次沖孔，直至沖孔煤量達標為止。

所有鉆孔施工完畢后立即連接抽放管路進行抽放，2周后注漿鉆孔注水泥漿，注漿壓力達到2 MPa或注入2～3包水泥后結束，施工鉆孔時按照井筒十字線將井筒劃分為4個區(qū)域，4個區(qū)域對向施工，每施工10個鉆孔更換1次施工區(qū)域，區(qū)域防突措施效果檢驗合格后方可停止抽放鉆孔工作。揭煤工作結束后，進入二1煤層底板方向距離5 m后進行井壁注漿施工，仍按4個區(qū)域劃分，每個區(qū)域施工3個注漿孔，注漿孔深6～8 m，每個注漿孔的注漿壓力不小于5 MPa。

圖1 立井揭煤區(qū)域防突措施開孔位置(單位：m)

3.2 實施效果

鉆孔施工完畢后，相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果表明，水力沖孔共沖出煤量123 t，煤層變形比例3.2‰，超過了預計3‰的變形比例，風排瓦斯量和抽放瓦斯量共36 218 m3，不論是沖出煤量還是釋放的瓦斯量均達到了預期目的，監(jiān)測結果表明井筒未出現(xiàn)明顯的位移或下沉，井壁的穩(wěn)定性良好。抽放1個月后按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求，在距二1煤層法線距離7，5，2 m時進行了防突措施的效果檢驗、區(qū)域驗證和工作面局部預測，效果較理想。

局部預測工作完畢后，放炮揭開二1煤層，放炮后未發(fā)生動力現(xiàn)象，井口瓦斯涌出量較小，瓦斯?jié)舛茸畲髢H為0.22%。進入二1煤層底板5 m后，井壁注漿工作非常順利，單個鉆孔和總注漿量均較小，說明井壁后側不存在明顯的空洞?？烧J為，在復雜地質條件下，水力沖孔+注漿的區(qū)域防突措施成效顯著。

4 結 論

(1)在復雜地質條件下，特別是有斷層的情況下，在制定防突措施時應充分顧及礦區(qū)地質特征，確保取得較好的防突效果。

(2)立井揭煤時，由于下行鉆孔排渣及水系的影響較大，應給予足夠的重視，并及時采取措施消除。

(3)采用鉆孔注漿及井壁注漿方法作為防突措施時，水力沖孔是立井揭煤的有效防突措施，特別是在煤層透氣性較差的情況下，該措施的安全、經(jīng)濟效益較顯著。

[1] 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005．

[2] 林柏泉.礦井瓦斯抽放理論與技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2011．

[3] 黃聲樹，劉見中.煤礦瓦斯治理適用新技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010．

[4] 張超杰，蔣承林.多立井揭煤聯(lián)合區(qū)域防突措施的實踐與探索[J].煤炭技術，2015(5)：144-146.

2015-08-17)

張超杰(1978—)，男，經(jīng)理，工程師，碩士,221008 江蘇省徐州市泉山區(qū)三環(huán)南路。