高瓦斯突出煤層組井筒快速揭煤關(guān)鍵技術(shù)

吳愛(ài)軍，程國(guó)軍，王法凱

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010; 2.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一東礦井建設(shè)項(xiàng)目部，安徽 淮南 232082; 3.山東能源集團(tuán)貴州礦業(yè)公司，貴州 織金 552100)

采選技術(shù)

高瓦斯突出煤層組井筒快速揭煤關(guān)鍵技術(shù)

吳愛(ài)軍1，程國(guó)軍2，王法凱3

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010; 2.淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一東礦井建設(shè)項(xiàng)目部，安徽 淮南 232082; 3.山東能源集團(tuán)貴州礦業(yè)公司，貴州 織金 552100)

潘一東項(xiàng)目部第一副井主要是服務(wù)于-850m以上的開(kāi)采水平，該井筒要穿越13-1煤與12煤組成的高瓦斯突出煤層組，為了實(shí)現(xiàn)安全快速的揭煤，該項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用了多項(xiàng)新技術(shù)實(shí)施防突措施：首先使用高壓充氣法快速測(cè)定了煤層瓦斯壓力，與此同時(shí)利用自行研制的取芯器實(shí)現(xiàn)完整鉆取煤芯，掌握了煤層具體信息；在驗(yàn)證所揭煤層無(wú)突出危險(xiǎn)性后，再利用擴(kuò)槽鉆頭施工大直徑的鉆孔以加快瓦斯的排放。經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)密組織和緊張施工，整個(gè)揭煤過(guò)程不到20天，較常規(guī)工藝縮短了近1/3的時(shí)間，取得了經(jīng)濟(jì)效益和安全效益的雙贏。

突出煤層組；快速揭煤；擴(kuò)槽鉆孔；充氣測(cè)壓

煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦回采或掘進(jìn)過(guò)程中的一種極其復(fù)雜的猛烈的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，可在極短的時(shí)間內(nèi)由煤體向采掘空間噴出大量的煤與瓦斯，從而造成人員窒息和煤與瓦斯爆炸條件，直接導(dǎo)致風(fēng)流紊亂或短時(shí)逆轉(zhuǎn)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅[1-9]。根據(jù)資料顯示，突出災(zāi)害事故若按突出危險(xiǎn)的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)劃分的話(huà)，石門(mén)井筒、揭煤過(guò)程中發(fā)生突出強(qiáng)度最大，掘進(jìn)、回采過(guò)程中次之，所以在石門(mén)、井筒揭煤過(guò)程中，國(guó)家、煤礦企業(yè)特別重視揭煤過(guò)程的安全生產(chǎn)問(wèn)題。同時(shí)井筒揭煤是礦井井筒建設(shè)最為危險(xiǎn)的也是所有工作中的最關(guān)鍵一個(gè)環(huán)節(jié)，它的進(jìn)度快慢直接影響下一期工程(巷道工程)的施工，所以工期比較緊，任務(wù)重，為了安全快速實(shí)現(xiàn)井筒揭煤，必須認(rèn)真組織、精心策劃，采用先進(jìn)技術(shù)和工藝，細(xì)致施工才能安全快速的完成這一艱巨任務(wù)。

1 潘一東礦井情況簡(jiǎn)介

潘一東礦井分2個(gè)水平生產(chǎn)。一水平標(biāo)高為-850m，主要開(kāi)采11-2煤、13-1煤。二水平標(biāo)高暫定-980m，主要開(kāi)采8、7、6、4煤層等B組煤。礦井煤層埋藏深，開(kāi)采深度大，瓦斯、地壓大、地溫高，礦井進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采，首采11-2煤來(lái)解放13-1煤。先開(kāi)拓開(kāi)采-850m水平。下面重點(diǎn)介紹主采煤層13-1和11-2煤層。

13-1煤為厚煤層，煤厚1.65～7.76m，平均厚4.25m(含夾矸)，變異系數(shù)34.5%，可采性指數(shù)為1，屬穩(wěn)定煤層。與12煤間距1.5m左右，局部合并。下距11-2煤層約70.7m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部地段含1～2層夾矸，夾矸巖性為泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖。頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為砂巖。

11-2煤為中厚煤層，煤厚0.65～3.43m，平均厚2.24m，變異系數(shù)為31.2%，可采性指數(shù)為0.95，屬穩(wěn)定煤層。下距8煤層約82m。煤厚全井田變化不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸。頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部為砂巖、粉砂巖。

13-1煤和12煤距離很近，才1.5m，所以揭煤過(guò)程中組成了一個(gè)煤層組，這給揭煤帶來(lái)更大的困難。為此這次揭煤有別于單煤層的揭煤。

2 井筒揭煤四位一體的流程

由于11-2煤下距離13煤層組大概70m，井筒只揭開(kāi)13-1煤和12煤的煤層組，轉(zhuǎn)入巷道施工后，從頂板進(jìn)入11-2煤，這樣減少了井筒揭煤次數(shù)?；凇八奈灰惑w”防突規(guī)范，根據(jù)集團(tuán)公司以往的井筒揭煤經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)分析：若要加快揭煤的速度，整個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)時(shí)間較多的工序有：突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和防突措施。這兩項(xiàng)花費(fèi)的時(shí)間占總工期的90%左右，這是按照正常順利施工計(jì)算的，不包括其中的一些干擾和變故。針對(duì)這兩項(xiàng)工藝，本項(xiàng)目進(jìn)行了多種技術(shù)的商討，決定采用高壓充氣測(cè)壓、完整取芯、擴(kuò)槽鉆孔排放瓦斯的幾項(xiàng)新技術(shù)。

2.1 13-1和12煤層組突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

由于兩個(gè)煤層距離較近，12煤位于13-1煤層的下方1.5m左右，所以每個(gè)煤層布置兩個(gè)測(cè)壓鉆孔，分別測(cè)出13-1煤、12煤的瓦斯壓力。

根據(jù)相鄰礦井的已有資料顯示，13-1煤的瓦斯壓力大概在2～3MPa，12煤的瓦斯壓力在0.3～0.5MPa左右，由于相聚很近，13-1煤的瓦斯壓力高，所以將兩個(gè)煤層作為一個(gè)煤層組來(lái)進(jìn)行揭煤。根據(jù)《防突煤與瓦斯突出規(guī)定》中“四位一體”的揭煤措施[10]，在距離煤層豎向最小距離10m左右時(shí)，施工兩個(gè)前探孔進(jìn)行煤體瓦斯地質(zhì)情況的探測(cè)，至煤層頂板法向最小距離5m時(shí)進(jìn)行煤層的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，具體的步驟如下。

突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)主要測(cè)定煤層瓦斯壓力P、煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值、瓦斯放散初速度△P和煤體破壞類(lèi)型等參數(shù)，其中瓦斯壓力參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，而另外三個(gè)參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)取芯后，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。因此現(xiàn)場(chǎng)需要施工的鉆孔有測(cè)壓鉆孔4個(gè)，取芯鉆孔兩個(gè)?，F(xiàn)場(chǎng)布置兩臺(tái)大功率液壓鉆機(jī)同時(shí)施工，加快了施工進(jìn)度。

2.1.1 煤層瓦斯壓力測(cè)定

常規(guī)的瓦斯測(cè)定實(shí)際上考慮的影響因素很多，測(cè)定工藝十分復(fù)雜，同時(shí)耗費(fèi)工期較長(zhǎng)，具體常規(guī)測(cè)壓法的流程圖如圖1所示[11]。根據(jù)流程圖可以看出，在實(shí)質(zhì)性下放測(cè)壓儀器到孔內(nèi)測(cè)壓之前需要完成四步的工作，這些工作需要耗時(shí)4～5天(這是考慮所有工作進(jìn)展順利的情況)，對(duì)于工期非常緊張的井筒揭煤來(lái)說(shuō)，這實(shí)在是不容許耽誤的。

圖1 瓦斯測(cè)定流程圖

因?yàn)樵诰查_(kāi)挖過(guò)程中，多采用的是爆破方法進(jìn)行掘進(jìn)的，井筒圍巖難免受到損傷，并且?guī)r石有著大量的孔隙和裂隙，這樣就有大量的瓦斯從中泄露，為了保證測(cè)量瓦斯壓力值準(zhǔn)確，常采用了注漿封堵裂隙的測(cè)壓方法。為了加快進(jìn)度，圖1中的前四步必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，項(xiàng)目部利用“煤層注水封孔器”當(dāng)做孔口管來(lái)進(jìn)行高壓注漿，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。這樣就減少孔口管的固定、凝固等繁瑣工藝，一步到位，將鉆孔推至到煤層頂板上方0.5m處，將封孔器下放到孔內(nèi)距離孔口1m處，連接高壓水泥漿管路后進(jìn)行高壓注漿。待八小時(shí)水泥初步凝固穩(wěn)定后，繼續(xù)施工，鉆孔鉆進(jìn)入煤層0.5m，下放瓦斯壓力測(cè)壓儀器。這套新技術(shù)的采用將原來(lái)需要4～5天的工序簡(jiǎn)化到24h，工作效率極大提高。

測(cè)壓儀器下放入鉆孔后，接下來(lái)就是等待瓦斯壓力的上升直至穩(wěn)定才能得到煤層瓦斯壓力值，這一段時(shí)間較長(zhǎng)，這主要是因?yàn)闇y(cè)壓鉆孔施工到位后，由于鉆孔附近瓦斯迅速放散，等封孔器形成封孔后，等待瓦斯壓力慢慢上來(lái)，最后到穩(wěn)定至少需要5～7天時(shí)間，所以項(xiàng)目部決定采用高壓充氣方式來(lái)彌補(bǔ)鉆孔周?chē)后w釋放瓦斯氣體引起壓力損失，以此加快測(cè)壓的進(jìn)程。測(cè)壓的儀器選用的是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的M-2型測(cè)壓封孔器。該設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。

高壓充氣測(cè)壓方法就是測(cè)壓開(kāi)始時(shí)就將高壓氣體充入鉆孔前方瓦斯室內(nèi)，這些氣體可以是CO2、N2或CH4，一般情況下選擇危險(xiǎn)性較小的CO2、N2。選擇充入的壓力略高于煤層原始瓦斯壓力，本次13-1煤、12煤充入的氣體壓力分別為3.5MPa和1MPa，氣體為N2?；咀龇ň褪窃谶B接瓦斯壓力管線(xiàn)上安裝一個(gè)三通閥，上面分別連接瓦斯壓力表、充氣鋼瓶和前方的瓦斯室管線(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。連接完畢后，打開(kāi)高壓氣體閥門(mén)，調(diào)制鋼瓶減壓閥的壓力表到預(yù)設(shè)壓力值，充氣1min后，關(guān)閉高壓氣瓶并從三通閥上取下連接管，將鋼瓶與測(cè)壓儀器相分離。瓦斯壓力變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖2 M-Ⅱ型瓦斯壓力測(cè)定儀

圖3 充氣測(cè)壓法結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 充氣測(cè)壓壓力變化曲線(xiàn)

從圖4中的瓦斯壓力變化曲線(xiàn)可看出，充氣8h后，兩個(gè)鉆孔的瓦斯壓力區(qū)域穩(wěn)定，指在了2.8MPa和2.78MPa，我們以最高的來(lái)定煤層的瓦斯壓力就是2.8MPa，而12煤的瓦斯壓力測(cè)定為0.35MPa。若要用常規(guī)的方法，待瓦斯壓力慢慢上升直至到穩(wěn)定大約需要6～7天，所以對(duì)于井筒揭煤工程當(dāng)然是不能接受的。現(xiàn)在采用了充氣法測(cè)壓，將時(shí)間縮短到8h左右，基本上不影響揭煤進(jìn)尺。總結(jié)以上幾個(gè)工序，可以得到整個(gè)測(cè)壓工作也就是一天多的時(shí)間，若加上其他不確定因素影響，至多不會(huì)超過(guò)3天，這在揭煤工程中已非?？?。

2.1.2 完整取芯

完整取芯是掌握揭煤區(qū)域煤體具體地質(zhì)信息的重要保證。我們采用自行研制的取芯器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯，取芯器的結(jié)構(gòu)如圖5所示[13]，取芯工作和測(cè)壓同時(shí)進(jìn)行。

圖5 雙管單轉(zhuǎn)取芯器結(jié)構(gòu)示意圖

在施工測(cè)壓鉆孔的同時(shí)，在井筒掘進(jìn)工作面也施工取芯鉆孔，具體做法就是先用Φ110的鉆頭開(kāi)孔，到達(dá)煤層后拔出鉆桿并卸下鉆頭，換上取芯器下放入鉆孔取芯，開(kāi)始時(shí)將鉆桿和壓風(fēng)管相連，用高壓空氣將孔內(nèi)的積水和巖石碎屑吹出到孔外，然后開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就較為容易的完整取出煤芯了。這項(xiàng)工作的難度就是由于鉆頭較大，加上巖石較硬，鉆孔消耗時(shí)間比一般的測(cè)壓鉆孔同樣的距離深度，但是要花費(fèi)兩倍的時(shí)間，但是經(jīng)過(guò)細(xì)致施工，還是成功的完成了取芯工作。

2.1.3 參數(shù)測(cè)定結(jié)果

將煤體取出后，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行參數(shù)的測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 13-1煤突出鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值

表2 13-1煤井筒揭煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)綜合指標(biāo)值

根據(jù)表1測(cè)定數(shù)值，再結(jié)合式(1)、式(2)計(jì)算出突出危險(xiǎn)性的綜合預(yù)測(cè)指標(biāo)大小(表2)[10]。

D=(0.0075H/f-3)×(P-0.74)

(1)

(2)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到，13-1煤具有突出危險(xiǎn)性，而12煤瓦斯壓力較低，沒(méi)有達(dá)到臨界值，所以判定為不具有突出危險(xiǎn)性。但是對(duì)于兩個(gè)煤層相聚非常近的煤層組來(lái)說(shuō)，這次揭煤主要是針對(duì)13-1煤，并將瓦斯抽采鉆孔布置進(jìn)入12煤。

2.2 13-1和12煤層組防突措施

突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)束后，接下來(lái)根據(jù)突出鑒定的結(jié)果制定揭煤防突措施，因?yàn)?3-1煤具有突出危險(xiǎn)性，12煤和13-1煤距離很近，因此揭煤時(shí)要將這兩個(gè)煤層一起揭開(kāi)。為了加快揭煤進(jìn)度，迅速降低煤層中瓦斯含量，本項(xiàng)目采用了擴(kuò)槽鉆頭在煤體內(nèi)擴(kuò)大鉆孔直接以增加瓦斯解吸的暴露面積，具體的施工示意圖如圖6所示。

圖6 瓦斯排放擴(kuò)槽鉆孔示意圖

從圖6可以看出，在巖石段使用Φ75的鉆頭進(jìn)行開(kāi)孔，到達(dá)煤層后，可以換用擴(kuò)槽鉆頭進(jìn)行擴(kuò)大煤層鉆孔，這種鉆頭可以擴(kuò)孔達(dá)到直徑250mm，這樣煤體暴露的面積增大了十余倍，瓦斯抽采效率得到大幅提升，煤層瓦斯抽采半徑大小也擴(kuò)大了許多，同樣可以減少鉆孔的施工量。因?yàn)?m厚度巖石段的鉆孔大小為75mm，這種結(jié)果可以抑制下部煤層因鉆孔擴(kuò)大而誘發(fā)突出事故發(fā)生，同時(shí)這種施工加快了施工的進(jìn)度，提高了效率。

擴(kuò)槽鉆孔的施工按照要求布置了150個(gè)，若采用常規(guī)的鉆頭施工則需要施工250個(gè)左右，這樣極大的較少了工作量。鉆孔施工完成一個(gè)立即就封孔一個(gè)進(jìn)行抽放，經(jīng)過(guò)緊張有序的施工，經(jīng)過(guò)4天時(shí)間完成了所設(shè)計(jì)的瓦斯排放鉆孔的施工，接下來(lái)的時(shí)間就等著煤層瓦斯的排放，然后根據(jù)防突效果檢測(cè)來(lái)判斷消突效果。

2.3 煤層組效果檢驗(yàn)

為了有效驗(yàn)證防突效果，采用多種參數(shù)和手段來(lái)進(jìn)行評(píng)估，以此降低評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)，增加安全系數(shù)。

2.3.1 煤層殘余瓦斯壓力

為了進(jìn)行效果驗(yàn)證，原來(lái)測(cè)壓的儀器設(shè)備沒(méi)有撤去，仍留在孔內(nèi)用來(lái)監(jiān)測(cè)瓦斯抽排的效果。測(cè)壓時(shí)為了不影響后續(xù)排放瓦斯鉆孔的施工，將測(cè)壓鉆孔設(shè)置在圍巖的邊緣處，抽放瓦斯的鉆孔施工時(shí)，可以在距離測(cè)壓鉆孔近0.5～1m位置遠(yuǎn)處施工，以保證“效果驗(yàn)證”措施有效。經(jīng)過(guò)10多天的瓦斯抽放后，最后通過(guò)觀測(cè)測(cè)壓鉆孔的測(cè)壓儀器儀表顯示結(jié)果：煤層瓦斯壓力低于0.15MPa。

2.3.2 鉆屑指標(biāo)法

同時(shí)又測(cè)定其他突出指標(biāo)，如鉆屑量S、鉆屑解析指標(biāo)△h2、瓦斯放射初速度q值3個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)低于對(duì)應(yīng)的臨界值指標(biāo)。

2.3.3 瓦斯抽采排放率

通過(guò)十余天的瓦斯抽采排放，這個(gè)過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯流量的變化，并計(jì)算出瓦斯排放量，經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證瓦斯排放量達(dá)到了煤層所含瓦斯量的30%以上。

綜合考慮以上各個(gè)參數(shù)，認(rèn)為井筒區(qū)域煤層突出危險(xiǎn)性已經(jīng)消失，可以揭煤。

2.4 揭煤安全防護(hù)

揭煤時(shí)，先掘進(jìn)到距離煤層頂板最小法向距離2m位置處，然后再施工爆破鉆眼。因?yàn)檫@是煤層組的厚度為7～8m左右，一次性不能揭穿煤層，所以根據(jù)《防突規(guī)定》，每次的掘進(jìn)施工為4m，這樣可以進(jìn)行分兩次揭穿煤層，每次清理爆破的浮石和碎煤后，及時(shí)對(duì)筒壁進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)后井壁的混凝土完全達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再向下施工進(jìn)行掘進(jìn)。

3 總結(jié)

針對(duì)潘一東礦副井井筒揭煤區(qū)域瓦斯地質(zhì)特點(diǎn)和生產(chǎn)安全的要求，項(xiàng)目部嚴(yán)格依據(jù)“四位一體”的防突方針，采用多種新技術(shù)和新工藝進(jìn)行作業(yè)。

1)首先采用了快速高壓充氣法測(cè)定煤層瓦斯壓力。改變傳統(tǒng)的測(cè)壓工藝，先利用注漿封孔器進(jìn)行注漿封堵測(cè)壓鉆孔周?chē)鷰r石裂隙，然后再利用高壓充氣測(cè)壓法迅速測(cè)得了煤層瓦斯壓力。

2)在測(cè)壓的同時(shí)，采用自行研制的取芯器實(shí)現(xiàn)了完整取得煤芯，然后對(duì)煤體的堅(jiān)固性系數(shù)f值，放散初速度△p和煤體破壞類(lèi)型等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，綜合各個(gè)指標(biāo)參數(shù)，最終判定所揭煤層為突出煤層。

3)防突措施采用了擴(kuò)槽鉆孔排放瓦斯的新技術(shù)。通過(guò)大直徑的擴(kuò)槽煤體鉆孔，使得瓦斯排放鉆孔的工程量下降了1/3，同時(shí)提高了瓦斯排放的效率。

4)采用測(cè)定多種參數(shù)方法來(lái)驗(yàn)證煤層的防突效果。利用原來(lái)的測(cè)壓儀器測(cè)定殘余瓦斯壓力，利用鉆屑指標(biāo)法和瓦斯排放率來(lái)評(píng)估消突效果，經(jīng)鑒定為無(wú)突出危險(xiǎn)性后，決定進(jìn)行爆破揭煤作業(yè)。

通過(guò)采用這些新技術(shù)和新工藝，使得原來(lái)需要一個(gè)月左右的工程，不到20天就完成了，提前了1/3的工期，取得了經(jīng)濟(jì)效益和安全效益的雙贏。

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The key technology of uncovering coal quickly on the shaft in the outburst coal seam group with high gas

WU Ai-jun1，CHENG Guo-jun2，WANG Fa-kai3

(1.School of Environment & Resource，Southwest University of Science & Technology，Mianyang 621010,China; 2.Huai-nan Group Pan Yi-dong Mining Construction Project Department，Huainan 232082,China; 3.Shandong Energy Group Guizhou Mines Ltd，Zhijin 552100,China)

The first auxiliary shaft of Panyidong project department is served for minting area above-850m，it will cross the high gas and outburst group be made of 13-1coal and 12coal. The In order to accelerate uncovering coal safely，a number of new technology of outburst prevention were adopted by Project department：At first，the coal seam gas pressure has been rapidly determined used the method of high gas inflation；At the same time，the self-developed corer was used to achieve complete coal-core，and the specific information of coal seam were mastered. After the uncovered coal has been verified and has no outburst，large diameter drillings were constructed by the expansion slot hole and were used to speed up the gas emissions. After a series of rigorous organization and tight construction，the whole process of uncovering coal is in less than 20 days，and nearly a third of the time was shorten compared with conventional process，a win-win situation of the economic and security benefits are gained.

coal seams group；fast uncovering coal；expansion slot hole；air pressure

2014-06-05

西南科技大學(xué)博士研究基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：12zx7112)

吳愛(ài)軍(1976-)，男，江蘇邳州人，工學(xué)博士，主要從事煤與瓦斯突出力學(xué)機(jī)理及防治方面的研究。E-mail:wuaj668@163.com。

TD713

A

1004-4051(2015)05-0091-05