深部高瓦斯煤層大巷揭煤區(qū)域防突技術(shù)

袁安營

(安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

我國是世界上發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故最頻繁的國家之一，隨著我國煤礦以10～25m/a的深度向下延伸，面臨的瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害事故的問題將越來越嚴(yán)峻[1-4]。因此，煤礦進(jìn)入深部開采后，瓦斯突出防治問題是普遍面臨的問題，而在深部高瓦斯礦井巷道掘進(jìn)過程中揭煤尤其困難。國內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)此問題進(jìn)行了大量研究[5-13]，研究成果大多采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法對(duì)高瓦斯煤層中揭煤過程進(jìn)行了研究，研究目標(biāo)多針對(duì)石門揭煤，但針對(duì)高瓦斯突出煤層大巷揭煤情況的研究還相對(duì)較少。本文主要根據(jù)具體工程實(shí)踐，首先對(duì)掘進(jìn)工作面前部煤體賦存情況進(jìn)行鉆探，其次對(duì)煤體的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用地面和井下聯(lián)合區(qū)域防突技術(shù)進(jìn)行消突，最后實(shí)現(xiàn)大巷揭煤的安全施工，以期為相似工程問題提供研究基礎(chǔ)和新的思路。

1 工程地質(zhì)概況

本次試驗(yàn)的揭煤巷道為顧北礦南翼軌道大巷，該大巷采用Y型通風(fēng)，巷道布置示意圖如圖1所示，巷道位于-648m水平，施工過程中遇到的巖性以4煤、砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)砂巖為主，其中，4煤共有4-1和4-2兩層煤。頂?shù)装鍘r性及厚度：4-1煤層直接頂為泥巖，厚1.39m，4-1煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，厚6.00m，老底為花斑狀泥巖，厚2.10m；4-2煤層直接頂為泥巖，厚2.93m，老頂為細(xì)砂巖，厚8.35m，4-2煤層直接底為泥巖，厚1.39m。根據(jù)前探鉆孔資料，揭煤處4-2煤與4-1煤合并形成“煤包”，厚度為0.77～9.53m，如圖2所示。

圖1 南翼軌道大巷的布置示意圖

圖2 軌道大巷見4煤情況示意圖

2 掘進(jìn)工作面前方煤體賦存情況鉆探

為了更加清晰地了解大巷掘進(jìn)前方煤巖體賦存情況，為大巷掘進(jìn)揭煤提供可靠的依據(jù)，在軌道大巷掘進(jìn)工作面距4煤法距15.8m處施工8個(gè)前探鉆孔，掌握前方揭4煤地質(zhì)構(gòu)造，鉆孔布置如圖3所示，鉆孔參數(shù)及見煤情況分別見表1。由表中軌道大巷前方見煤情況可以發(fā)現(xiàn)，不同角度鉆孔大多數(shù)都發(fā)現(xiàn)了煤體，也驗(yàn)證了地質(zhì)條件中提到的存在“煤包”現(xiàn)象，即大巷掘進(jìn)前方必然存在厚度較大的煤體。

圖3 軌道大巷掘進(jìn)面至前方鉆孔布置圖

3 軌道大巷揭煤區(qū)域防突技術(shù)

3.1 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

根據(jù)掘進(jìn)工作面前方煤體賦存情況鉆探結(jié)果，為了保證揭煤工作的安全開展，消除瓦斯突出危險(xiǎn)，首先要對(duì)軌道大巷前方煤體瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。在軌道大巷掘進(jìn)工作面距待揭4煤法距15.8m處施工3個(gè)測(cè)壓鉆孔，如圖3所示，測(cè)得的軌道大巷前方煤體內(nèi)瓦斯壓力和瓦斯含量結(jié)果分別為：瓦斯壓力P=0.79MPa，大于0.74MPa；瓦斯含量W=3.4m3/t，小于8m3/t。

表1 軌道大巷前探鉆孔參數(shù)與見煤情況

軌道大巷監(jiān)測(cè)的瓦斯壓力為0.79MPa，大于國家規(guī)定的0.74MPa的要求，綜合分析，南翼軌道大巷所揭4煤具有突出危險(xiǎn)性。因此，必須采取防突措施以保障大巷揭煤順利實(shí)現(xiàn)。

3.2 地面和井下聯(lián)合區(qū)域防突技術(shù)

為確保顧北礦南翼軌道大巷安全揭4煤，提出在南翼軌道大巷采用地面和井下聯(lián)合區(qū)域防突技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽排，防治瓦斯突出現(xiàn)象的發(fā)生。

1)首先采取由地面施工鉆孔，鉆孔穿過巷道前方所揭4煤煤體，即軌1孔。并在隨后開始地面掏煤，掏煤結(jié)束時(shí)掏穴直徑為2m，地面鉆孔掏出煤量約2t，從鉆孔至掏煤結(jié)束共歷時(shí)約98d。

2)其次在軌道大巷掘進(jìn)工作面處向4煤施工9個(gè)鉆孔，與地面鉆孔(軌1孔)聯(lián)通，進(jìn)行地面井下聯(lián)合洗煤，鉆孔直徑133mm，地面鉆孔(軌1孔)與井下鉆孔進(jìn)行地面井下聯(lián)合洗煤，共聯(lián)合洗煤6次，由開始時(shí)沖出糊狀泥巖，煤泥較少情況，至重新采用鉆機(jī)進(jìn)行透孔后，共壓水洗煤16次，累計(jì)沖孔66.98h，洗出塊狀煤、煤屑、煤泥、塊狀矸石、巖粉等沉淀物57.0m3，泥巖含量相對(duì)較高。待洗煤工序結(jié)束后，將地面和井下洗煤鉆孔進(jìn)行注漿封孔，最終注漿壓力達(dá)到18MPa時(shí)結(jié)束注漿。地面和井下聯(lián)合洗煤過程中，瓦斯?jié)舛扰c瓦斯涌出量基本未發(fā)生變化。

3)最后，在大巷掘進(jìn)工作面距4煤法距13.0m迎頭和左右鉆場(chǎng)共施工99個(gè)瓦斯排放鉆孔，排放鉆孔施工過程中未出現(xiàn)過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，巷道揭煤期間將巷幫鉆場(chǎng)鉆孔均封孔，保持連續(xù)抽采。

3.3 區(qū)域防突效果檢驗(yàn)

1)采用地面和井下聯(lián)合洗煤區(qū)域防突技術(shù)施工結(jié)束后，由軌道大巷掘進(jìn)工作面至4煤法向距離10m處再次施工3個(gè)測(cè)壓鉆孔，測(cè)得煤體的瓦斯壓力和瓦斯含量分別為0.5MPa和2.58m3/t，遠(yuǎn)小于瓦斯突出的指標(biāo)值，因此確定該工作面所揭4煤目前處于無突出危險(xiǎn)狀態(tài)。

2)在掘進(jìn)工作面距4煤最小法距5m時(shí)，在迎頭采用綜合指標(biāo)法和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，驗(yàn)證孔3個(gè)，其中一個(gè)鉆孔位于掘進(jìn)巷道斷面中部，并至少有1個(gè)鉆孔控制到井巷輪廓線外不少于5m位置。取煤樣化驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果為：①綜合指標(biāo)D=-1.03<0.25，且煤體強(qiáng)度K=14.28MPa<15MPa；②最大鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1=0.09<0.5(mL/g·min1/2)；③驗(yàn)證時(shí)未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)均不超限，且驗(yàn)證鉆孔施工過程中無異常現(xiàn)象，故確定軌道大巷掘進(jìn)前方煤體為無突出危險(xiǎn)煤體。

3)最后在巷道掘進(jìn)工作面距4煤法距3.0m處，采用了鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行了最后驗(yàn)證，測(cè)得最大K1=0.04mL/(g·min1/2)，最大鉆屑量S=3.3kg/m，指標(biāo)均不超限，且進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)無其他異常動(dòng)力現(xiàn)象，確定巷道所揭4煤無突出危險(xiǎn)。

4 大巷揭煤現(xiàn)場(chǎng)施工

顧北礦南翼軌道大巷掘進(jìn)揭煤施工采用遠(yuǎn)距離放炮的方式，揭煤期間瓦斯含量和瓦斯壓力等循環(huán)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均未超標(biāo)，且未出現(xiàn)其他動(dòng)力現(xiàn)象。其中，軌道大巷揭煤長度為27m，歷時(shí)16d?？梢?，采用地面和井下聯(lián)合洗煤區(qū)域防突技術(shù)，有效地防止了煤與瓦斯突出現(xiàn)象的發(fā)生，使大巷揭煤施工順利開展，具有較高的社會(huì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

1)通過對(duì)大巷掘進(jìn)工作面前方煤體賦存情況進(jìn)行鉆探，獲得了掘進(jìn)工作面前方見煤情況，驗(yàn)證了地質(zhì)條件中提到的存在“煤包”現(xiàn)象，為大巷揭煤提供了可靠的依據(jù)。

2)由大巷掘進(jìn)工作面向煤體施工測(cè)壓孔，通過監(jiān)測(cè)瓦斯壓力和瓦斯含量及煤體強(qiáng)度的方法對(duì)煤體的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，確定了巷道前方4煤為具有突出危險(xiǎn)性煤體。

3)提出了地面和井下聯(lián)合洗煤的區(qū)域防突技術(shù)，并通過綜合指標(biāo)法、煤體強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、最大鉆屑瓦斯解析指標(biāo)及消突過程的現(xiàn)象等對(duì)區(qū)域消突效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，成功對(duì)大巷前方煤體瓦斯進(jìn)行了消突。

4)軌道大巷采用遠(yuǎn)距離放炮的方式進(jìn)行揭煤，其中軌道大巷成功揭煤長度為27m，揭煤期間瓦斯含量和瓦斯壓力等循環(huán)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均未超標(biāo)，且未出現(xiàn)其他動(dòng)力現(xiàn)象，成功實(shí)現(xiàn)了大巷順利揭煤。