進(jìn)風(fēng)石門一巷多用快速揭煤工藝研究與應(yīng)用

馬利芬

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司,太原 030012)

我國(guó)是世界上少有的煤與瓦斯突出事故頻發(fā)、災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家。隨著煤礦開采深度的不斷增加,機(jī)械化開采強(qiáng)度的不斷加大,煤與瓦斯突出治理的難度日益增大。由于煤與瓦斯突出形成機(jī)理和影響因素非常復(fù)雜,人們雖經(jīng)過了大量研究,但仍未能完全攻克,對(duì)其認(rèn)識(shí)不足導(dǎo)致了災(zāi)害的發(fā)生[1-5]。國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出問題開展了大量的研究和工程實(shí)踐,并取得了顯著成效[6-13]。研究成果主要針對(duì)突出機(jī)理、制約因素、防突方法等,但針對(duì)優(yōu)化巷道布置實(shí)現(xiàn)一巷多用,減少揭煤次數(shù),實(shí)現(xiàn)快速揭煤方面的研究還相對(duì)較少。本文結(jié)合工程實(shí)際優(yōu)化輔助進(jìn)風(fēng)石門布置,實(shí)施一巷多用,實(shí)現(xiàn)石門巷道安全快速揭煤,同時(shí)保證巷道施工不因揭煤作業(yè)而中斷,有效縮短了建井工期。

1 工程概況

某礦為煤與瓦斯突出礦井,設(shè)計(jì)開采二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層,最大原煤瓦斯含量達(dá)到25 m3/t,瓦斯壓力3.8 MPa。井田范圍內(nèi)3#煤層埋深在450 m～730 m之間,總體受蒲池背斜和潘家莊向斜控制,傾角較大,局部20°,發(fā)育有落差6 m～12 m的3條斷裂構(gòu)造。礦井采用綜合開拓方式,主斜井、副立井和回風(fēng)立井均位于井田西部工業(yè)場(chǎng)地內(nèi),井底車場(chǎng)標(biāo)高為+200 m,東部盤區(qū)大巷布置在3#煤層附近巖層中,水平標(biāo)高為+150 m。井底車場(chǎng)和盤區(qū)大巷之間采用5條石門進(jìn)行聯(lián)絡(luò),如圖1所示。

1-a 平面圖

1-b 剖面圖圖1 輔助進(jìn)風(fēng)石門一巷多用巷道布置平、剖面圖Fig.1 Plan and cross-sectional view of layout of multi-purpose air-inlet cross-cut roadways

5條石門均為穿層巖巷,采用半圓拱斷面,其中主運(yùn)石門凈寬5.2 m,凈斷面積18.41 m2,設(shè)計(jì)裝備帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)煤炭運(yùn)輸及部分進(jìn)風(fēng)任務(wù)；輔運(yùn)石門凈寬5.4 m,凈斷面積20.09 m2,設(shè)計(jì)運(yùn)行無(wú)軌膠輪車擔(dān)負(fù)輔助運(yùn)輸及部分進(jìn)風(fēng)任務(wù)；輔助進(jìn)風(fēng)石門凈寬4.5 m,凈斷面積15.15 m2,擔(dān)負(fù)進(jìn)風(fēng)任務(wù)；兩條回風(fēng)石門凈寬5.6 m,凈斷面積21.83 m2,擔(dān)負(fù)回風(fēng)任務(wù)。

2 進(jìn)風(fēng)石門一巷多用優(yōu)化研究

為實(shí)現(xiàn)井筒和盤區(qū)大巷之間的連接,該礦共布置有5條東西向石門。設(shè)計(jì)優(yōu)化前,輔助進(jìn)風(fēng)石門布置如圖1剖面圖中虛線所示。這樣,每條石門巷道均需揭煤2次,揭煤危險(xiǎn)性大、工期長(zhǎng),費(fèi)用高。為了縮短建井時(shí)間,實(shí)現(xiàn)快速揭煤,經(jīng)過研究后決定采用輔助進(jìn)風(fēng)石門一巷多用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

分析5條石門巷道布置和使用功能。主運(yùn)石門設(shè)計(jì)裝備帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)原煤運(yùn)輸任務(wù);輔運(yùn)石門設(shè)計(jì)運(yùn)行無(wú)軌膠輪車擔(dān)負(fù)輔助運(yùn)輸任務(wù);受運(yùn)輸設(shè)備限制,上述2條石門只能按照一個(gè)坡度施工,不可避免揭穿3#煤層。輔助進(jìn)風(fēng)石門是一條專門的進(jìn)風(fēng)巷,其坡度不受運(yùn)輸設(shè)備限制,只要滿足施工需要即可，因此,設(shè)計(jì)首先考慮輔助進(jìn)風(fēng)石門按照平行于煤層傾角的角度施工,實(shí)現(xiàn)自身不揭煤;其次,進(jìn)風(fēng)石門采用小斷面快速施工至2條運(yùn)輸石門揭煤區(qū)域后方,提前施工石門聯(lián)絡(luò)巷,布置揭煤抽放鉆孔提前預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯,為2條運(yùn)輸石門揭煤爭(zhēng)取時(shí)間;最后,利用石門聯(lián)絡(luò)巷作為措施巷,布置掘進(jìn)隊(duì)伍繞過揭煤區(qū)域提前向下施工2條運(yùn)輸石門,實(shí)現(xiàn)平行不間斷施工。

其一,輔助進(jìn)風(fēng)石門作為專門進(jìn)風(fēng)巷,在滿足其功能的前提下,為了避免揭煤,加快施工進(jìn)度,對(duì)石門布置進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)采用分段布置方式,為保證施工安全,保持與3號(hào)煤層最小法線距離不小于10 m。石門巷道在井底車場(chǎng)處留設(shè)40 m平段后,沿7°傾角施工上山至+248.52 m,后,分別沿8°、21°傾角施工下山至+173.66 m。同時(shí),為了保證施工進(jìn)度,石門巷道采用小斷面掘進(jìn),保證其較多的領(lǐng)先于2條運(yùn)輸石門施工。

其二,輔助進(jìn)風(fēng)石門作為主運(yùn)石門、輔運(yùn)石門和首采面順槽揭煤的措施巷道,在預(yù)計(jì)揭煤區(qū)域布置鉆孔提前對(duì)揭煤區(qū)域瓦斯進(jìn)行抽采。

其三,輔助進(jìn)風(fēng)石門作為主運(yùn)石門和輔運(yùn)石門的施工措施巷,通過施工聯(lián)絡(luò)巷布置掘進(jìn)隊(duì)伍繞過揭煤區(qū)域,加快了2條石門施工進(jìn)度。

3 石門快速揭煤工藝研究與應(yīng)用

石門揭煤程序如圖2所示。

圖2 石門揭煤作業(yè)流程圖Fig.2 Flow chart of uncovering coal in cross-cut roadways

根據(jù)井底巷道實(shí)測(cè)的3#煤層瓦斯資料推斷,經(jīng)地面井抽采后主運(yùn)石門和輔運(yùn)石門揭煤區(qū)域瓦斯為17 m3/t左右,遠(yuǎn)高于臨界值8 m3/t,有發(fā)生突出的危險(xiǎn)。因此,可以不進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè),在探明煤層賦存情況和殘余瓦斯含量的情況下,直接實(shí)施石門揭煤區(qū)域防突措施。為了提前預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯,為石門揭煤創(chuàng)造條件,利用輔助進(jìn)風(fēng)石門提前施工措施巷實(shí)施區(qū)域防突措施。

3.1 區(qū)域綜合防突措施

3.1.1預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施

根據(jù)井底車場(chǎng)揭煤經(jīng)驗(yàn),考慮揭煤區(qū)域3#煤瓦斯情況后,確定豎向鉆孔的最小控制范圍為石門揭煤處巷道輪廓線以外12 m,平面鉆孔最小控制范圍為石門巷道輪廓線以外不小于5 m。根據(jù)瓦斯含量、煤層透氣性的情況和瓦斯釋放初速度,確定預(yù)抽鉆孔的孔底間距為4 m。鉆孔Φ94 mm,所有鉆孔均一次穿透煤層全厚且進(jìn)入煤層底板0.5 m,同時(shí)保證鉆孔在需要控制的煤層區(qū)域間均勻布置。揭煤工作面區(qū)域預(yù)抽鉆孔布置如圖3所示。

圖3 區(qū)域防突預(yù)抽鉆孔布置圖Fig.3 Layout of pre-extraction boreholes for regional outburst prevention

3.1.2區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

1)效果檢驗(yàn)孔布置。當(dāng)運(yùn)輸石門掘進(jìn)至距離煤層底板法向距離大于10 m時(shí),布置鉆孔探明煤層位置、厚度、瓦斯情況等。當(dāng)掘進(jìn)至法向距離大于7 m時(shí),在掘進(jìn)迎頭布置鉆孔進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)選用殘余瓦斯含量指標(biāo)對(duì)石門揭煤工作面防突措施進(jìn)行效果檢驗(yàn),檢驗(yàn)孔數(shù)為5個(gè),分別位于石門的上部、中部、下部和兩側(cè)。如檢驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)都在該煤層突出危險(xiǎn)臨界值以下,且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況,則措施有效;反之,判定為措施無(wú)效。效果檢驗(yàn)孔及其控制范圍如表1和圖4所示。

表1 效果檢驗(yàn)孔及其控制范圍參數(shù)表Table 1 Parameters of inspection holes and its control range

圖4 效果檢驗(yàn)孔及其控制范圍示意圖Fig.4 Diagram of inspection holes and its control range

2)效果檢驗(yàn)孔施工情況。效果檢驗(yàn)孔實(shí)際施工情況及技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)孔技術(shù)參數(shù)明細(xì)表Table 2 Inspection hole parameters for regional outburst prevention

對(duì)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)所取煤樣進(jìn)行測(cè)定,測(cè)得各檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)孔測(cè)定結(jié)果匯總表Table 3 Test results summary of inspection holes for regional outburst preventio

3)效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。通過表3可知,石門揭煤區(qū)域?qū)嶋H測(cè)定的最大殘余瓦斯含量為7.49 m3/t,小于臨界值8 m3/t,判定石門揭煤區(qū)域?yàn)闊o(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。

3.2 局部綜合防突措施

局部防突措施從運(yùn)輸石門施工至距離煤層法向距離5 m處開始,首先進(jìn)行工作面預(yù)測(cè)或區(qū)域措施驗(yàn)證,若預(yù)測(cè)結(jié)果為無(wú)突出危險(xiǎn),則可邊掘邊探至距離煤層最小法向距離2 m。若預(yù)測(cè)結(jié)果為有突出危險(xiǎn),則應(yīng)立即實(shí)施工作面防突措施,并進(jìn)行效果檢驗(yàn),如此反復(fù),直至效果檢驗(yàn)為無(wú)突出危險(xiǎn)后,方可邊掘邊探至距離煤層最小法向距離2 m。最后,實(shí)施揭煤前驗(yàn)證,驗(yàn)證為無(wú)突出危險(xiǎn)的,可在采區(qū)安全防護(hù)措施的前提下,遠(yuǎn)距離爆破揭開突出煤層，否則應(yīng)補(bǔ)充實(shí)施工作面防突措施,直至驗(yàn)證結(jié)果為無(wú)突出危險(xiǎn)為止。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況,主運(yùn)石門和輔運(yùn)石門掘進(jìn)至距離煤層法向距離5 m處時(shí)各施工了5個(gè)Φ42 mm的區(qū)域驗(yàn)證(工作面預(yù)測(cè))鉆孔,測(cè)得最大殘余瓦斯含量6.93 m3/t,小于臨界值8 m3/t,說明區(qū)域防突措施起到了消突的作用。

4 實(shí)施效果

輔助進(jìn)風(fēng)石門作為專用進(jìn)風(fēng)巷,通過實(shí)施一巷多用,在不增加工程的前提下,減少巷道自身揭煤2次,節(jié)約揭煤費(fèi)用約700萬(wàn)元;同時(shí)作為揭煤措施巷使用,為主運(yùn)石門、輔運(yùn)石門和首采面順槽巷道揭煤抽放爭(zhēng)取了時(shí)間,節(jié)約建井工期8個(gè)月;作為施工措施巷使用,保證了主運(yùn)石門和輔運(yùn)石門不因揭煤而停工,保障了兩條石門平行不間斷施工,縮短建井工期2個(gè)月。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章在分析進(jìn)風(fēng)石門巷道布置和使用功能的前提下,按照滿足進(jìn)風(fēng)功能和施工需要的要求,優(yōu)化巷道坡度實(shí)現(xiàn)自身不揭煤,優(yōu)化巷道斷面保證風(fēng)速不超限的前提下減小面積,加快施工。優(yōu)化后的輔助進(jìn)風(fēng)石門作為主運(yùn)石門、輔運(yùn)石門的揭煤措施巷和施工措施巷,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)石門一巷多用。在不增加工程的前提下,為主運(yùn)和輔運(yùn)石門揭煤抽放爭(zhēng)取了時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了石門安全快速揭煤。通過優(yōu)化研究,礦井投資節(jié)約700萬(wàn)元,建井工期縮短10個(gè)月。

對(duì)于突出礦井而言,如何減少揭煤次數(shù)、保障施工安全、縮短建設(shè)工期是項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)。突出礦井由于瓦斯含量較高、需風(fēng)量大,因此都會(huì)在運(yùn)輸巷之外,布置有專門的進(jìn)風(fēng)巷,本次輔助進(jìn)風(fēng)石門一巷多用快速揭煤的成功經(jīng)驗(yàn)可為今后類似布置有進(jìn)風(fēng)石門巷道的突出礦井建設(shè)提供有益的借鑒。