韓城礦區(qū)松軟突出厚煤層石門揭煤技術(shù)研究與應(yīng)用

屈花榮 徐凱

摘 要：陜西省韓城礦區(qū)桑樹坪煤礦是全國瓦斯災(zāi)害嚴重礦區(qū)之一，曾發(fā)生過有記載的煤與瓦斯突出122次，開采的3#煤層透氣性低，系嚴重中厚突出煤層。在煤與瓦斯突出礦井中，石門揭煤時危險性大，是礦井防治煤與瓦斯突出的重點環(huán)節(jié)。結(jié)合礦井自身條件在4322綜放工作面下部揭煤斜巷采取高壓水射流鉆擴一體化卸壓增透技術(shù)區(qū)域防突措施，掘進過程中采取超前鉆孔注漿加固技術(shù)增強圍巖、煤體強度，嚴格執(zhí)行安全防護措施，消除了突出隱患，實現(xiàn)了安全順利揭露煤層，帶來了較大的社會經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：石門揭煤、高壓水射流鉆擴一體化、注漿加固

引言

韓城礦區(qū)桑樹坪煤礦位于韓城礦區(qū)北部邊緣，構(gòu)造比較簡單，是以伸展構(gòu)造為主的構(gòu)造變形區(qū)。井田沿走向與傾向有波狀起伏的單斜構(gòu)造，地層傾角一般在5°左右，大中型斷裂不發(fā)育，井田內(nèi)的小中型構(gòu)造比較復(fù)雜，在許多地段內(nèi)，巖層傾角變化頻繁，小型背、向斜、層滑、擾曲等構(gòu)造較為常見，煤層厚度變化較大，在石門揭煤過程中常遇到突出煤層增厚區(qū)域，給揭煤帶來困難。

傳統(tǒng)石門揭煤預(yù)抽鉆孔抽采效果差，預(yù)抽時間長，揭煤期間煤與瓦斯突出風(fēng)險大，嚴重影響礦井正常生產(chǎn)規(guī)劃和經(jīng)濟效益。通過在桑樹坪煤礦4322綜放工作面下部揭煤斜巷采取高壓水射流鉆擴一體化卸壓增透技術(shù)區(qū)域防突措施，實現(xiàn)了對該揭煤區(qū)域高效快速瓦斯抽采，卸除鉆孔周邊煤體應(yīng)力，在煤體中制造裂隙，增加煤層透氣性，強化瓦斯抽采效果。揭煤掘進期間采用煤體固化技術(shù)增強圍巖、煤體強度，嚴格執(zhí)行安全防護措施，實現(xiàn)了安全順利揭露煤層。

1 工作面概況

桑樹坪煤礦4322下部聯(lián)巷揭煤斜巷工作面自北一200-14#斜巷中部平臺開口，自下而上圍巖巖性依次為粉砂巖、中砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，自下而上圍巖巖性依次為粉砂巖、中砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，3#煤層底板起伏明顯，煤厚6.1m-11.8m，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報料顯示，揭煤點3#煤厚7.72m。揭煤斜巷以18°坡角上山掘進，掘進23m時巷道頂板與3#煤層底板間距7m，掘進39m時巷道頂板與3#煤層底板間距縮小至5m;掘進46m時巷道頂板與3#煤層底板間距縮小至2m，掘進50m開始揭露3#煤，掘進68m巷道上至3#煤層底板。根據(jù)瓦斯地質(zhì)報告，該區(qū)域3#煤層瓦斯含量12.8m3/t，瓦斯壓力1.0MPa，煤體破壞類型為V類，松軟，呈粉末狀，最小堅固性系數(shù)f=0.1，透氣性差。

2 技術(shù)思路

桑樹坪煤礦開采的3#煤層均具有突出危險，煤層透氣性低，屬于嚴重中厚突出煤層，發(fā)生過各種類型的瓦斯動力現(xiàn)象，包括煤與瓦斯突出、壓出、傾出及瓦斯噴出等動力現(xiàn)象，甚至還發(fā)生過特大型煤與瓦斯突出事故。礦井不具備開采保護層的條件，區(qū)域防突措施主要是采取底板巷穿層鉆孔結(jié)合高壓水射流鉆擴一體化卸壓增透技術(shù)預(yù)抽煤巷條帶及回采區(qū)域瓦斯。通過采用高壓水射流破碎煤體形成洞穴，改善煤體應(yīng)力狀態(tài)和裂隙結(jié)構(gòu)，提高局部煤層滲透率和瓦斯解吸及運移速度，釋放煤層內(nèi)積聚的瓦斯壓力，實現(xiàn)高效快速瓦斯抽采，達到消除突出揭煤風(fēng)險的目的。

4322綜放工作面下部揭煤斜巷掘進至距3#煤層底板法線間距10m時停止掘進，利用北一200?；叵锏纼?nèi)向揭煤巷道施工穿層預(yù)抽鉆孔連孔抽放，抽采達標后，繼續(xù)進行揭煤作業(yè)。掘進過程中，嚴格按照《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定要求，距3#煤層底板法線間距7m、5m、2m時，施工多輪驗證鉆孔，進行突出危險性預(yù)測，掌握煤層層位、賦存參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造等情況，進入煤層底板法線間距2m時通過向巷道上部松軟煤體及圍巖進行注漿加固，增加煤體強度和煤巖交界面的整體性，有效抵抗揭煤高應(yīng)力的沖擊和瓦斯膨脹作用，降低突出風(fēng)險，完成揭煤工作，保證礦井安全、高效發(fā)展。

3 防突措施執(zhí)行情況

3.1 高壓水射流鉆擴一體化技術(shù)原理

高壓水射流鉆擴一體化技術(shù)是一種利用高壓泵作為高壓水射流動力源，通過高壓鉆桿帶動擴孔鉆孔旋轉(zhuǎn)，高壓水射流對鉆孔周邊的煤體進行旋轉(zhuǎn)式切割與鉆進，同時利用擴孔鉆頭鉆切齒切割并破碎大塊煤以提高排渣效果。達到擴大鉆孔直徑，增加煤層暴露面積和鉆孔徑向卸壓范圍的目的，從而提高煤層的透氣性和瓦斯抽采效果，進一步降低煤層瓦斯壓力，同時煤層潤濕后，煤體彈性減少，煤體卸壓、瓦斯放散初速度降低，有效提升單孔抽采瓦斯量和抽采效率，快速降低或消除突出潛能（彈性能、瓦斯?jié)撃埽?，以有利于防治煤與瓦斯突出。如下圖所示：

3.2 區(qū)域防突措施設(shè)計及施工情況

4322綜放工作面下部揭煤斜巷共計設(shè)計穿層水力擴孔鉆孔152個，鉆孔控制距3#煤揭煤點垂距5m外，及后續(xù)施工巷道兩幫20m范圍，穿過3#煤底板時終孔間距5×5m。鉆孔開孔間距0.3m，排間距5m，鉆孔位置穿過3#煤頂板0.5m。工作面穿層水力擴孔鉆孔施工采用ZDY3200S全液壓坑道鉆機，通過采用Φ94mm開閉合鉆頭配合Φ73mm淺螺紋空芯鉆桿按設(shè)計施工鉆孔，全程下護孔管封孔工藝，解決成孔后孔壁易坍塌，瓦斯抽采通道堵塞，鉆孔瓦斯抽采周期短的問題，提高了瓦斯抽放效果。

根據(jù)穿層鉆孔竣工數(shù)據(jù)顯示，揭煤區(qū)域平均煤層厚度為4.85m，平均每米煤孔沖煤2.25t，可計算得出沖煤總量為1658.7t;經(jīng)實測揭煤區(qū)域煤體密度為1.39t/m3，擴煤容量1193.3m3，參與計算的煤炭儲量為2.37萬t，擴煤率6.99%，滿足設(shè)計要求。

該區(qū)域3#煤層瓦斯含量12.8m3/t，穿層鉆孔覆蓋區(qū)域原始瓦斯儲量為47.59萬m3，從2019年10月開始抽放到2020年10月開始揭煤時停止抽放，累計抽采瓦斯量為35.72萬m3，瓦斯抽采率為75.05%，同比原先揭煤采取普通穿層鉆孔瓦斯抽采率和抽采時間有顯著提升。該區(qū)域通過6個穿層效驗鉆孔結(jié)合取芯管取樣直接測定裝置對3#煤層殘余瓦斯含量進行測定，該區(qū)域瓦斯含量降至4.66-4.91m3/t，可解析瓦斯含量為3.19～3.45m3/t，均符合《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》和《防治煤與瓦斯突出細則》的要求，滿足工作面抽采達標評判要求。

3.3 區(qū)域防突措施驗證情況

4322綜放工作面下部揭煤斜巷距3#煤層底板法向7m，進行突出危險性預(yù)測，預(yù)測指標為鉆屑瓦斯解吸指標△h2值。2020年10月30至11月1日，在200-14#斜巷揭煤工作面施工探測鉆孔7個，測得3#煤瓦斯含量最大為5.13m3/t，△h2最大值為56Pa，指標符合規(guī)定要求，鉆孔施工過程中無異常現(xiàn)象，給定進尺16m，允許巷道繼續(xù)向前掘進至距3#煤層底板法向5m位置。

2020年11月20日，揭煤工作面掘進至距3#煤層底板法向距離5m位置，在工作面施工5個驗證鉆孔，測得3#煤瓦斯含量最大為5.4m3/t，△h2最大值為60Pa，指標符合規(guī)定要求。給定進尺7m，繼續(xù)向前掘進至距3#煤層底板法向2m位置。

2020年12月8日，揭煤工作面掘進至距3#煤層底板法向距離2m位置，在工作面施工4個驗證鉆孔，測得3#煤瓦斯含量最大為5.06m3/t，△h2最大值為40Pa，指標符合規(guī)定要求，鉆孔施工過程中無異?，F(xiàn)象，允許巷道繼續(xù)掘進至3#煤頂板位置，同時采用煤體加固安全措施進行揭露3#煤層。

3.4 揭煤注漿加固

4322綜放工作面下部揭煤斜巷距3#煤層底板法向2m時，為提高煤體及頂板巖石強度，防止漏頂誘發(fā)突出，采取對煤體及底板進行注漿加固，拱形金屬支架支護，每架棚不少于26根管縫錨桿進行前探，另外采用雙抗網(wǎng)配合圓木及板皮剎幫背頂，每兩架棚子之間用拉板作為永久連鎖。

本次注漿加固采用的是HWJ-加固材料，是由無機超細粉料組成的復(fù)合型注漿加固材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機高分子化學(xué)、水泥基無機加固材料，通過注漿鉆孔高壓注入到破碎煤巖體的裂隙內(nèi)，漿液在被加固地層內(nèi)滲透、膨脹，隨即產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成一種對破碎煤巖體具有很強黏結(jié)性、充滿整個裂隙的固結(jié)體網(wǎng)絡(luò)骨架，從而對被加固地層起到補強加固和充填密實作用。

揭煤注漿加固采用φ32mm孔徑，終孔注漿壓力為6MPa，單孔注漿300kg，擴散半徑為1.5m，沿巷道斷面輪廓線，自頂部開始向兩幫每間隔1000mm布置注漿孔一個，每個斷面輪廓線上共布置注漿孔7個，注漿孔沿巷道頂板呈放射狀布置，與巷道前進方向呈25°-43°交角。每個循環(huán)進尺3m后，再重新沿新的斷面輪廓線布置一排注漿孔，如此循環(huán)進行，直至穿過3#煤2m后。

根據(jù)探查預(yù)報和巷道所揭露的煤層實際情況，本次加固的范圍自揭煤斜巷起坡點至46m處（距3#煤底板2m位置）開始，至68m止（見3#煤頂板），共計約22m加固段，加固巷道松動圈約3m范圍內(nèi)，共計加固6輪，共計施工加固鉆孔42個，平均單孔注漿用料310kg，總計注漿用料13t。

3.5 揭煤措施效果分析

4322綜放工作面下部揭煤斜巷在采取高壓水射流鉆擴一體化卸壓鉆孔預(yù)抽技術(shù)后，能有效增加煤層透氣性和抽采鉆孔有效影響半徑，輔以嚴封孔、高負壓抽采措施，快速實現(xiàn)抽采達標。工作面采用FBDNo6.3/2×30KW局部通風(fēng)機，回風(fēng)平均風(fēng)量480m3/min，實施爆破作業(yè)揭露煤層后，巷道全斷面順利進入3#煤層，通過安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測回風(fēng)瓦斯?jié)舛?，掘進期間炮后平均瓦斯?jié)舛?.18%，最大瓦斯0.38%，最大風(fēng)排瓦斯量1.8m3/min，風(fēng)排小于3m3/min。揭煤期間采用小循環(huán)連續(xù)性注漿加固，揭露煤層后巷道輪廓線以內(nèi)成型較好，瓦斯?jié)舛鹊?，這是在揭露松軟厚煤層上很難做到的。

4 結(jié)論

成功揭露高瓦斯存在突出危險性的松軟厚煤層，主要歸功于以下兩點：

⑴依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定，做好了煤層層間距控制，利用底板巖巷對揭煤巷道施工密集穿層鉆孔，對上部揭煤區(qū)域進行全方位控制，通過水力擴孔技術(shù)極大程度上降低了煤層瓦斯含量及壓力，為后期煤層順利揭露提供了安全保障。

⑵利用注漿固化措施，增加了煤層的堅固性和穩(wěn)定性，減少揭煤后煤體冒落，巷道成型好，避免了揭煤后再次送巷所帶來的麻煩，為揭煤后大幅度降低回風(fēng)流瓦斯奠定了基礎(chǔ)，同時也為后期各地點揭煤作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗。

作者簡介：

屈花榮，男，生于1986年，畢業(yè)于西安科技大學(xué)安全工程專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)任韓城礦業(yè)桑樹坪煤礦通風(fēng)礦長。

徐凱，男，生于1989年，畢業(yè)于榆林學(xué)院安全工程專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)任韓城礦業(yè)桑樹坪煤礦通風(fēng)管理部部長。