錦源煤礦回風(fēng)石門(mén)揭煤快速掘進(jìn)的保障工藝研究

孫 健，張兵兵，劉 磊

(山西省臨縣林家坪鎮(zhèn) 錦源煤礦，山西 臨縣 033200)

1 工程概況

錦源煤礦位于山西晉中煤炭基地離柳礦區(qū)，隸屬于山西臨縣錦源煤業(yè)有限公司，井田地里坐標(biāo)北緯37°38′10"～37°44′01"，東經(jīng)110°45′58"～110°54′23"。錦源煤礦中央回風(fēng)井2號(hào)回風(fēng)石門(mén)自井底連接處(馬頭門(mén))結(jié)束處開(kāi)口，沿(4+5)煤層頂板施工，開(kāi)口點(diǎn)底板標(biāo)高+320 m，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為324.656 m，施工前期按0.7%下坡掘進(jìn)，施工至217.5 m后，改為7°24′上山掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)斷面28.88 m2，凈寬5.5 m，凈高4.75 m，支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)。隨著巷道7%下坡施工，預(yù)計(jì)該巷道向前施工29.7 m，將由巷道底板揭開(kāi)(4+5)煤層。因此，在揭煤過(guò)程中應(yīng)制定詳細(xì)的保障措施，以確保整個(gè)揭煤工作安全進(jìn)行。

2 地質(zhì)條件

錦源煤礦5(4+5)號(hào)井田整體為一緩傾斜的單斜構(gòu)造，煤層厚度5.8 m，煤層傾角為5°，煤層走向?yàn)?10°、未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱，未發(fā)現(xiàn)巖漿活動(dòng)，井田構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。5(4+5)號(hào)煤層頂板為中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為細(xì)砂巖和粉砂巖。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料分析，中央回風(fēng)井 2號(hào)石門(mén)所屬區(qū)域5(4+5)號(hào)煤層，水文地質(zhì)條件中等。本次施工揭露的地層位于二疊系下統(tǒng)山西組，本組含水層主要由K3等砂巖組成，巖性為細(xì)-粗粒砂巖，厚度變化大，裂隙不發(fā)育。5(4+5)號(hào)煤層頂板砂巖為直接充水含水層，厚0.8～16.4 m，厚度極不穩(wěn)定。單位涌水量為0.003 14 L/(s·m-1)，屬弱富水含水層。因此，區(qū)內(nèi)含水巖組以孔隙、裂隙充水為主水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。根據(jù)礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定、涌出量測(cè)定和突出性評(píng)估，礦井為高瓦斯礦井，先期開(kāi)采地段預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)5(4+5)號(hào)煤層，瓦斯含量小于8 m3/t。各煤層均為自燃或容易自燃煤層。回風(fēng)石門(mén)巷道斷面，見(jiàn)圖1。

1—背木；2—U型鋼；3—混凝土；4—石門(mén)壁；5—套棚；6—錨索；7—錨索內(nèi)托盤(pán)；8—錨索外托盤(pán)

3 石門(mén)揭煤工作面突出危險(xiǎn)性的測(cè)定

瓦斯的壓力臨界值采用封孔測(cè)壓法測(cè)定[1]，將帶有1 MPa壓力表的孔口管壓蓋連接到孔口管上，詳細(xì)記錄壓力上升與時(shí)間的關(guān)系，直到壓力穩(wěn)定為止。穩(wěn)定后的壓力即為煤層瓦斯壓力。具體操作如下：

1) 瓦斯壓力表裝好后，指派專(zhuān)人記錄數(shù)據(jù)，記錄頻率按照瓦斯壓力表示數(shù)上升速度來(lái)定，初期一般變化0.1 MPa，即記錄1次，待瓦斯壓力上升的速度穩(wěn)定后,一般1 h記錄1次；

2) 記錄內(nèi)容分別為日期、瓦斯壓力表數(shù)據(jù)；

3) 當(dāng)瓦斯壓力穩(wěn)定不動(dòng)24 h后，觀測(cè)過(guò)程結(jié)束；

在鉆孔見(jiàn)煤后，取4 m、8 m和12 m，用WCT測(cè)定儀測(cè)定各段K值，取最大值來(lái)判定瓦斯突出危險(xiǎn)性[2]。

前探孔成孔情況，如表1所示。

表1 前探鉆孔實(shí)際成孔

4) 1號(hào)鉆孔P=0.25 MPa、2號(hào)鉆孔P=0.35 MPa、3號(hào)鉆孔P=0.5 MPa；

5) 前探鉆孔煤層段進(jìn)行K1值測(cè)定(測(cè)定位置：4 m、8 m和12 m)，測(cè)定結(jié)果如下：

1號(hào)鉆孔K1值：4 m時(shí)為0.13、8 m時(shí)為0.08、12 m時(shí)為0.29。

3號(hào)鉆孔K1值：4 m時(shí)為0.19、8 m時(shí)為0.23、12 m時(shí)為0.22。

從實(shí)際測(cè)定結(jié)果分析該面測(cè)定指標(biāo)：瓦斯壓力P最大值0.5 MPa小于0.6 MPa；K值最大值0.29小于突出危險(xiǎn)性指標(biāo)0.5，且在鉆孔施工過(guò)程中無(wú)其他動(dòng)力現(xiàn)象，因此判定該工作面無(wú)突出危險(xiǎn)性，可以進(jìn)行揭煤施工。

4 石門(mén)揭煤保障措施

4.1 瓦斯防治技術(shù)

為防治掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯事故，嚴(yán)格執(zhí)行“邊探邊掘”的措施[3]，具體為：

1) 根據(jù)已探測(cè)的煤層實(shí)際情況，在巷道底板距煤層頂板法距10 m時(shí)執(zhí)行“邊探邊掘”措施;

2) 根據(jù)已探測(cè)的煤層實(shí)際情況，另行制定邊探邊掘措施，措施中至少保證3個(gè)探煤鉆孔;

3) 施工探孔時(shí)，由項(xiàng)目部帶班領(lǐng)導(dǎo)和工作面跟班干部現(xiàn)場(chǎng)跟班監(jiān)督探孔施工，施工單位負(fù)責(zé)記錄探孔數(shù)據(jù)，探孔施工結(jié)束后，施工隊(duì)組匯報(bào)項(xiàng)目部調(diào)度室，項(xiàng)目部向礦調(diào)度室匯報(bào)，瓦檢員匯報(bào)礦通風(fēng)調(diào)度;

4) 根據(jù)巷道實(shí)際情況，當(dāng)巷道底板與5(4+5)號(hào)煤層頂板巖柱法距達(dá)到1.5 m時(shí)，開(kāi)始施工導(dǎo)硐，導(dǎo)硐施工期間，要嚴(yán)格控制巖層與煤層的法向距離不小于1.5 m，如遇底板巖層破碎時(shí)必須及時(shí)調(diào)整施工，特殊地質(zhì)條件下出現(xiàn)巖層小于1.5 m時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況提前揭開(kāi)煤層。

4.2 導(dǎo)硐揭煤爆破技術(shù)

根據(jù)探測(cè)實(shí)際情況布置炮眼，見(jiàn)圖2，利用導(dǎo)硐一次性爆破揭開(kāi)5(4+5)號(hào)煤層。揭開(kāi)煤層時(shí)爆破基本參數(shù)布置要求：炮眼按排間距500 mm×500 mm間隔布置，炮眼深度2.5 m，確保煤眼底進(jìn)入煤層深度不小于1 m，考慮爆破效果施工炮眼時(shí)眼孔可向工作面掘進(jìn)方向適當(dāng)傾斜完全揭開(kāi)煤層。

圖2 中央回風(fēng)門(mén)石門(mén)斷面炮眼布置示意(mm)

4.3 揭煤支護(hù)方案

4.3.1 臨時(shí)支護(hù)

整個(gè)揭煤作業(yè)過(guò)程臨時(shí)支護(hù)采用輕型單體頂住網(wǎng)片進(jìn)行，在單體頂住確認(rèn)牢固之后方可進(jìn)行錨、網(wǎng)施工。每張網(wǎng)片所用支撐單體不得少于2根(穿鞋帶帽)，臨時(shí)支護(hù)時(shí)必須有專(zhuān)人對(duì)單體進(jìn)行監(jiān)護(hù)，以保證單體支撐牢固，防止單體卸壓。

4.3.2 噴漿前錨網(wǎng)支護(hù)

1) 揭開(kāi)煤層前執(zhí)行“二掘一噴”、噴漿前須完成頂、幫錨桿，錨索支護(hù)，幫網(wǎng)滯后工作面不大于15 m[4]。

2) 工作面全斷面揭露煤層后巷道掘進(jìn)時(shí)，執(zhí)行該工作面掘進(jìn)的作業(yè)規(guī)程有關(guān)規(guī)定。

4.3.3 施工至1.5 m法距導(dǎo)硐施工支護(hù)

1) 支護(hù)方式：“錨網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)[5]。

2) 錨桿：每排布置D22-M24-2 400 mm螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×1 000 mm、矩形布置；托盤(pán)為150 mm×150 mm×10 mm的鋼板。安裝錨桿前端頭先后裝填K2335、Z2360樹(shù)脂錨固劑各1支，錨固力不小于150 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m，錨桿自螺母外露長(zhǎng)度不大于40 mm。當(dāng)錨桿支護(hù)失效時(shí)用D22-3 600 mm或其他規(guī)格錨索替代。

3) 網(wǎng)片：10號(hào)鐵絲而成，網(wǎng)格50 mm×50 mm，搭接長(zhǎng)度為100 mm。連接網(wǎng)片使用D16 mm的鐵絲固定。

4) 導(dǎo)硐施工為過(guò)渡性支護(hù)，只采用錨網(wǎng)支護(hù)，不進(jìn)行噴漿施工。

反底拱使用雙層鋼筋混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋直徑為20 mm,間排距為250 mm,上下層間距為250 mm,U36鋼棚加強(qiáng)支護(hù)，棚間距1 000 mm,巷道頂幫噴漿混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,圖3為回風(fēng)石門(mén)支護(hù)斷面圖。

圖3 回風(fēng)石門(mén)支護(hù)斷面(mm)

4.3.4 支護(hù)效果觀測(cè)

采用前進(jìn)式鉆孔電視觀測(cè)圍巖內(nèi)部情況，有效的評(píng)價(jià)支護(hù)效果如圖4所示。巷道支護(hù)后，為檢驗(yàn)支護(hù)效果，對(duì)巷道圍巖變形量和變形速率進(jìn)行了為期400 d的跟蹤觀測(cè)，結(jié)果如圖5所示。可以看出，石門(mén)揭煤后巷道60 d內(nèi)的圍巖變形較劇烈，兩幫移近速率最大值達(dá)13 mm/d，頂板下沉速率最大值為10 mm/d；60 d后巷道圍巖變形速率顯著降低，變形逐漸停止。經(jīng)過(guò)400 d的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫移近量最大值為349 mm，頂板下沉量最大值為323 mm，巷道斷面形狀已穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)顯著破壞，巷道狀況整體良好。

圖4 圍巖內(nèi)部情況的鉆孔觀測(cè)

圖5 巷道變形隨時(shí)間的變化

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)錦源煤礦回風(fēng)石門(mén)揭煤快速掘進(jìn)的保障工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過(guò)對(duì)石門(mén)揭煤工作面突出危險(xiǎn)性進(jìn)行測(cè)定，提出了石門(mén)揭煤保障的具體措施，包括瓦斯防治技術(shù)、導(dǎo)硐揭煤爆破技術(shù)和揭煤支護(hù)方案等，順利揭露中央回風(fēng)石門(mén)(4+5)煤層，期間未出現(xiàn)任何瓦斯異?；蛘咄咚箘?dòng)力顯現(xiàn)，效果顯著，對(duì)于煤礦安全、高效、可持續(xù)開(kāi)采有著十分重要的意義，對(duì)類(lèi)似礦井的安全生產(chǎn)也具有一定的借鑒意義。