石門短導(dǎo)硐揭煤技術(shù)的研究與應(yīng)用

方恩昌，馬國亮，郭立國

（1.河南焦煤能源有限公司古漢山礦，河南 焦作 454000；2.河南能源焦煤公司瓦斯治理工程公司，河南 焦作 454000）

石門揭煤如果防突措施不到位則可能引發(fā)煤與瓦斯突出事故，且突出具有強(qiáng)度大、波及范圍廣、造成的破壞嚴(yán)重等特點(diǎn)。焦作礦區(qū)在石門揭煤工作上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)：演馬莊礦在石門揭煤工作面采取扇形鉆孔抽、排放瓦斯結(jié)合導(dǎo)硐震動(dòng)放炮一次揭開煤層的綜合防突措施，揭煤時(shí)間6～7個(gè)月；中馬村礦通過水力沖孔提前將揭煤導(dǎo)硐上方煤體沖出，并進(jìn)行充填，震動(dòng)爆破時(shí)，將揭煤導(dǎo)硐頂板巖柱崩落，通過充填固特捷材料，減少爆破對煤層頂板的沖擊作用，揭煤時(shí)間25 d。

古漢山礦19上倉皮帶巷位于-450 m水平大巷17采區(qū)下部，巷道掘進(jìn)至433.9 m后，已停掘近2年時(shí)間，制約了19采區(qū)的開拓工程進(jìn)展，造成礦井采區(qū)接替嚴(yán)重脫節(jié)。因此，研究快速揭煤新技術(shù)，提前揭開煤層，對于古漢山礦具有十分重要的意義。

1 石門短導(dǎo)硐揭煤技術(shù)機(jī)理

石門揭煤過程中，集中應(yīng)力帶逐漸前移至煤巖交界處，爆破作業(yè)使集中應(yīng)力帶的煤巖體處于巨大的載荷作用下，造成了疊加于原蠕變變形上的流變變形波，若煤巖體變形處于峰值強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間足夠長，變形將有可能發(fā)動(dòng)大強(qiáng)度煤與瓦斯突出[1]；若巖體破碎或巖柱厚度不足，煤與瓦斯會(huì)沖破巖柱及部分煤體自行揭開煤層而發(fā)生突出。震動(dòng)放炮后，煤體內(nèi)突出的準(zhǔn)備階段并未完結(jié)，煤層內(nèi)的應(yīng)變發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，新暴露面煤體內(nèi)產(chǎn)生能量積累，經(jīng)一定時(shí)間煤體或巖體處于過載應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，煤巖體可能突然破碎而發(fā)生延期突出[2]。

為了有效防治石門揭煤期間煤與瓦斯突出，必須采取高強(qiáng)度瓦斯抽排措施，使石門工作面正前方煤門范圍充分卸壓，應(yīng)使煤巖體變形處于峰值后，進(jìn)入加速破壞的蠕變第Ⅲ階段，由于瓦斯的充分釋放，煤巖體強(qiáng)度增加，承載能力增強(qiáng)，消除突出發(fā)生的可能性。

考慮石門揭煤的煤與瓦斯突出機(jī)理和工程經(jīng)驗(yàn)，石門短導(dǎo)硐揭煤技術(shù)采取可靠的揭煤區(qū)域瓦斯治理措施和強(qiáng)化抽采手段，確定合理的導(dǎo)硐長度，通過解算和模擬爆破，保障遠(yuǎn)距離爆破網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2 石門短導(dǎo)硐揭煤技術(shù)方案

2.1 石門揭煤防突措施

（1）區(qū)域預(yù)測

19上倉皮帶巷煤層煤塵不具爆炸性，煤層不自燃。掘進(jìn)工作面沒有斷裂構(gòu)造，煤層賦存較穩(wěn)定，地質(zhì)條件較簡單，巖性穩(wěn)定，節(jié)理較發(fā)育。設(shè)計(jì)12個(gè)穿透煤層全厚且進(jìn)入煤層底板不小于0.5 m前探孔，3、8號(hào)鉆孔取芯，6、7號(hào)鉆孔取煤樣測試原始瓦斯含量和壓力。

根據(jù)超前探鉆資料和前期地質(zhì)資料，揭煤段二1煤厚5.02～6.5 m，平均5.4 m。煤層傾角10°～13°，原始瓦斯含量9.49 m3/t，原始瓦斯壓力0.32 MPa。

（2）區(qū)域防突措施

在距煤層法向距離大于7 m的位置，采取穿層鉆孔預(yù)抽揭煤區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，即在19軌道下山底抽巷施工穿層鉆孔。

鉆孔工程量：在19軌道下山布置19組鉆孔，每組鉆孔分兩列布置，組間距6 m、列間距3 m，總孔數(shù)318個(gè)，煤孔總深3 679 m，巖孔總深8 331 m，總孔深12 010 m。鉆孔終孔穿過煤層進(jìn)入頂板0.5～1 m。揭煤區(qū)域抽采鉆孔平面圖和剖面布置如圖1、圖2所示。

圖1 抽采鉆孔平面

圖2 抽采鉆孔剖面

鉆孔控制范圍：19上倉皮帶巷揭煤工作面輪廓線外不小于30 m，同時(shí)保證控制范圍的外邊緣到巷道輪廓線（包括預(yù)計(jì)前方揭煤段巷道的輪廓線）的最小距離不小于5 m。

增透措施：在19軌道下山施工穿層鉆孔預(yù)抽19上倉皮帶巷石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯。為了提高穿層抽采鉆孔的抽采效果，采用水力沖孔的方法實(shí)施煤層卸壓增透[3]。

預(yù)抽期：控制范圍內(nèi)煤炭儲(chǔ)量66 226 t，原煤瓦斯含量9.49 m3/t，瓦斯儲(chǔ)量62.85萬m3。要滿足預(yù)抽瓦斯后殘余瓦斯含量低于6 m3/t的要求，瓦斯抽出率必須大于36.78%，需要抽出瓦斯為23.11萬m3。穿層抽采鉆孔按照鉆孔瓦斯流量0.08 m3/min·hm計(jì)算鉆孔預(yù)抽期為58 d。

（3）區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

根據(jù)區(qū)域防突措施抽采鉆孔的抽采影響范圍和實(shí)際測定的原始瓦斯含量和壓力，計(jì)算煤層殘余瓦斯含量小于6 m3/t和煤層殘余瓦斯壓力小于0.6 MPa時(shí)（依據(jù)河南省瓦斯抽采相關(guān)規(guī)定，揭煤區(qū)域抽采期應(yīng)大于180 d），揭煤區(qū)域抽采180 d時(shí)，抽采管路計(jì)量抽出瓦斯61.25萬m3，通過現(xiàn)場直接測定殘余瓦斯含量和煤層殘余瓦斯壓力進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。19上倉皮帶巷揭煤預(yù)抽后計(jì)算最大煤層殘余瓦斯含量為3.81 m3/t，殘余瓦斯壓力0.228 MPa，實(shí)測煤層殘余瓦斯含量最大值為4.91 m3/t，實(shí)測殘余瓦斯壓力0 MPa，取樣過程中未發(fā)現(xiàn)噴孔、卡鉆等異常現(xiàn)象，區(qū)域措施效果檢驗(yàn)合格，消除突出危險(xiǎn)性。

（4）區(qū)域驗(yàn)證

采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，在19上倉皮帶巷正前方向煤層的適當(dāng)位置施工9個(gè)鉆孔，控制導(dǎo)硐兩幫及正前方4 m范圍。在鉆孔鉆進(jìn)到煤層時(shí)每鉆進(jìn)1 m采集一次孔口排出的粒徑1～3 mm的煤鉆屑，測定其瓦斯解吸指標(biāo)Δh2值。若驗(yàn)證為有突出危險(xiǎn)，則重新采取區(qū)域防突措施并進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)，直至區(qū)域效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證有效。若所測指標(biāo)均小于臨界值，并且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況，則該工作面為無突出危險(xiǎn)工作面，采取邊探邊掘的措施向前掘進(jìn)，每掘進(jìn)2 m，打鉆下探巖柱厚度，確保安全巖柱，防止誤揭煤[4]。

從揭煤工作面距煤層最小法向距離5 m處向前掘進(jìn)距煤層最小法向距離2 m，再次采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，控制導(dǎo)硐兩幫及正前方4 m，鉆孔鉆進(jìn)到煤層時(shí)每鉆進(jìn)1 m采集一次孔口排出的粒徑1～3 mm的煤鉆屑，測定瓦斯解吸指標(biāo)Δh2值。若驗(yàn)證為有突出危險(xiǎn)，則重新采取區(qū)域防突措施并進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)，直至區(qū)域效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證有效時(shí)掘?qū)ы?。如果所有?shí)測的指標(biāo)均小于臨界值，并且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況，則該工作面為無突出危險(xiǎn)工作面，平行于煤層頂板做導(dǎo)硐[5]。

2.2 揭煤導(dǎo)硐及遠(yuǎn)距離放炮設(shè)計(jì)

（1）揭煤短導(dǎo)硐設(shè)計(jì)

19采區(qū)上倉皮帶工作面掘進(jìn)至距煤層頂板法向距離2 m處平行于煤層頂板起坡做導(dǎo)硐。結(jié)合歷年來焦煤公司部分礦井揭煤導(dǎo)硐長度情況，如表1所示。確定古漢山礦19采區(qū)上倉皮帶石門導(dǎo)硐長度為9 m，掘進(jìn)長度11.5 m。導(dǎo)硐采用直墻圓弧拱錨網(wǎng)噴支護(hù)，揭煤導(dǎo)硐底板凈長9 m，凈寬5.0 m，凈高2.5 m，錨桿為φ20 mm、長2.4 m樹脂錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm，噴漿厚度150 mm。

表1 歷年來焦煤公司部分礦井揭煤導(dǎo)硐長度

（2）遠(yuǎn)距離放炮爆破設(shè)計(jì)

a、炮眼數(shù)目及炮眼布置

炮眼采用煤巖孔交叉布置，炮眼數(shù)目按每平方米爆破面積3～5個(gè)確定，導(dǎo)硐爆破底板面積S=9×5=45 m2，則炮眼個(gè)數(shù)n=45×（3～5）=135～225，根據(jù)實(shí)際情況布置144個(gè)炮眼。共分為四個(gè)區(qū)，8列18行，行間距0.5 m，列間距0.5 m（Ⅰ區(qū)第1、2、3、4行列間距（0.4～1.1 m），列與幫間距0.75 m。爆破孔布置平面、剖面圖布置如圖3、圖4所示。

圖3 爆破孔平面

圖4 爆破孔剖面

b、裝藥量及雷管的確定

炸藥選取三級(jí)煤礦許用水膠炸藥，藥卷長330 mm，藥卷直徑32 mm，重量0.3 kg/卷；雷管選取8號(hào)發(fā)藍(lán)殼無起藥1、2、3、4段毫秒延期電雷管。第Ⅰ區(qū)的所有孔采用1段管首先起爆，第Ⅱ區(qū)的所有孔采用2段管其次起爆，第Ⅲ區(qū)的所有孔采用3段管起爆，第Ⅳ區(qū)的所有孔采用4段管最后起爆。

揭煤段巖柱體積V=S×L=45×2=90 m3

炸藥消耗量為Q巖=90×1.5×1.2=162 kg

揭煤段揭煤體積V=45×1=45 m3

炸藥消耗量為Q煤=45×0.365×1.2=19.71 kg

需要炸藥重量181.11 kg。經(jīng)爆破圖表設(shè)計(jì)，則實(shí)際需要炸藥560卷，重量168 kg。

c、地面模擬揭煤爆破

為保證穿煤層爆破安全順利，對揭穿煤層爆破的電爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地面模擬爆破。模擬爆破時(shí)按照井下爆破設(shè)計(jì)的雷管數(shù)量、連線方式及現(xiàn)場用的爆破母線、起爆器進(jìn)行連接測試，并測定爆破網(wǎng)絡(luò)總電阻，為井下爆破提供參考依據(jù)?，F(xiàn)場演練時(shí)，電爆網(wǎng)絡(luò)所有雷管均爆破，未出現(xiàn)拒爆、殘爆現(xiàn)象，驗(yàn)證了爆破網(wǎng)絡(luò)和爆破器材的可靠性。

d、清矸與掘進(jìn)

19上倉皮帶巷揭穿煤層后，清矸、半煤巖掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)至煤層底板2 m巖柱的過程嚴(yán)格按揭煤程序執(zhí)行。揭煤成功兩天后，專職爆破員和瓦斯檢查員，收集未爆破的雷管、炸藥及處理拒爆、殘爆等工作。

3 揭煤效果

2021年1月31日8:00分，發(fā)出起爆命令，19上倉皮帶巷揭煤爆破成功。經(jīng)現(xiàn)場勘察，爆破地點(diǎn)崩落的矸石破碎，堆積與設(shè)計(jì)劃分的四段毫秒管爆破效果相吻合，現(xiàn)場清矸過程中，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葹?.01%～0.06%，迎頭原導(dǎo)硐底板下1.8 m浮矸石清除后見煤層，揭煤效果良好。

4 結(jié)論

1）通過開展石門短導(dǎo)硐揭煤技術(shù)研究，完善了揭煤程序、明確了區(qū)域防突措施控制范圍和施工順序，形成一整套的揭煤綜合措施，為礦井的揭煤工作提供了重要借鑒。

2）遠(yuǎn)距離爆破采用四個(gè)區(qū)段毫秒延期電雷管分區(qū)一次爆破及裝藥連線方式優(yōu)化，并進(jìn)行地面的爆破模擬，有效避免了爆破網(wǎng)絡(luò)拒爆的問題，保證了爆破效果。

3）揭煤掘進(jìn)工作面開始施工鉆孔評判結(jié)束到揭煤結(jié)束，歷時(shí)30 d，揭煤效率高，保障了作業(yè)人員安全，實(shí)現(xiàn)了安全揭煤。該技術(shù)能快速消除揭煤區(qū)域煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，縮短揭煤周期，可實(shí)現(xiàn)安全高效快速揭煤。