機(jī)械造穴技術(shù)在立井井筒揭煤中的應(yīng)用實(shí)踐

劉宏光

（華陽(yáng)集團(tuán)泊里煤礦有限公司，山西 和順 032700）

1 泊里公司一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井井筒概況

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)泊里煤礦有限公司井筒工程位于山西和順縣，礦井為煤與瓦斯突出礦井，井田位于山西省沁水煤田東部邊緣，大地構(gòu)造位置為山西陸臺(tái)東南部，新華夏系第三隆起帶的西翼，井田整體呈北東向，井田構(gòu)造為走向總體顯示為北東、傾向北西的單斜構(gòu)造。一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井地面標(biāo)高+1 432.5 m，井下標(biāo)高+884.5 m，設(shè)計(jì)井深548 m，凈斷面積為45.4 m2。根據(jù)山西省煤炭地質(zhì)一四八勘查院對(duì)進(jìn)風(fēng)立井勘探綜合成果柱狀圖顯示，一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井井筒施工過(guò)程中將陸續(xù)揭露3 號(hào)、6 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)、13 號(hào)、15 號(hào)煤層。由于評(píng)估報(bào)告中顯示所有煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，故在施工井筒過(guò)程中必須對(duì)煤層進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，即進(jìn)行瓦斯含量和瓦斯壓力的測(cè)定，并嚴(yán)格執(zhí)行兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施。

2 立井揭煤期間區(qū)域防突措施

2.1 超前探測(cè)鉆孔

為保證施工安全，當(dāng)井筒施工至距離煤層頂板法向距離10 m 位置前（地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)為20 m）停止掘進(jìn)，施工4 個(gè)前探鉆孔，鉆孔終孔位置以穿透煤層底板0.5 m 為準(zhǔn)，并記錄前探孔資料，再次確定煤層厚度、產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造等情況。

2.2 區(qū)域綜合防突措施

2.2.1 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

根據(jù)煤層瓦斯含量和壓力進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)，參數(shù)為井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[1]，瓦斯含量臨界值確定為8 m3/t，瓦斯壓力臨界值確定為0.74 MPa，進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。使用定點(diǎn)取樣鉆桿采集煤樣；使用DGC 型瓦斯含量直接測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)井筒施工至距煤層最小法向距離10 m 時(shí)進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)，在工作面正前布置7 個(gè)穿透煤層全厚且進(jìn)入底板0.5 m 的區(qū)域預(yù)測(cè)鉆孔。由具有煤與瓦斯突出鑒定資質(zhì)的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)考察煤層瓦斯含量和瓦斯壓力。若瓦斯含量測(cè)定指標(biāo)小于臨界值且鉆孔施工過(guò)程中無(wú)噴孔、頂鉆等明顯突出預(yù)兆，進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。經(jīng)區(qū)域驗(yàn)證合格后方可恢復(fù)掘進(jìn)，在掘進(jìn)至工作面距煤層最小法向距離5 m 時(shí)執(zhí)行局部綜合防突措施。若瓦斯含量測(cè)定指標(biāo)大于等于臨界值或鉆孔施工過(guò)程中有噴孔、頂鉆等明顯突出預(yù)兆時(shí)，則執(zhí)行區(qū)域防突措施。

2.2.2 區(qū)域防突措施

在井筒施工穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，區(qū)域預(yù)抽鉆孔布置在工作面距離煤層法向距離7 m 前，設(shè)計(jì)鉆孔終孔間距≤3.5 m，且必須保護(hù)井筒斷面輪廓線12 m。

以一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井揭露15 號(hào)煤層為例，共設(shè)計(jì)85 個(gè)抽放鉆孔，其中造穴鉆孔43 個(gè)（煤層部分全長(zhǎng)造穴）、普通鉆孔42 個(gè)。揭露15 號(hào)煤層區(qū)域防突措施鉆孔開(kāi)孔布置圖和剖面圖，如圖1、下頁(yè)圖2 所示。

圖1 揭露15 號(hào)煤區(qū)域防突措施鉆孔開(kāi)孔布置圖（單位：mm）

圖2 揭露15 號(hào)煤區(qū)域防突措施鉆孔剖面圖（單位：mm）

2.2.3 區(qū)域防突措施要求

1）穿層鉆孔應(yīng)當(dāng)穿透煤層全厚且進(jìn)入煤層底板0.5m。

2）嚴(yán)格遵循“打一個(gè)、連一個(gè)、封一個(gè)、抽一個(gè)”原則，鉆孔封堵要嚴(yán)密且封孔段長(zhǎng)度不得小于5 m，并及時(shí)連入抽采系統(tǒng)。

3）區(qū)域鉆孔施工完畢后，由地質(zhì)測(cè)量部根據(jù)打鉆資料分析揭煤區(qū)域煤層是否有構(gòu)造等異常變化。

4）抽放時(shí)間待測(cè)定完瓦斯含量、瓦斯壓力后，按下述公式計(jì)算：

式中：R 為井筒掘進(jìn)半徑，m；h 為煤層厚度，m；A 為瓦斯含量，m3/t；C 為百米抽放量，m3/min；F 為鉆孔總數(shù)量；G 為平均鉆孔深度，m；H 為每天施工鉆孔數(shù)量；I為每米鉆孔每天抽放量，m3；D 為打鉆總進(jìn)尺，m；B 為打鉆期間的瓦斯抽放量，m3；E 為打鉆完成后的抽放時(shí)間，d。

2.2.4 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

1）區(qū)域效果檢驗(yàn)前，首先分析、檢查預(yù)抽區(qū)域內(nèi)鉆孔的分布等是否符合設(shè)計(jì)要求。

2）根據(jù)檢驗(yàn)單元內(nèi)瓦斯抽采及排放量等計(jì)算煤層的殘余瓦斯含量，達(dá)到要求指標(biāo)后再現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定殘余瓦斯含量，并根據(jù)直接測(cè)定指標(biāo)判斷防突效果。

2.2.5 區(qū)域效果檢驗(yàn)方法

采用煤層殘余含量進(jìn)行區(qū)域效果檢驗(yàn)，參數(shù)為井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。使用定點(diǎn)取樣鉆桿采集煤樣；使用DGC型瓦斯含量直接測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定[2]。由具有煤與瓦斯突出鑒定資質(zhì)的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)考察瓦斯含量和瓦斯壓力。

2.2.6 區(qū)域效果檢驗(yàn)的臨界值

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，瓦斯含量臨界值確定為8 m3/t，瓦斯壓力臨界值確定為0.74 MPa。

2.2.7 區(qū)域效果檢驗(yàn)孔布置要求及方式

1）區(qū)域效果檢驗(yàn)孔應(yīng)當(dāng)布置于所在鉆孔密度較小、孔間距較大、預(yù)抽時(shí)間較短的位置，并盡可能遠(yuǎn)離各預(yù)抽瓦斯鉆孔或者盡可能與周?chē)A(yù)抽瓦斯鉆孔保持等距離，避開(kāi)采掘巷道的排放范圍和工作面的預(yù)抽超前距。

2）在進(jìn)行區(qū)域效果檢驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)上述要求，重新編制區(qū)域效果檢驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)。

2.2.8 區(qū)域效果檢驗(yàn)結(jié)論

煤層殘余瓦斯含量指標(biāo)小于臨界值且鉆孔施工過(guò)程中無(wú)噴孔、頂鉆等明顯突出預(yù)兆，判定區(qū)域措施有效，該區(qū)域?yàn)闊o(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，允許掘進(jìn)，在掘進(jìn)至工作面距煤層最小法向距離5 m 時(shí)執(zhí)行局部綜合防突措施。

煤層殘余瓦斯含量大于等于臨界值或鉆孔施工過(guò)程中有噴孔、頂鉆等明顯突出預(yù)兆，以此檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)或者發(fā)生明顯突出預(yù)兆的位置為中心，半徑100 m范圍內(nèi)判定為措施無(wú)效，該區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)，必須采取或者繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施，直至達(dá)標(biāo)為止。

3 機(jī)械造穴要求

3.1 造穴設(shè)備要求

3.1.1 鉆機(jī)

扭矩＞3 500 N·m，轉(zhuǎn)速60～220 r/min，推進(jìn)力＞70 kN，起拔力＞140 kN。具有聯(lián)動(dòng)防噴裝置，油缸推進(jìn)壓力＞16 MPa，支撐力大于60 kN。聯(lián)動(dòng)操作時(shí)，前夾持器聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)液壓夾持[3]。

3.1.2 鉆具

鉆桿采用錐形絲扣高壓密封連接，保證在20 MPa高壓水作用下水便旋轉(zhuǎn)順暢、不漏水。高低壓水流轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)低水壓軸向鉆進(jìn)打鉆，高水壓徑向切割煤體造穴，自由轉(zhuǎn)換，不需要更換鉆具。

3.1.3 高壓清水泵站

輸出壓力≥20 MPa，流量≥200 L/min；泵站具有自動(dòng)上水過(guò)濾裝置、聯(lián)動(dòng)防噴裝置及煤水氣分離裝置。鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)鉆孔涌出瓦斯、煤渣和水的安全有效分離排放。

3.2 技術(shù)要求

1）順層鉆孔在地質(zhì)構(gòu)造帶附近20 m 范圍內(nèi)不得進(jìn)行水力造穴。

2）順層鉆孔在煤層頂（底）板為含水層，或造穴影響范圍內(nèi)存在透水型地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域不得進(jìn)行水力造穴。

3）礦井首次進(jìn)行水力造穴的，應(yīng)當(dāng)委托科研機(jī)構(gòu)對(duì)造穴影響半徑進(jìn)行考察，并出具考察報(bào)告，考察結(jié)果適用于相同瓦斯地質(zhì)條件區(qū)域。首次采用水力造穴，必須根據(jù)考察報(bào)告編制施工設(shè)計(jì)方案，報(bào)上級(jí)公司審批。

4）水力造穴作為煤層增透措施，必須進(jìn)行瓦斯抽采。

3.3 設(shè)計(jì)要求

1）穿層水力造穴區(qū)域應(yīng)具有不小于7 m 安全巖層；順層水力造穴區(qū)域應(yīng)具有不小于20 m 安全保護(hù)煤體。

2）后退式造穴適用于打鉆不卡鉆、不頂鉆等區(qū)域；前進(jìn)式造穴適用于打鉆卡鉆、頂鉆，地質(zhì)異常，打鉆困難區(qū)域。

3）相鄰造穴鉆孔終孔間距原則上不大于6 m；順層水力造穴鉆孔造穴段長(zhǎng)度以1 m 為宜，相鄰造穴段間距為5～10 m。

4）每個(gè)造穴段出煤量不大于0.7 t/m 或造穴時(shí)間不少于30 min/m。

4 采取機(jī)械造穴措施前后的效果分析

以泊里公司一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井揭露6 號(hào)煤層、15 號(hào)煤層為例，從瓦斯含量、采取的相關(guān)技術(shù)措施及揭煤期間風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析對(duì)比，具體如下：

4.1 揭露6 號(hào)煤層概況

由中煤一建十處承建的泊里公司一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井，掘進(jìn)至距離6 號(hào)煤層10 m 前，采取鉆探手段對(duì)煤層進(jìn)行探測(cè)，確定煤層層位、產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造等情況，確定6 號(hào)煤層厚度為0.7 m，煤層走向北東至南西，傾角為4°。施工至距離6 號(hào)煤層10.5 m 時(shí)，停止掘進(jìn)，委托華北科技學(xué)院現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煤層瓦斯含量和壓力。測(cè)試瓦斯含量最大為7.41 m3/t，瓦斯壓力最大為0.2 MPa。施工至距離6 號(hào)煤層7 m 時(shí)停止掘進(jìn)，施工220 個(gè)穿層鉆孔，孔徑133 mm，保護(hù)井筒輪廓線12 m。施工至距離6 號(hào)煤層5 m 時(shí)，施工102 個(gè)穿層鉆孔，孔徑133 mm。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值最大為掘進(jìn)至距離6 號(hào)煤層3 m 時(shí)，利用傘鉆施工瓦斯排放孔120 個(gè)，孔徑42 mm。并進(jìn)行揭煤前最后驗(yàn)證，測(cè)得K1值最大為揭露6 號(hào)煤層時(shí)炮后工作面最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.86%，回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.63%。

4.2 揭露15 號(hào)煤層概況

泊里公司一號(hào)進(jìn)風(fēng)立井探測(cè)15 號(hào)煤層厚度為5.3 m，經(jīng)區(qū)域預(yù)測(cè)瓦斯含量最大為11.02 m3/t,瓦斯壓力最大為0.53 MPa；距離煤層7 m 時(shí)采取了機(jī)械造穴及普通鉆孔相結(jié)合的區(qū)域防突措施，共施工85 個(gè)進(jìn)入底板0.5 m 的預(yù)抽鉆孔，其中43 個(gè)造穴鉆孔、42 個(gè)普通鉆孔，控制井筒輪廓線12 m。鉆孔施工完畢后經(jīng)區(qū)域效果檢驗(yàn)，測(cè)得殘余瓦斯含量最大為7.47 m3/t；工作面局部預(yù)測(cè)K1值最大為，揭煤前進(jìn)行最后驗(yàn)證，測(cè)得K1值最大為揭煤當(dāng)班工作面正前最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.28%，回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.20%。

4.3 分析比對(duì)

分析比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 6 號(hào)和15 號(hào)煤層分析比對(duì)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)分析比對(duì)，在立井井筒揭煤中采取機(jī)械造穴措施后，與前期的普通鉆孔相比，機(jī)械造穴鉆孔排放瓦斯效果顯著，既降低了鉆孔施工成本，又加快了礦井建設(shè)進(jìn)度，還確保了揭煤期間的瓦斯零超限。