里必礦主斜井揭煤綜合防突技術(shù)實踐

楊 剛，白軍軍，連英立，郝國強，安峰江

（1.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.中煤華晉集團 晉城能源有限公司，山西 晉城 048299；3.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100011；4.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中的工程地質(zhì)災(zāi)害,井巷揭煤時發(fā)生煤與瓦斯突出的概率最大，造成的危害也大。井巷揭煤包括石門和井筒的揭煤。相比石門揭煤，井筒揭煤具有揭煤井巷斷面積大、施工場地受限、施工工期長等特點，而作為井筒的一種特殊形式，斜井揭煤往往又具有“過煤門”段長的特點。斜井揭煤是一項危險而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因斜井在礦山所有井巷中占比低，常為礦山基建時開鑿，所以斜井揭煤實踐較少，但我國對斜井揭煤仍積累了一定的經(jīng)驗。新田煤礦副斜井采用穿層鉆孔預(yù)抽揭煤區(qū)域煤層瓦斯，回風(fēng)斜井和主斜井采取順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，實現(xiàn)了安全揭煤。容光礦回風(fēng)斜井揭開煤層前通過設(shè)計的超前排放孔排放瓦斯，在回風(fēng)斜井工作面施工過程中，按照突出指標(biāo)預(yù)測、施工排放鉆孔、效果檢驗的步驟進行掘進，并根據(jù)檢驗的結(jié)果進行瓦斯排放，實現(xiàn)了回風(fēng)斜井安全揭煤。馬依西一井北回風(fēng)斜井采取鉆場交叉鉆孔抽采瓦斯、注漿加固揭煤點井筒周圍煤體、“過煤門”時利用金屬骨架加固控制煤層頂板并配合小斷面震動爆破防突技術(shù)實現(xiàn)了安全揭煤。明礬溝煤礦采取主副斜井聯(lián)合揭煤的技術(shù)方法，提高了揭煤速度、減少了措施工程量、縮短了工期。新疆某礦在斜井揭煤過程中，采用預(yù)抽瓦斯和煤體注漿相結(jié)合的防突技術(shù)，較好地解決了該礦斜井揭煤防突技術(shù)難題。官寨煤礦主斜井設(shè)計采用水力壓裂地面預(yù)抽技術(shù)進行輔助消突。然而，我國于2019 年實施《防治煤與瓦斯突出細則》后，鮮有斜井揭煤的報道。

里必礦主斜井井筒揭煤區(qū)域3 號煤層實測瓦斯含量最大值為19.56 m3/t，相對瓦斯壓力2.45 MPa，均超過規(guī)定臨界值，預(yù)測主斜井井筒揭3 號煤層區(qū)域?qū)偻怀鑫ｋU區(qū)。為保證里必礦主斜井安全順利揭煤，本文對主斜井揭煤時的綜合防突技術(shù)進行了研究。

全球定位系統(tǒng) 2000年5月2日，美國東部時間午夜過后不久，世界各地的全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器收到了一些特別的內(nèi)容。在此之前，可供民用接收器接收的信號失真嚴(yán)重，無法充當(dāng)可靠的“領(lǐng)路人”。

1 工程概況

里必礦設(shè)計生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，主采煤層為山西組3 號煤層，煤層傾角平緩，一般不超過7°，煤層厚2.50～6.80 m，平均5.19 m，含夾矸0～3層，結(jié)構(gòu)簡單— 復(fù)雜。礦井采取綜合開拓方式，工業(yè)場地內(nèi)布置主斜井、副立井。主斜井設(shè)計斜長1 750 m，井筒凈寬5.4 m，傾角16°，掘進方位角79°00'00"，井口標(biāo)高+769.00 m，井底標(biāo)高+286.6 m。井筒采用局部凍結(jié)法施工，凈斷面積18.4 m2，掘進斷面明砌段25.9 m2，凍結(jié)段30.3 m2，穩(wěn)定基巖段20.7 m2。

為了掌握3 號煤層的層位、厚度、地質(zhì)構(gòu)造和煤層瓦斯等參數(shù)，在井筒工作面掘進至距3 號煤層頂板最小法向距離12 m 后，施工前探鉆孔5 個。前探鉆孔采用φ94 mm 取芯鉆頭配φ88mm 巖芯管，穿透煤層全厚且進入煤層底板1 m 以上。前探鉆孔兼做瓦斯含量和瓦斯壓力測定鉆孔，進行區(qū)域突出危險性預(yù)測工作。測定結(jié)果表明，主斜井井筒揭煤區(qū)域3 號煤層實測瓦斯含量最大值為19.56 m3/t，相對瓦斯壓力2.45 MPa，瓦斯放散初速度△P最大值28.4 mmHg，煤的堅固性系數(shù)f值為0.83。3 號煤層為煤與瓦斯突出煤層，井筒所揭3 號煤層區(qū)域為突出危險區(qū)，需要采取綜合防突措施。

2 揭煤綜合防突措施

里必礦根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》要求，主斜井揭煤采取區(qū)域綜合防突措施和局部綜合防突措施相結(jié)合的原則，主要工藝流程包括：前探鉆孔探察煤層、區(qū)域抽采防突措施、區(qū)域防突措施的效果檢驗、法距5 m 前區(qū)域驗證、法距2 m 前揭煤驗證、“過煤門”遠距離爆破等。

2.1 區(qū)域抽采防突措施及效果檢驗

由圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸系數(shù)R2=0.998 7，大于0.995，可以用于檢測。陽性對照GBW（E）100360檢測結(jié)果為0.201mg/kg，符合GB 5009.15-2017[6]關(guān)于儀器準(zhǔn)確度的要求。

圖1 3 號煤層法距8 m處普通穿層抽采鉆孔布置示意Fig.1 No.3 coal seam normal distance of 8 m ordinary through layer drainage borehole layout schematic

鑒于里必礦井3 號煤層瓦斯賦存條件，單純依靠正常的瓦斯抽采技術(shù)實現(xiàn)瓦斯抽采達標(biāo)所需時間較長，為縮短瓦斯抽采時間，提升瓦斯抽采效果，鉆孔施工過程中對30%的抽采鉆孔煤層段進行掏穴，將φ113 mm 孔機械擴孔至φ260 mm，共計掏煤量62.5 m3，增加煤層透氣性、增大抽采表面積、抽采量，提高煤層瓦斯抽采效率，縮短預(yù)抽周期。

1.6 統(tǒng)計方法 統(tǒng)計不同年齡段女性的高危HPV感染率(各個年齡組中高危HPV陽性病例數(shù)／這一年齡組總?cè)藬?shù)×100%)。高危HPV各亞型感染率指該亞型單獨或和其他亞型共同出現(xiàn)的感染率，多重感染重復(fù)計算。例如某患者檢測結(jié)果為HPVl6、

2022 年7 月6 日—7 月7 日，施工5 個取樣鉆孔，對主斜井3 號煤層殘余瓦斯含量進行實測，主斜井揭3 號煤層區(qū)域?qū)崪y殘余瓦斯含量為4.94～7.76 m3/t，滿足《防治煤與瓦斯突出細則》小于8 m3/t 的規(guī)定，且鉆孔取樣過程中無頂鉆、卡鉆、噴孔以及瓦斯涌出異常等現(xiàn)象。表明主斜井井筒3 號煤層穿層鉆孔預(yù)抽揭煤區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施有效，揭煤區(qū)域已消除煤與瓦斯突出危險，可掘進至3 號煤層最小法距5 m 前位置進行區(qū)域驗證。主斜井井筒抽采效果檢驗鉆孔參數(shù)見表1。

表1 主斜井井筒抽采效果檢驗鉆孔參數(shù)Table 1 Main inclined shaft drainage effect test drilling parameters

2.2 法距5 m 前區(qū)域驗證

在主斜井里程1 510.6 m 處，即距3 號煤層法向距離6 m 處，采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進行區(qū)域驗證。共施工6 個取樣鉆孔，在鉆孔鉆進到煤層時，每鉆進1 m 采集一次孔口排出（風(fēng)力排渣）的粒徑為1～3 mm 的煤鉆屑，測定其瓦斯解吸指標(biāo)K1 最大值為0.39 mL·（g·min1/2）-1，滿足《防治煤與瓦斯突出細則》的規(guī)定，且鉆孔取樣過程中無頂鉆、卡鉆、噴孔以及瓦斯涌出異常等現(xiàn)象。表明主斜井3 號煤層揭煤工作面為無突出危險工作面，可掘進至3 號煤層法距2.1 m 前進行揭煤驗證。

2.3 法距2 m 前揭煤驗證

在主斜井工作面揭開3 號煤層前，采用金屬骨架措施來加強支護。該措施的主要作用首先是依靠金屬骨架加強工作面前方3 號煤層的穩(wěn)定性，其次是通過安裝金屬骨架的鉆孔，排放鉆孔附近煤體中的瓦斯并緩和煤體的應(yīng)力緊張狀態(tài)。金屬骨架措施在主斜井上部和兩側(cè)布置兩排骨架孔。骨架鉆孔穿過煤層并進入煤層頂板至少0.5 m，當(dāng)鉆孔不能一次施工至煤層頂板時，則進入煤層的深度不小于15 m。鉆孔間距小于0.2 m。骨架材料可選用8 kg/m 及以上的鋼軌、型鋼或者直徑不小于50 mm的鋼管，其伸出孔外端用金屬框架支撐或者砌入碹內(nèi)等方法加固。插入骨架材料后，向孔內(nèi)灌注水泥砂漿等不延燃性固化材料。

主斜井開拓至距3 號煤層頂板法距8 m 時，在工作面迎頭施工導(dǎo)硐作為抽采鉆場。導(dǎo)硐尺寸為：3.7 m×6.2 m×3.0 m，鋪設(shè)0.3 m 厚混凝土建成打鉆平臺，導(dǎo)硐向前掘進時與煤層頂板平行保持8 m法距。導(dǎo)硐底板施工15 排13 列，共計195 個穿層抽采鉆孔，合計鉆孔長度10 072.73 m。其中最外側(cè)（前后左右）52 個抽采孔亦為瓦斯攔截鉆孔。鉆孔孔徑為φ113 mm，穿透煤層，并進入煤層底板不小于10 m，增加鉆孔儲水儲渣空間，有效減小孔內(nèi)積渣對抽采效果的影響。抽采鉆孔布置如圖1 所示。

2.4 揭煤前加強支護措施

在主斜井里程1 521.7 m 處，即距3 號煤層法向距離2.1 m 處，采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進行揭煤前驗證，共計施工5 個取樣鉆孔，在鉆孔鉆進到煤層時，每鉆進1 m 采集一次孔口排出（螺旋自排渣）的粒徑為1～3 mm 的煤鉆屑，測定其瓦斯解吸指標(biāo)K1最大值為0.25 mL·（g·min1/2）-1，滿足《防治煤與瓦斯突出細則》的規(guī)定，且鉆孔取樣過程中無頂鉆、卡鉆、噴孔以及瓦斯涌出異常等現(xiàn)象。表明主斜井井筒3 號煤層揭煤工作面為無突出危險工作面，可在采取安全防護措施條件下遠距離爆破揭開3 號煤層。

2.5 “過煤門”階段揭煤

主斜井揭煤工作面施工炮眼102 個，雷管102發(fā)，裝炸藥98 kg。在采取主斜井井口前方50 m、兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)停電撤人警戒等安全措施后遠距離起爆揭開3 號煤層。

里必礦主斜井井筒完全揭開3 號煤層長度約29.4 m，遠距離爆破不能一次揭開3 號煤層，當(dāng)揭煤巷道全部或部分在煤層中掘進時，則進入“過煤門”階段。

煤層掘進階段，采用鉆屑指標(biāo)法進行煤層段掘進工作面突出危險性預(yù)測，鉆屑指標(biāo)法預(yù)測煤巷掘進工作面突出危險性的參考臨界值見表2。此次共歷經(jīng)9 個循環(huán)的工作面預(yù)測，預(yù)測K1最大值為0.38 mL·（g·min1/2）-1，最大鉆屑量S值3.4 kg·m-1。9 個循環(huán)預(yù)測結(jié)果均為工作面無突出危險性。為此，在采取安全防護措施的條件下，實施掘進作業(yè)，掘進至主斜井里程1 583 m，經(jīng)現(xiàn)場探煤確認，此處頂板距3 號煤層底板法距3.1 m。按照《防治煤與瓦斯突出細則》要求，主斜井井筒揭3 號煤層全部工序結(jié)束。

表2 鉆屑指標(biāo)法預(yù)測煤巷掘進工作面突出危險性的參考臨界值Table 2 Reference critical value of drilling cuttings index method to predict the outburst danger of coal roadway heading face

3 揭煤綜合防突措施效果

（2）主斜井井筒從揭開3 號煤層至穿過煤層法距3 m，歷時36 d，揭煤過程中炮后工作面最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.68%，炮后回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.41%，低于《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，揭煤作業(yè)圓滿成功。

（1）區(qū)域防突措施抽采鉆孔最長抽采時間179 d，最短抽采時間130 d；根據(jù)通風(fēng)瓦斯報表和瓦斯抽采報表統(tǒng)計，主斜井抽排瓦斯總量為626 724 m3。主斜井揭3 號煤層區(qū)域?qū)崪y殘余瓦斯含量為4.94～7.76 m3/t，滿足《防治煤與瓦斯突出細則》小于8 m3/t 的規(guī)定，可知區(qū)域抽采措施瓦斯抽采率高，取得了較好的消突效果。

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4 結(jié)論

（1）里必礦通過在主斜井掘進工作面迎頭施工導(dǎo)硐作為抽采鉆場，解決了抽采鉆孔施工場地受限問題。采用掏穴擴孔、截流抽采鉆孔、預(yù)留儲水儲渣空間等工藝，提高了瓦斯抽采效率，縮短了揭煤工作時間。實施區(qū)域抽采防突措施后，實測殘余瓦斯含量4.94～7.76 m3/t，區(qū)域抽采措施取得了較好的消突效果。

（2）里必礦主斜井“過煤門”階段長達29.4 m，遠距離爆破不能一次揭開3 號煤層，為此采用鉆屑指標(biāo)法進行了9 個循環(huán)的煤層段掘進工作面突出危險性預(yù)測，每次預(yù)測工作面無突出危險性后，實施掘進作業(yè)。

3)當(dāng)錨固段長度較小時，處于彈性變形階段錨固劑-圍巖界面剪應(yīng)力可近似認為是均布的。隨著錨固長度的增加，錨固始端最大剪應(yīng)力值逐漸降低，界面剪應(yīng)力分布不均勻程度增加。

（3）揭煤過程中炮后工作面和回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)均低于《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，揭煤作業(yè)圓滿成功。