深立井井筒揭穿低透氣性突出煤層綜合防突技術

穆朝云，鄧 中，張 明

（中煤第三建設（集團）有限責任公司，安徽 合肥 230022）

隨著煤礦開采深度加深，立井井筒工程施工面臨的困難也越來越大。一般深部煤層透氣性逐步降低，瓦斯壓力逐步增大，發生煤與瓦斯突出事故的可能性增大，這大大增加了立井施工難度。若井筒施工要穿過突出危險煤層時，必須按規程要求采取有效的安全技術措施揭穿突出煤層，以確保施工安全。顧橋煤礦深部進風立井，采取擴孔、深孔爆破以及邊抽邊掘綜合防突技術，降低了煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，有效地消除了煤層的突出危險性，保障了工作面安全高效揭穿突出煤層。

1 工程概況

淮南礦業（集團）公司顧橋煤礦主要可采煤層為13-1、11-2、8、6、1煤層。井田內煤層總體形態為一走向近南北、傾向東、傾角為5°～15°的反“S”型單斜構造。礦井劃分為北一、北二、北三、南一、南二、南三、東一、東二共8 個分區，160個采區。采用立井、主要石門和分組集中大巷的開拓方式，并實行分區開拓、分區通風、集中出煤，主要巷道采用主要石門及分層（組）大巷布置形式。

為保障井下風量滿足后期深部煤炭開采需求，設計施工深部進風立井，井筒設計凈直徑為Φ8.6 m，井筒全深1065.6m，設計表土及風化基巖段為凍結法鑿井，基巖段采用地面預注漿法施工。凍結深度360m，設計凍結支護深度352m，實際凍結支護深度351.20 m；基巖段設計深度為713.6mm，變更后深度為714.4m。深部進風井井筒基巖段設計深度713.6m，變更后深度714.4m，基巖段見厚0.3m 及其以上的煤層共19層，煤層總厚26.5m。其中需揭穿的6 號煤層瓦斯含量為12.7 m3／t，瓦斯壓力為5.0 MPa左右，附近無特殊地質構造，頂板20m 范圍內無含水層。

2 低透氣性突出煤層綜合防突技術

2.1 鉆孔擴孔卸壓增透

（1）鉆孔掏出大量煤屑后，使煤層應力得到釋放，鉆孔施工時，有效地減少或避免了卡鉆、抱鉆等動力現象，大大縮短了鉆孔施工工期。

（2）掏穴鉆孔增大了煤層與空氣接觸面積，疏通了瓦斯釋放通道，大大增強了瓦斯抽采效果。

（3）掏穴鉆孔釋放煤層應力，使后期施工普通抽采鉆孔煤層段內鉆孔完整性得到提高，無塌孔、掉渣現象，利于套管下放及抽采管安裝。

采用特制擴孔鉆頭（見圖1），在鉆孔過煤段進行擴孔，將鉆孔直徑從133mm 擴至220mm、260mm，提高鉆孔卸壓影響半徑，增加煤層透氣性。

圖1 特制擴孔鉆頭

通過FLAC3D對100mm、200mm 和300mm 直徑鉆孔周邊煤體的應力、應變分布情況進行了模擬計算，應力分布情況見圖2，應變分布情況見圖3。

圖2 監測點水平應力曲線

圖3 監測點水平應變曲線

從圖2可以看出，隨著鉆孔直徑的逐漸增大，鉆孔周圍應力影響范圍擴大。在水平方向上，鉆孔周圍煤體的水平應力由近及遠先增大后逐漸趨近穩定，豎向應力由近及遠逐漸減小并趨于穩定。從圖3可以看出，隨著孔徑的增大，鉆孔周圍煤體應力及位移影響范圍明顯增大。在水平方向上，孔壁附近的煤層受擾動影響，孔壁周圍煤層水平應力發生卸壓作用，孔壁附近水平應力較小；豎向應力則出現應力集中現象，孔壁附近豎向應力較大。距離孔壁越遠，受鉆孔擾動影響作用較小，豎向及水平應力逐漸趨于原始壓力值。

由此可知，鉆孔為煤體膨脹變形提供了充分的空間，使地應力向四周擴散，起到局部卸壓作用，隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔周邊煤體卸壓影響范圍擴大。

2.2 深孔爆破卸壓增透

深孔控制預裂爆破強化抽放瓦斯技術的實質是：在工作面每隔一定的距離，施工一定深度的爆破孔和控制孔（用于抽放），二者交替布置。利用煤礦瓦斯抽排孔專用爆破藥柱裝藥。炸藥在孔內爆炸后，將產生應力波和爆生氣體，在爆破近區產生壓縮粉碎區，形成爆炸空腔，煤體固體骨架發生變形破壞，在爆炸空腔壁上產生的長度在炮孔半徑1～3倍范圍內的介質被強烈壓縮、粉碎，產生初始裂隙（不同于原生裂隙）。此外，空腔壁上原生裂隙將會擴展、張開。在爆破中區，應力波過后，爆生氣體產生準靜態應力場，并楔入空腔壁上已張開的裂隙中，與煤層中的高壓瓦斯氣體共同作用于裂隙面上，在裂隙尖端產生應力集中，使裂隙進一步擴展，進而在炮孔周圍形成徑向之字形交叉裂隙網。在爆破遠區，由于控制孔的作用，形成反射拉伸波和徑向裂隙尖端處的應力場相互疊加，促使徑向裂隙和環向裂隙進一步擴展，大大增加裂隙區的范圍。同時，原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸應力場的擾動將作用于已產生的裂隙內，使裂隙進一步擴展。最后，在爆破孔的周圍形成包括壓縮粉碎圈、徑向裂隙和環向裂隙交錯的裂隙圈及次生裂隙圈在內的較大的連通裂隙網，為煤體中瓦斯運移提供了通道。

2.3 邊抽邊掘技術

對于突出煤層待掘區域的安全揭煤，除了要消除待掘區域煤體的突出危險性外，還應消除其周邊一定區域煤體的突出危險性。井筒揭煤期間，對井筒下方煤體實施穿層鉆孔卸壓并抽放瓦斯，以達到消除突出危險、工作面安全快速掘進的目的。首先，通過鉆孔抽放可降低控制區域煤體瓦斯含量，其次，采取抽放措施后，煤體的瓦斯壓力得到充分釋放，地應力也顯著降低，即通過降低發生瓦斯突出的地應力和瓦斯應力來消除煤與瓦斯突出危險，從而消除待掘區域與其周邊一定區域煤體的突出危險性。

然而井筒工作面空間狹小，若措施鉆孔均布置在井筒工作面，在井筒掘進期間，勢必會終止鉆孔抽采作用，不利于風流中瓦斯濃度的控制。為減小掘進期間周邊煤體瓦斯大量涌入工作面，必須實現邊抽邊掘，在井筒掘進期間，實現周邊煤體鉆孔的攔截抽采，從而減少待掘區域周邊煤體的瓦斯補給，控制瓦斯大量涌入工作面，杜絕瓦斯超限和突出指標超標現象。

2.4 抽采孔與爆破孔優化布置

為快速、有效消除揭煤段突出危險性，保障揭煤期間風流瓦斯濃度處于安全允許值以下，必須增加措施鉆孔控制區域內煤體的透氣性，增大瓦斯抽采量，減少瓦斯抽采時間。周邊鉆孔與井筒輪廓線距離太近會導致鉆孔受來壓影響造成破壞，放炮震動會引起工作面周邊裂隙與鉆孔溝通，造成漏氣，影響抽采效果；距離太遠會導致無法有效攔截卸壓范圍內的瓦斯，從而導致瓦斯大量涌入工作面。要保證周邊鉆孔能長時間的進行瓦斯抽采，避免因工作面正常施工影響抽采效果，周邊鉆孔的布置參數至關重要。

基于以上分析，設計在立井井壁四周不影響井筒施工的區域布置井筒周邊煤體的抽采孔與爆破鉆孔。以6號煤層爆破松動半徑為4m 進行布置鉆孔，在待揭6號煤層布置了8圈共156個鉆孔，其中抽采鉆孔120個，深孔爆破36個。為增大抽采鉆孔見煤段周邊煤體卸壓范圍，提高瓦斯抽采效果，采用擴孔鉆頭對見煤段進行了擴孔；為進一步增大煤體透氣性，快速消除煤體突出危險性，將深孔爆破鉆孔間隔布置在抽采鉆孔之間，鉆孔布置見圖4。

圖4 深孔預裂爆破強化增透、截流抽采鉆孔布置

2.5 消突效果

（1）瓦斯抽采效果。通過現場考察，瓦斯抽采濃度由炮前12%上升到33%；爆破后瓦斯抽放量較爆破前瓦斯抽放量有明顯的提高（見表1），采用深孔爆破增透后的鉆孔瓦斯抽放量是爆破前的2～3 倍。經實測，煤層瓦斯含量由12.7m3／t降低至0.38m3／t，瓦斯壓力由5MPa降低至0.53 MPa。

表1 爆破前后單孔瓦斯抽采量對比

（2）突出指標值。采用R，K 值綜合指標法相結合評價煤層的突出危險性，在工作面迎頭距離爆破孔上下1m處打2個效檢孔，效檢時鉆孔進入煤層以后，每隔1m 測量一次鉆屑量S，然后留1m 測量室，用WTY-3型煤與瓦斯突出預測儀封孔，測定瓦斯涌出初速度V。爆破前后突出指標效檢值見表2，從表2中可以看出：由于深孔預裂控制爆破和井筒周邊鉆孔邊抽邊施工綜合防突技術的共同作用，提高了煤體的強度，瓦斯放散初速度、最大鉆屑量大幅度降低。

表2 突出指標在爆破前后對比

3 主要結論

1）在鉆孔見煤段實施掏穴和深孔爆破后，明顯擴大了鉆孔周邊煤體的卸壓作用影響范圍。且深孔爆破后，溝通了鉆孔周邊煤層裂隙，為瓦斯抽采提供了良好的運移通道，瓦斯抽采濃度由12%上升到33%，抽采瓦斯純量提高了1～2倍。

2）利用掏穴和深孔爆破對煤體實施增透，結合邊抽邊掘技術攔截待掘區域周邊煤體瓦斯補給作用，優化了抽采鉆孔和爆破鉆孔的布置參數，在不影響井筒掘進的前提下，延長了瓦斯抽采時間，降低了揭煤期間風流中的瓦斯濃度。

3）針對井筒揭穿低透氣性突出煤層難題，采用鉆孔擴孔、深孔爆破和邊抽邊掘綜合防突技術，6＃煤層瓦斯含量由12.7m3／t降低至0.38m3／t，瓦斯壓力由5MPa降低至0.53 MPa，有效地消除了煤層的突出危險性，大大縮短了瓦斯抽采時間，縮短了揭煤工期。

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