高瓦斯突出煤層組井筒快速揭煤關鍵技術

吳愛軍，程國軍，王法凱

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010; 2.淮南礦業集團潘一東礦井建設項目部，安徽 淮南 232082; 3.山東能源集團貴州礦業公司，貴州 織金 552100)

采選技術

高瓦斯突出煤層組井筒快速揭煤關鍵技術

吳愛軍1，程國軍2，王法凱3

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010; 2.淮南礦業集團潘一東礦井建設項目部，安徽 淮南 232082; 3.山東能源集團貴州礦業公司，貴州 織金 552100)

潘一東項目部第一副井主要是服務于-850m以上的開采水平，該井筒要穿越13-1煤與12煤組成的高瓦斯突出煤層組，為了實現安全快速的揭煤，該項目部根據現場的實際情況，采用了多項新技術實施防突措施：首先使用高壓充氣法快速測定了煤層瓦斯壓力，與此同時利用自行研制的取芯器實現完整鉆取煤芯，掌握了煤層具體信息；在驗證所揭煤層無突出危險性后，再利用擴槽鉆頭施工大直徑的鉆孔以加快瓦斯的排放。經過一系列嚴密組織和緊張施工，整個揭煤過程不到20天，較常規工藝縮短了近1/3的時間，取得了經濟效益和安全效益的雙贏。

突出煤層組；快速揭煤；擴槽鉆孔；充氣測壓

煤與瓦斯突出是發生在煤礦回采或掘進過程中的一種極其復雜的猛烈的動力學現象，可在極短的時間內由煤體向采掘空間噴出大量的煤與瓦斯，從而造成人員窒息和煤與瓦斯爆炸條件，直接導致風流紊亂或短時逆轉，對煤礦安全生產構成極大威脅[1-9]。根據資料顯示，突出災害事故若按突出危險的強度指標來劃分的話，石門井筒、揭煤過程中發生突出強度最大，掘進、回采過程中次之，所以在石門、井筒揭煤過程中，國家、煤礦企業特別重視揭煤過程的安全生產問題。同時井筒揭煤是礦井井筒建設最為危險的也是所有工作中的最關鍵一個環節，它的進度快慢直接影響下一期工程(巷道工程)的施工，所以工期比較緊，任務重，為了安全快速實現井筒揭煤，必須認真組織、精心策劃，采用先進技術和工藝，細致施工才能安全快速的完成這一艱巨任務。

1 潘一東礦井情況簡介

潘一東礦井分2個水平生產。一水平標高為-850m，主要開采11-2煤、13-1煤。二水平標高暫定-980m，主要開采8、7、6、4煤層等B組煤。礦井煤層埋藏深，開采深度大，瓦斯、地壓大、地溫高，礦井進行保護層開采，首采11-2煤來解放13-1煤。先開拓開采-850m水平。下面重點介紹主采煤層13-1和11-2煤層。

13-1煤為厚煤層，煤厚1.65～7.76m，平均厚4.25m(含夾矸)，變異系數34.5%，可采性指數為1，屬穩定煤層。與12煤間距1.5m左右，局部合并。下距11-2煤層約70.7m。煤層結構復雜，大部地段含1～2層夾矸，夾矸巖性為泥巖、炭質頁巖。頂板巖性主要為砂質泥巖、泥巖，局部為砂巖。

11-2煤為中厚煤層，煤厚0.65～3.43m，平均厚2.24m，變異系數為31.2%，可采性指數為0.95，屬穩定煤層。下距8煤層約82m。煤厚全井田變化不大，結構簡單，一般不含夾矸。頂板以泥巖、砂質泥巖為主，局部為砂巖、粉砂巖。

13-1煤和12煤距離很近，才1.5m，所以揭煤過程中組成了一個煤層組，這給揭煤帶來更大的困難。為此這次揭煤有別于單煤層的揭煤。

2 井筒揭煤四位一體的流程

由于11-2煤下距離13煤層組大概70m，井筒只揭開13-1煤和12煤的煤層組，轉入巷道施工后，從頂板進入11-2煤，這樣減少了井筒揭煤次數。基于“四位一體”防突規范，根據集團公司以往的井筒揭煤經驗和當今技術的發展情況來分析：若要加快揭煤的速度，整個過程需要花費時間較多的工序有：突出危險性預測和防突措施。這兩項花費的時間占總工期的90%左右，這是按照正常順利施工計算的，不包括其中的一些干擾和變故。針對這兩項工藝，本項目進行了多種技術的商討，決定采用高壓充氣測壓、完整取芯、擴槽鉆孔排放瓦斯的幾項新技術。

2.1 13-1和12煤層組突出危險性預測

由于兩個煤層距離較近，12煤位于13-1煤層的下方1.5m左右，所以每個煤層布置兩個測壓鉆孔，分別測出13-1煤、12煤的瓦斯壓力。

根據相鄰礦井的已有資料顯示，13-1煤的瓦斯壓力大概在2～3MPa，12煤的瓦斯壓力在0.3～0.5MPa左右，由于相聚很近，13-1煤的瓦斯壓力高，所以將兩個煤層作為一個煤層組來進行揭煤。根據《防突煤與瓦斯突出規定》中“四位一體”的揭煤措施[10]，在距離煤層豎向最小距離10m左右時，施工兩個前探孔進行煤體瓦斯地質情況的探測，至煤層頂板法向最小距離5m時進行煤層的突出危險性預測，具體的步驟如下。

突出危險性預測主要測定煤層瓦斯壓力P、煤體堅固性系數f值、瓦斯放散初速度△P和煤體破壞類型等參數，其中瓦斯壓力參數需要現場測試，而另外三個參數需要現場取芯后，到實驗室進行測定。因此現場需要施工的鉆孔有測壓鉆孔4個，取芯鉆孔兩個。現場布置兩臺大功率液壓鉆機同時施工，加快了施工進度。

2.1.1 煤層瓦斯壓力測定

常規的瓦斯測定實際上考慮的影響因素很多，測定工藝十分復雜，同時耗費工期較長，具體常規測壓法的流程圖如圖1所示[11]。根據流程圖可以看出，在實質性下放測壓儀器到孔內測壓之前需要完成四步的工作，這些工作需要耗時4～5天(這是考慮所有工作進展順利的情況)，對于工期非常緊張的井筒揭煤來說，這實在是不容許耽誤的。

圖1 瓦斯測定流程圖

因為在井筒開挖過程中，多采用的是爆破方法進行掘進的，井筒圍巖難免受到損傷，并且巖石有著大量的孔隙和裂隙，這樣就有大量的瓦斯從中泄露，為了保證測量瓦斯壓力值準確，常采用了注漿封堵裂隙的測壓方法。為了加快進度，圖1中的前四步必須進行簡化，項目部利用“煤層注水封孔器”當做孔口管來進行高壓注漿，現場應用效果良好。這樣就減少孔口管的固定、凝固等繁瑣工藝，一步到位，將鉆孔推至到煤層頂板上方0.5m處，將封孔器下放到孔內距離孔口1m處，連接高壓水泥漿管路后進行高壓注漿。待八小時水泥初步凝固穩定后，繼續施工，鉆孔鉆進入煤層0.5m，下放瓦斯壓力測壓儀器。這套新技術的采用將原來需要4～5天的工序簡化到24h，工作效率極大提高。

測壓儀器下放入鉆孔后，接下來就是等待瓦斯壓力的上升直至穩定才能得到煤層瓦斯壓力值，這一段時間較長，這主要是因為測壓鉆孔施工到位后，由于鉆孔附近瓦斯迅速放散，等封孔器形成封孔后，等待瓦斯壓力慢慢上來，最后到穩定至少需要5～7天時間，所以項目部決定采用高壓充氣方式來彌補鉆孔周圍煤體釋放瓦斯氣體引起壓力損失，以此加快測壓的進程。測壓的儀器選用的是中國礦業大學研制的M-2型測壓封孔器。該設備的主要結構如圖2所示[12]。

高壓充氣測壓方法就是測壓開始時就將高壓氣體充入鉆孔前方瓦斯室內，這些氣體可以是CO2、N2或CH4，一般情況下選擇危險性較小的CO2、N2。選擇充入的壓力略高于煤層原始瓦斯壓力，本次13-1煤、12煤充入的氣體壓力分別為3.5MPa和1MPa，氣體為N2。基本做法就是在連接瓦斯壓力管線上安裝一個三通閥，上面分別連接瓦斯壓力表、充氣鋼瓶和前方的瓦斯室管線，具體結構示意圖如圖3所示。連接完畢后，打開高壓氣體閥門，調制鋼瓶減壓閥的壓力表到預設壓力值，充氣1min后，關閉高壓氣瓶并從三通閥上取下連接管，將鋼瓶與測壓儀器相分離。瓦斯壓力變化曲線如圖4所示。

圖2 M-Ⅱ型瓦斯壓力測定儀

圖3 充氣測壓法結構示意圖

圖4 充氣測壓壓力變化曲線

從圖4中的瓦斯壓力變化曲線可看出，充氣8h后，兩個鉆孔的瓦斯壓力區域穩定，指在了2.8MPa和2.78MPa，我們以最高的來定煤層的瓦斯壓力就是2.8MPa，而12煤的瓦斯壓力測定為0.35MPa。若要用常規的方法，待瓦斯壓力慢慢上升直至到穩定大約需要6～7天，所以對于井筒揭煤工程當然是不能接受的。現在采用了充氣法測壓，將時間縮短到8h左右，基本上不影響揭煤進尺。總結以上幾個工序，可以得到整個測壓工作也就是一天多的時間，若加上其他不確定因素影響，至多不會超過3天，這在揭煤工程中已非常快。

2.1.2 完整取芯

完整取芯是掌握揭煤區域煤體具體地質信息的重要保證。我們采用自行研制的取芯器進行現場取芯，取芯器的結構如圖5所示[13]，取芯工作和測壓同時進行。

圖5 雙管單轉取芯器結構示意圖

在施工測壓鉆孔的同時，在井筒掘進工作面也施工取芯鉆孔，具體做法就是先用Φ110的鉆頭開孔，到達煤層后拔出鉆桿并卸下鉆頭，換上取芯器下放入鉆孔取芯，開始時將鉆桿和壓風管相連，用高壓空氣將孔內的積水和巖石碎屑吹出到孔外，然后開動鉆機緩慢轉動，這樣就較為容易的完整取出煤芯了。這項工作的難度就是由于鉆頭較大，加上巖石較硬，鉆孔消耗時間比一般的測壓鉆孔同樣的距離深度，但是要花費兩倍的時間，但是經過細致施工，還是成功的完成了取芯工作。

2.1.3 參數測定結果

將煤體取出后，送到實驗室進行參數的測定，結果如表1所示。

表1 13-1煤突出鑒定的單項指標臨界值

表2 13-1煤井筒揭煤工作面突出危險性預測綜合指標值

根據表1測定數值，再結合式(1)、式(2)計算出突出危險性的綜合預測指標大小(表2)[10]。

D=(0.0075H/f-3)×(P-0.74)

(1)

(2)

根據以上數據得到，13-1煤具有突出危險性，而12煤瓦斯壓力較低，沒有達到臨界值，所以判定為不具有突出危險性。但是對于兩個煤層相聚非常近的煤層組來說，這次揭煤主要是針對13-1煤，并將瓦斯抽采鉆孔布置進入12煤。

2.2 13-1和12煤層組防突措施

突出危險性預測結束后，接下來根據突出鑒定的結果制定揭煤防突措施，因為13-1煤具有突出危險性，12煤和13-1煤距離很近，因此揭煤時要將這兩個煤層一起揭開。為了加快揭煤進度，迅速降低煤層中瓦斯含量，本項目采用了擴槽鉆頭在煤體內擴大鉆孔直接以增加瓦斯解吸的暴露面積，具體的施工示意圖如圖6所示。

圖6 瓦斯排放擴槽鉆孔示意圖

從圖6可以看出，在巖石段使用Φ75的鉆頭進行開孔，到達煤層后，可以換用擴槽鉆頭進行擴大煤層鉆孔，這種鉆頭可以擴孔達到直徑250mm，這樣煤體暴露的面積增大了十余倍，瓦斯抽采效率得到大幅提升，煤層瓦斯抽采半徑大小也擴大了許多，同樣可以減少鉆孔的施工量。因為5m厚度巖石段的鉆孔大小為75mm，這種結果可以抑制下部煤層因鉆孔擴大而誘發突出事故發生，同時這種施工加快了施工的進度，提高了效率。

擴槽鉆孔的施工按照要求布置了150個，若采用常規的鉆頭施工則需要施工250個左右，這樣極大的較少了工作量。鉆孔施工完成一個立即就封孔一個進行抽放，經過緊張有序的施工，經過4天時間完成了所設計的瓦斯排放鉆孔的施工，接下來的時間就等著煤層瓦斯的排放，然后根據防突效果檢測來判斷消突效果。

2.3 煤層組效果檢驗

為了有效驗證防突效果，采用多種參數和手段來進行評估，以此降低評估的風險，增加安全系數。

2.3.1 煤層殘余瓦斯壓力

為了進行效果驗證，原來測壓的儀器設備沒有撤去，仍留在孔內用來監測瓦斯抽排的效果。測壓時為了不影響后續排放瓦斯鉆孔的施工，將測壓鉆孔設置在圍巖的邊緣處，抽放瓦斯的鉆孔施工時，可以在距離測壓鉆孔近0.5～1m位置遠處施工，以保證“效果驗證”措施有效。經過10多天的瓦斯抽放后，最后通過觀測測壓鉆孔的測壓儀器儀表顯示結果：煤層瓦斯壓力低于0.15MPa。

2.3.2 鉆屑指標法

同時又測定其他突出指標，如鉆屑量S、鉆屑解析指標△h2、瓦斯放射初速度q值3個單項指標低于對應的臨界值指標。

2.3.3 瓦斯抽采排放率

通過十余天的瓦斯抽采排放，這個過程中進行了實時監測瓦斯流量的變化，并計算出瓦斯排放量，經過計算驗證瓦斯排放量達到了煤層所含瓦斯量的30%以上。

綜合考慮以上各個參數，認為井筒區域煤層突出危險性已經消失，可以揭煤。

2.4 揭煤安全防護

揭煤時，先掘進到距離煤層頂板最小法向距離2m位置處，然后再施工爆破鉆眼。因為這是煤層組的厚度為7～8m左右，一次性不能揭穿煤層，所以根據《防突規定》，每次的掘進施工為4m，這樣可以進行分兩次揭穿煤層，每次清理爆破的浮石和碎煤后，及時對筒壁進行支護，待支護后井壁的混凝土完全達到強度標準時，再向下施工進行掘進。

3 總結

針對潘一東礦副井井筒揭煤區域瓦斯地質特點和生產安全的要求，項目部嚴格依據“四位一體”的防突方針，采用多種新技術和新工藝進行作業。

1)首先采用了快速高壓充氣法測定煤層瓦斯壓力。改變傳統的測壓工藝，先利用注漿封孔器進行注漿封堵測壓鉆孔周圍巖石裂隙，然后再利用高壓充氣測壓法迅速測得了煤層瓦斯壓力。

2)在測壓的同時，采用自行研制的取芯器實現了完整取得煤芯，然后對煤體的堅固性系數f值，放散初速度△p和煤體破壞類型等參數進行測量，綜合各個指標參數，最終判定所揭煤層為突出煤層。

3)防突措施采用了擴槽鉆孔排放瓦斯的新技術。通過大直徑的擴槽煤體鉆孔，使得瓦斯排放鉆孔的工程量下降了1/3，同時提高了瓦斯排放的效率。

4)采用測定多種參數方法來驗證煤層的防突效果。利用原來的測壓儀器測定殘余瓦斯壓力，利用鉆屑指標法和瓦斯排放率來評估消突效果，經鑒定為無突出危險性后，決定進行爆破揭煤作業。

通過采用這些新技術和新工藝，使得原來需要一個月左右的工程，不到20天就完成了，提前了1/3的工期，取得了經濟效益和安全效益的雙贏。

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The key technology of uncovering coal quickly on the shaft in the outburst coal seam group with high gas

WU Ai-jun1，CHENG Guo-jun2，WANG Fa-kai3

(1.School of Environment & Resource，Southwest University of Science & Technology，Mianyang 621010,China; 2.Huai-nan Group Pan Yi-dong Mining Construction Project Department，Huainan 232082,China; 3.Shandong Energy Group Guizhou Mines Ltd，Zhijin 552100,China)

The first auxiliary shaft of Panyidong project department is served for minting area above-850m，it will cross the high gas and outburst group be made of 13-1coal and 12coal. The In order to accelerate uncovering coal safely，a number of new technology of outburst prevention were adopted by Project department：At first，the coal seam gas pressure has been rapidly determined used the method of high gas inflation；At the same time，the self-developed corer was used to achieve complete coal-core，and the specific information of coal seam were mastered. After the uncovered coal has been verified and has no outburst，large diameter drillings were constructed by the expansion slot hole and were used to speed up the gas emissions. After a series of rigorous organization and tight construction，the whole process of uncovering coal is in less than 20 days，and nearly a third of the time was shorten compared with conventional process，a win-win situation of the economic and security benefits are gained.

coal seams group；fast uncovering coal；expansion slot hole；air pressure

2014-06-05

西南科技大學博士研究基金項目資助(編號：12zx7112)

吳愛軍(1976-)，男，江蘇邳州人，工學博士，主要從事煤與瓦斯突出力學機理及防治方面的研究。E-mail:wuaj668@163.com。

TD713

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1004-4051(2015)05-0091-05