錦源煤礦回風石門揭煤快速掘進的保障工藝研究

孫 健，張兵兵，劉 磊

(山西省臨縣林家坪鎮 錦源煤礦，山西 臨縣 033200)

1 工程概況

錦源煤礦位于山西晉中煤炭基地離柳礦區，隸屬于山西臨縣錦源煤業有限公司，井田地里坐標北緯37°38′10"～37°44′01"，東經110°45′58"～110°54′23"。錦源煤礦中央回風井2號回風石門自井底連接處(馬頭門)結束處開口，沿(4+5)煤層頂板施工，開口點底板標高+320 m，巷道設計長度為324.656 m，施工前期按0.7%下坡掘進，施工至217.5 m后，改為7°24′上山掘進，巷道設計斷面28.88 m2，凈寬5.5 m，凈高4.75 m，支護形式為錨網噴+錨索支護。隨著巷道7%下坡施工，預計該巷道向前施工29.7 m，將由巷道底板揭開(4+5)煤層。因此，在揭煤過程中應制定詳細的保障措施，以確保整個揭煤工作安全進行。

2 地質條件

錦源煤礦5(4+5)號井田整體為一緩傾斜的單斜構造，煤層厚度5.8 m，煤層傾角為5°，煤層走向為110°、未發現斷層、陷落柱，未發現巖漿活動，井田構造屬簡單類型。5(4+5)號煤層頂板為中細粒砂巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖或泥巖，局部為細砂巖和粉砂巖。根據現有地質資料分析，中央回風井 2號石門所屬區域5(4+5)號煤層，水文地質條件中等。本次施工揭露的地層位于二疊系下統山西組，本組含水層主要由K3等砂巖組成，巖性為細-粗粒砂巖，厚度變化大，裂隙不發育。5(4+5)號煤層頂板砂巖為直接充水含水層，厚0.8～16.4 m，厚度極不穩定。單位涌水量為0.003 14 L/(s·m-1)，屬弱富水含水層。因此，區內含水巖組以孔隙、裂隙充水為主水文地質條件簡單。根據礦井瓦斯基礎參數測定、涌出量測定和突出性評估，礦井為高瓦斯礦井，先期開采地段預測區域內5(4+5)號煤層，瓦斯含量小于8 m3/t。各煤層均為自燃或容易自燃煤層。回風石門巷道斷面，見圖1。

1—背木；2—U型鋼；3—混凝土；4—石門壁；5—套棚；6—錨索；7—錨索內托盤；8—錨索外托盤

3 石門揭煤工作面突出危險性的測定

瓦斯的壓力臨界值采用封孔測壓法測定[1]，將帶有1 MPa壓力表的孔口管壓蓋連接到孔口管上，詳細記錄壓力上升與時間的關系，直到壓力穩定為止。穩定后的壓力即為煤層瓦斯壓力。具體操作如下：

1) 瓦斯壓力表裝好后，指派專人記錄數據，記錄頻率按照瓦斯壓力表示數上升速度來定，初期一般變化0.1 MPa，即記錄1次，待瓦斯壓力上升的速度穩定后,一般1 h記錄1次；

2) 記錄內容分別為日期、瓦斯壓力表數據；

3) 當瓦斯壓力穩定不動24 h后，觀測過程結束；

在鉆孔見煤后，取4 m、8 m和12 m，用WCT測定儀測定各段K值，取最大值來判定瓦斯突出危險性[2]。

前探孔成孔情況，如表1所示。

表1 前探鉆孔實際成孔

4) 1號鉆孔P=0.25 MPa、2號鉆孔P=0.35 MPa、3號鉆孔P=0.5 MPa；

5) 前探鉆孔煤層段進行K1值測定(測定位置：4 m、8 m和12 m)，測定結果如下：

1號鉆孔K1值：4 m時為0.13、8 m時為0.08、12 m時為0.29。

3號鉆孔K1值：4 m時為0.19、8 m時為0.23、12 m時為0.22。

從實際測定結果分析該面測定指標：瓦斯壓力P最大值0.5 MPa小于0.6 MPa；K值最大值0.29小于突出危險性指標0.5，且在鉆孔施工過程中無其他動力現象，因此判定該工作面無突出危險性，可以進行揭煤施工。

4 石門揭煤保障措施

4.1 瓦斯防治技術

為防治掘進過程中的瓦斯事故，嚴格執行“邊探邊掘”的措施[3]，具體為：

1) 根據已探測的煤層實際情況，在巷道底板距煤層頂板法距10 m時執行“邊探邊掘”措施;

2) 根據已探測的煤層實際情況，另行制定邊探邊掘措施，措施中至少保證3個探煤鉆孔;

3) 施工探孔時，由項目部帶班領導和工作面跟班干部現場跟班監督探孔施工，施工單位負責記錄探孔數據，探孔施工結束后，施工隊組匯報項目部調度室，項目部向礦調度室匯報，瓦檢員匯報礦通風調度;

4) 根據巷道實際情況，當巷道底板與5(4+5)號煤層頂板巖柱法距達到1.5 m時，開始施工導硐，導硐施工期間，要嚴格控制巖層與煤層的法向距離不小于1.5 m，如遇底板巖層破碎時必須及時調整施工，特殊地質條件下出現巖層小于1.5 m時，可根據實際情況提前揭開煤層。

4.2 導硐揭煤爆破技術

根據探測實際情況布置炮眼，見圖2，利用導硐一次性爆破揭開5(4+5)號煤層。揭開煤層時爆破基本參數布置要求：炮眼按排間距500 mm×500 mm間隔布置，炮眼深度2.5 m，確保煤眼底進入煤層深度不小于1 m，考慮爆破效果施工炮眼時眼孔可向工作面掘進方向適當傾斜完全揭開煤層。

圖2 中央回風門石門斷面炮眼布置示意(mm)

4.3 揭煤支護方案

4.3.1 臨時支護

整個揭煤作業過程臨時支護采用輕型單體頂住網片進行，在單體頂住確認牢固之后方可進行錨、網施工。每張網片所用支撐單體不得少于2根(穿鞋帶帽)，臨時支護時必須有專人對單體進行監護，以保證單體支撐牢固，防止單體卸壓。

4.3.2 噴漿前錨網支護

1) 揭開煤層前執行“二掘一噴”、噴漿前須完成頂、幫錨桿，錨索支護，幫網滯后工作面不大于15 m[4]。

2) 工作面全斷面揭露煤層后巷道掘進時，執行該工作面掘進的作業規程有關規定。

4.3.3 施工至1.5 m法距導硐施工支護

1) 支護方式：“錨網”聯合支護[5]。

2) 錨桿：每排布置D22-M24-2 400 mm螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×1 000 mm、矩形布置；托盤為150 mm×150 mm×10 mm的鋼板。安裝錨桿前端頭先后裝填K2335、Z2360樹脂錨固劑各1支，錨固力不小于150 kN，預緊力矩不小于400 N·m，錨桿自螺母外露長度不大于40 mm。當錨桿支護失效時用D22-3 600 mm或其他規格錨索替代。

3) 網片：10號鐵絲而成，網格50 mm×50 mm，搭接長度為100 mm。連接網片使用D16 mm的鐵絲固定。

4) 導硐施工為過渡性支護，只采用錨網支護，不進行噴漿施工。

反底拱使用雙層鋼筋混凝土澆筑，混凝土強度等級為C30，鋼筋直徑為20 mm,間排距為250 mm,上下層間距為250 mm,U36鋼棚加強支護，棚間距1 000 mm,巷道頂幫噴漿混凝土強度等級為C20,圖3為回風石門支護斷面圖。

圖3 回風石門支護斷面(mm)

4.3.4 支護效果觀測

采用前進式鉆孔電視觀測圍巖內部情況，有效的評價支護效果如圖4所示。巷道支護后，為檢驗支護效果，對巷道圍巖變形量和變形速率進行了為期400 d的跟蹤觀測，結果如圖5所示?？梢钥闯觯T揭煤后巷道60 d內的圍巖變形較劇烈，兩幫移近速率最大值達13 mm/d，頂板下沉速率最大值為10 mm/d；60 d后巷道圍巖變形速率顯著降低，變形逐漸停止。經過400 d的觀測發現，巷道兩幫移近量最大值為349 mm，頂板下沉量最大值為323 mm，巷道斷面形狀已穩定，支護結構未出現顯著破壞，巷道狀況整體良好。

圖4 圍巖內部情況的鉆孔觀測

圖5 巷道變形隨時間的變化

5 結 語

本文對錦源煤礦回風石門揭煤快速掘進的保障工藝進行了詳細的分析。通過對石門揭煤工作面突出危險性進行測定，提出了石門揭煤保障的具體措施，包括瓦斯防治技術、導硐揭煤爆破技術和揭煤支護方案等，順利揭露中央回風石門(4+5)煤層，期間未出現任何瓦斯異常或者瓦斯動力顯現，效果顯著，對于煤礦安全、高效、可持續開采有著十分重要的意義，對類似礦井的安全生產也具有一定的借鑒意義。