井巷揭煤作業綜合防突措施研究

趙錦剛，宋麗強，雷東記

(1.潞安礦業集團公司 通風處，山西 長治 046204； 2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

目前，我國大部分礦井的綜掘進度基本上能滿足生產要求，但對于高瓦斯突出危險煤層煤巷掘進來說，由于其具有煤與瓦斯突出危險性大、瓦斯涌出量高等特點，致使掘進速度放慢，嚴重影響礦井巷道掘進速度和安全生產[1-2]。因此，實現高瓦斯突出危險煤層煤巷安全快速掘進已成為亟待解決的關鍵技術難題。我國學者對此進行了相關技術研究[3-6]，蘇現波等[7]采用水力強化增透技術在鶴壁礦區和焦煤礦區進行了工業性試驗；馮文軍[8]在焦煤中馬村礦進行了水力連續沖孔快速揭穿突出煤層研究，單純鉆孔抽采效率提高了60%以上，比常規水力沖孔效率提高了20%以上，取得了豐碩的成果。但針對復雜地質條件下大埋深、高應力、高瓦斯的煤巷掘進防突技術研究相對較少。本文主要根據具體工程實踐，探討出一套適應于潞安礦區單一煤層、高地應力、高瓦斯區域條件下的井巷揭煤管理和技術模式。

1 礦井概況

潞安礦區主采3號煤層，近年來隨著開采水平的不斷延深，埋深逐漸增大，礦區部分礦井3號煤層已經出現明顯的瓦斯動力現象，預防煤與瓦斯突出災害成為保障安全高效生產的重要因素之一。而井巷揭煤作業又是最容易發生突出、最危險的一項作業[9-10]，更需要實施嚴格的過程管控。

目前，潞安礦區主體礦井的井巷揭煤防突綜合體系建設尚處于起步階段，存在生產管理部門揭煤現場信息處理不同步、揭煤管理效能低、采用技術相對落后、揭開突出危險性煤層風險性大、占用時間長、驗證指標單一等問題。從A礦進風井井筒揭煤開始，已先后累計完成25次高瓦斯區域揭煤，總結近年來井巷揭煤的經驗，摸索出一套適應于潞安礦區單一煤層、高地應力、高瓦斯區域條件下井巷快速安全揭煤的管理和技術模式很有必要。

2 井巷揭煤管理

2.1 潞安礦區井巷揭煤技術路線

為了在井巷揭煤作業中避免盲目性，確保有效性、提高可靠性、做到超前性，構建起揭煤防突技術和管理綜合體系，對井巷揭煤作業綜合防突措施嚴格過程管控、科學開展評判。

針對井巷揭煤作業，潞安集團層面制定了潞安礦區井巷揭煤技術路線圖(圖1)，為工程所需的人員、時間和設備做好規劃準備，確保揭煤工作正規有序進行。

圖1 井巷揭煤防突技術路線Fig.1 Roadmap of technology roadmap for uncovering coal and preventing outburst in shaft

2.2 井巷揭煤管控流程

在工程實踐的基礎上，建立“井巷揭煤作業雙流程管控法”，包括技術流程及管理流程(圖2)，在多個地點的揭煤過程中，試驗了以多參數循環預測、鉆孔重疊推進式隔離屏障、短掘短支淺進式穿過煤層為主要內容的揭煤模式，配套多種煤體卸壓增透新技術，建立殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量[11]、K1值[12]、煤體膨脹變形量、煤層含水率、圍巖變形量為主的多項效果檢驗指標，井巷揭煤成功率達到99%，取得了較好的技術和經濟效益。

2.3 揭煤作業操作步驟

在揭煤作業過程中，要求嚴格執行既定工序，按設計組織施工，礦井要有統一的組織管理安排和措施，否則稍有疏忽就有可能引發煤與瓦斯突出事故；在具體工作中，各工序都要嚴格落實到人[13]。通過多次反復的井巷揭煤操作，規范了融合潞安管理體系的“揭煤期間正規操作流程圖”，將揭煤各工序分解細化、指標量化，揭煤時將流程圖分別掛設在地面調度室(指揮部)和井下現場(遠距離起爆點)，一步一匯報、一步一記錄，做到井上下信息同步、操作透明，切實壓實各級操作人員責任，確保細枝末節把控到位、安全可靠。

3 工程質量保障

3.1 工程設計

制定設計管理流程，由設計單位編制揭煤專項設計，礦級層面進行內部審查，上報集團后組織專家會審，經集團技術負責人批準后組織實施。

圖2 井巷揭煤作業雙流程管控Fig.2 Two-process control diagram of uncovering coal in shafts

3.2 工程施工

(1)鉆孔質量管理。每組鉆孔的開孔角度進行抽檢，出具“穿層鉆孔施工質量抽檢表”；采用鉆孔測斜儀、鉆孔軌跡儀等對鉆孔軌跡進行抽檢，從打鉆源頭控制鉆孔覆蓋預抽煤體區域不留空白區。

(2)鉆孔濃度管理。制定了以鉆孔濃度為主要指標的“穿層鉆孔及水力沖孔施工管理制度”，鉆孔驗收進尺與濃度掛鉤，通過進尺與工資掛鉤倒逼施工隊組嚴格鉆孔施工質量。

(3)施工進度管理。引進煤體增透設備，增加鉆機數量、優化施工組織，保證穿層鉆孔的施工進度。

3.3 工程驗收

(1)安裝打鉆視頻監控系統，對打鉆過程進行全程錄像，對退鉆桿進行驗收。利用檢查、跟班、抽檢、巡查等對施工的鉆孔和管路延伸進行抽查和驗收。

(2)對封孔、并網、在線計量裝置的安裝進行多部門聯合驗收。

(3)開展人工測量與在線計量的相互驗證，確保抽采計量的連續性和準確性。

3.4 工程評判

鉆孔工程完成后，區域預抽效果評價執行“預期達標評估”和“實測指標評判”兩步核準機制。

(1)揭煤區域作為獨立的評價單元，按標準安裝抽采在線計量裝置，首先進行抽采達標預評估，編制“井巷揭煤區域治理預期達標評估報告”，評估報告必須報集團通風部門備案。

(2)預期評估達標后，進行現場實測指標評判，實測評判由集團公司層面進行現場殘余瓦斯含量的實測并出具評判報告，區域措施效果檢驗達標后，進入下一步局部綜合防突措施環節。

4 技術迭代升級

揭煤是礦井安全生產的一項十分困難且關鍵的工作，要實現安全快速揭煤，消除煤層突出隱患，則必須采取一定的綜合防突技術，以期縮短瓦斯治理達標時間，減小礦井生產成本。綜合防突措施主要體現在安全防護、遠距離爆破、邊探邊掘等，并依據工作面效果檢驗，實施揭煤作業。

針對潞安礦區地質特點，制定了揭煤總體思路：煤層區域卸壓→煤體區域增透抽采→掘進期間巷道輪廓線外煤體加固→嚴格掘進期間局部防突管控。

本文礦井綜合防突措施采用的技術主要歸為以下3類：①密集普鉆鉆孔(孔間距2 m)+PE篩管技術；②全程機械掏穴擴孔(φ260 mm)+圍巖注漿技術；③水力造穴鉆孔(造穴間距6 m、出煤量1 m3)+鋼篩管+圍巖注漿技術。

4.1 密集普通鉆孔技術

密集普通鉆孔技術是一種通過合理布設高密度鉆孔以期實現強化煤層瓦斯抽采，另一方面該項技術能夠破壞煤體結構，連通裂隙，對周邊區域煤體產生卸壓增透的效果。以A礦進風井第1階段揭煤為例，揭煤區域共布置普通鉆孔121個(孔間距4 m)、氣相壓裂鉆孔31個，鉆孔孔徑94 mm，覆蓋井筒輪廓線以外15 m。

(1)第一次組織實施揭煤作業，抽采時間過長，鉆孔抽采純量及濃度衰減過快，單純普通孔抽采對于井筒揭煤效果欠佳，抽采鉆孔衰減速度快。

(2)無論從管理上還是技術上經驗欠缺，均不能保障安全高效揭煤，更不能滿足礦井生產銜接需要。

4.2 機械掏穴技術

機械掏穴技術是針對突出煤層通過在鉆孔內安裝刀臂進行煤體切割，使煤層內部產生較大體積的孔洞，從而實現增大煤層透氣性、擴大抽采半徑，進而強化煤層快速抽采瓦斯。

以A礦進風井井筒第二階段揭煤為例，先截斷工作面原有121個抽放孔的封孔PE管，使用φ156 mm鋼管護孔后澆注300 mm混凝土墊層。等待墊層凝固在原有鉆孔的基礎上重新布孔，鉆孔數量44個，孔間距6 m，覆蓋井筒輪廓線以外20 m，采用機械掏穴技術，煤段鉆孔直徑由94 mm擴至260 mm，輪廓線以外鉆孔下鋼篩管。

(1)進風井揭煤是該區域首次揭穿3號煤層，原巖應力未得到充分釋放，揭開煤層后，由于煤層段卸壓區的存在，遠端瓦斯往井筒處運移，被最外圈抽采鉆孔攔截抽采，運移瓦斯難以對井筒掘進造成影響。

(2)原巖應力區首次揭煤應重點關注應力的釋放，應力釋放優先度高于瓦斯釋放及抽采，應力得到釋放會促進煤層吸附瓦斯解吸。

(3)截流抽采[14]及帷幕注漿能有效抑制遠端運移瓦斯對揭煤時井筒瓦斯涌出的影響；揭煤期間抽采純量增大，說明遠端煤體應力釋放強度仍欠佳。

4.3 水力造穴技術

水力造穴技術是在工作面無人的情況下利用高壓水射流對鉆孔周圍的煤體進行切割，形成一個較大尺寸的孔洞，增加煤體暴露面積，給煤層內部卸壓，利用水流將切割下來的煤體帶出孔外。在鉆孔內部形成的孔洞使周圍煤體充分卸壓，瓦斯滲透率大幅度提高，煤層中的瓦斯得到解吸和釋放，從而釋放出瓦斯內能，降低煤體中瓦斯含量。以A礦采區進風巷(南)為例，掘進面及兩側鉆場共布置84個水力造穴鉆孔[15]，造穴間距6 m，相鄰鉆孔起始造穴位置相距2 m，覆蓋巷道輪廓線左右兩側15～20 m，鉆場內鉆孔下金屬篩管(起到金屬骨架作用)、掘進面鉆孔下PE篩管。依據“強—弱—強”圍巖應力控制結構模型，金屬骨架及圍巖注漿通過內強支護結構明顯控制住支護區域的應力應變環境[16]，進入揭煤作業環節采用頂幫加長注漿錨索進行圍巖帷幕注漿加固，對軟巖進行注漿加固時，提高錨桿預應力和增加注漿效果[17]，尤其是過斷層期間嚴格執行超前注漿，掘一支一注一循環。

(1)采用水力造穴工藝后，揭煤區域的抽采效率明顯提高，抽采達標時間平均降低2.5個月。

(2)煤體區域卸壓效果明顯，揭煤后未見截流抽采鉆孔純量突然增大現象。

采用“水力造穴+鋼篩管+圍巖注漿”組合技術，無論從抽采達標時間，還是揭煤后瓦斯涌出量變化，均好于其他2種，形成了適用于潞安礦區單一煤層條件下的揭煤技術。

5 效果檢驗指標

5.1 煤體殘余瓦斯含量

檢驗指標優先采用殘余瓦斯含量指標，根據現場實際，增加揭煤時回風流瓦斯濃度指標作為檢驗參考指標(表1)。

表1 揭煤前殘余瓦斯含量及揭煤時瓦斯濃度Tab.1 Residual gas content before uncovering coal and gas concentration when uncovering coal

5.2 煤體膨脹變形量

(1)煤體膨脹變形量。采用出煤量與控制區域煤儲量比值，即煤體膨脹變形量來考察煤體膨脹變形量(表2)。

表2 煤體膨脹變形量Tab.2 Scale of expansion and deformation of coal body

(2)揭煤區域水力造穴應力變化。利用鉆孔應力計測試造穴鉆孔周圍不同距離處的相對應力變化情況，分析水力造穴的影響作用范圍。隨著水力造穴對周邊煤體的卸壓作用隨著距離的增大而減小，在1.0～2.5 m處均能有較為明顯的卸壓作用，在3.5 m后的卸壓作用則十分微弱(圖3)。對不同距離處的相對應力數據進行連續的跟蹤，相對應力數值隨時間的變化趨勢基本一致(圖4)。

圖3 造穴過程中不同間距處相對應力下降值Fig.3 Relative stress drop value at different intervals during the process of cavitation

圖4 水力造穴后不同間距處相對應力隨時間變化規律Fig.4 Relative stress at different intervals after hydraulic cavitation changes over time

在水力造穴鉆孔周邊2.5 m范圍內，卸壓持續時間長、速率快、幅度大，水力造穴的卸壓效果明顯；在水力造穴鉆孔周邊2.5～3.5 m內，卸壓持續時間、速率、幅度與2.5 m范圍內相比均有所降低，水力造穴雖然能產生一定的卸壓效果，但相對較弱；在水力造穴鉆孔周邊大于3.5 m范圍，水力造穴卸壓效果不明顯。

5.3 煤體含水率

(1)水力造穴補水范圍的測量。采用水力化措施后，通過周邊裂隙對煤層進行補水，可采用水分測試推算水力造穴對煤層補水范圍。在水力造穴鉆孔造穴里程20、50、80 m處附近，選取造穴孔的非造穴段，在鉆孔周邊沿水平、垂直方向，間距0.3、0.2、0.2、0.2、0.2 m各布置5個取樣孔，鉆孔長度2 m，取樣深度2 m，取樣質量3 kg，分析不同造穴里程下煤層補水范圍。在測試范圍內煤層平均水分由原煤的1.09%增加到3.16%，最大達到5.15%；根據各水分測試點變化規律計算，補水范圍半徑為2.6 m。

(2)水分對甲烷解吸速度的影響。揭煤取樣并經過粉碎得到煤礦3號煤層粒度0.17～0.25 mm煤樣，經過煤的自然解吸實驗，觀測出隨著煤的含水率的增加，可以有效地防止遠端或區域措施控制范圍內的瓦斯突然大量解吸；隨著水分的增加，瓦斯解吸速度的衰減速度不斷減慢，煤中甲烷的解吸變得比較均勻，不易出現掘進時掘進區域稍遇擾動就大量釋放甲烷的情況。實驗結果驗證了水力造穴鉆孔抽采純量衰減緩慢和巷道揭煤期間回風流瓦斯濃度低的原因，也說明水力化措施對揭煤安全有促進作用。

5.4 巷道圍巖變形量

(1)監測孔的布置。揭煤前5 m處往巷道兩側各施工1個監測孔(孔徑75 mm)，覆蓋巷道兩側25 m，在巷道揭煤期間每掘進5 m，再次施工一組監測孔，累計施工6組共計12個監測孔。成孔后先觀測鉆孔孔徑變化，再下變形觀測管(通過變形管內的液體變化量來反映煤體變形)，連續觀測隨巷道掘進過程中深部圍巖的變形狀況。

(2)鉆孔孔徑變化。區域措施范圍內鉆孔孔徑變化較小，區域措施以外鉆孔孔徑明顯出現擴徑現象，說明措施范圍內卸壓抽采效果明顯，以外區域則存在孔壁瓦斯快速解吸造成塌孔現象(表3)。

表3 巷道一側鉆孔孔徑變化Tab.3 Drilling hole diameter change on one side of roadway

巷道以外10～15 m處變形量最大，但換算到鉆孔孔徑形變僅6 mm。采用金屬骨架及帷幕注漿后，起到抵抗遠端圍巖往巷道移動的作用，進而降低了遠端瓦斯的快速解吸，并運移到巷道范圍的可能(表4)。

表4 巷道一側變形管最終監測數據Tab.4 Final monitoring data of deformed pipe on one side of roadway

5.5 綜合效果評價

綜上所述，針對A礦揭煤作業中瓦斯壓力大，涌出量高的特點，采用“水力造穴+鋼篩管+圍巖注漿”組合技術對煤層瓦斯突出進行治理，發現水力造穴對周邊煤體的卸壓作用在1.0～2.5 m處卸壓作用最明顯，隨著距離增加卸壓持續時間、卸壓速率、卸壓幅度均有所降低，而在大于3.5 m的范圍，卸壓作用則十分微弱；測試范圍內煤層平均水分增加，最大達到5.15%，水力造穴釋放孔造穴期間對煤層補水半徑在2.6 m范圍內，且隨著煤層含水率的增加，瓦斯解吸速度不斷減慢并變得均勻，測試效果較好。因此，應用組合措施可逐步形成一套成熟的單一高瓦斯煤層揭煤技術，可有效防止揭煤作業中煤與瓦斯突出事故的發生，為礦井安全生產作業提供了有力保障。

6 結論

(1)井巷揭煤作業綜合防突應做到管理與技術并重，二者不可偏頗，以問題為導向，用結果求證過程，用過程管控結果。

(2)在地質構造帶附近采用內置金屬骨架及圍巖注漿技術，可減緩遠端圍巖高地應力高瓦斯傳遞對巷道周邊的沖擊。用“水力造穴鉆孔+鋼篩管+圍巖注漿”技術，通過區域卸壓、補水、圍巖應力控制，三者相輔相成，實現了高效安全揭煤。

(3)效果檢驗指標以殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力、K1值為主，也可以將煤層含水率、煤體膨脹變形量、圍巖變形量作為效果檢驗輔助參考指標。但仍需嚴肅開展區域效果檢驗，以強化區域措施的過程管控。

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