煤與瓦斯突出底抽巷揭煤安全技術(shù)措施研究

劉連超

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治市 046205)

0 引言

目前在我國能源消費(fèi)中，煤炭資源具有不可替代的重要地位。隨著礦井開采深度的持續(xù)增加，煤礦開采條件愈加復(fù)雜，礦井安全生產(chǎn)問題突出，如頂板災(zāi)害、瓦斯、粉塵等[1-4]，尤其是瓦斯礦井帶來的煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故，成為影響煤礦安全高效生產(chǎn)的重大威脅[5-7]。因此，亟需開展瓦斯的治理研究工作。

在煤礦井下進(jìn)行石門揭煤，可能誘發(fā)煤與瓦斯突出事故，這是由瓦斯壓力、地應(yīng)力和煤巖體力學(xué)性質(zhì)等綜合作用的結(jié)果[8-9]。而各類煤與瓦斯突出事故中，在石門揭煤過程中誘發(fā)突出的平均強(qiáng)度最大[10-11]。學(xué)者們?yōu)榇碎_展了大量研究，目前主要的防突方法有松動爆破、穿層預(yù)抽鉆孔、水力沖孔卸壓等[12-13]。但是，單一的揭煤技術(shù)設(shè)計(jì)難以提供充分的安全保障，需要由技術(shù)方案、人員管理和環(huán)境設(shè)施建設(shè)等多方因素協(xié)同作用，以達(dá)到防治煤與瓦斯突出的目的。本文以某礦80-0305底抽巷揭煤為工程背景，結(jié)合工程特點(diǎn)，提出了全方位的揭煤防突方案。現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，該方案保證了80-0305底抽巷揭煤的安全、高效開展，并為后續(xù)相關(guān)生產(chǎn)建設(shè)活動提供堅(jiān)實(shí)保障。

1 工程概況

1.1 巷道概況

80-0305 底抽巷位于80采區(qū)，巷道全長1795 m，工作面標(biāo)高為265～408 m。80-0305底抽巷從8005回風(fēng)巷通道開口，與其成70°夾角，開口以后以8°腰線下坡掘進(jìn)至巷道頂板，距離煤層底板11 m后以 2.5°腰線掘進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。80-0305底抽巷及其附屬巷道掘進(jìn)對象為山西組中下部的3#煤層，3#煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。80-0305底抽巷為矩形斷面，寬4.5 m，高3.2 m。該底抽巷掘進(jìn)至1680 m時(shí)走10°腰線繼續(xù)向前掘進(jìn)，現(xiàn)停止掘進(jìn)，停掘位置距煤層法距為7 m，3#煤層與底抽巷相對位置如圖2所示。

圖1 3#煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

圖2 80-0305底抽巷與3#煤層相對位置

1.2 水文地質(zhì)概況

80-0305 底抽巷施工時(shí)，需揭穿 3#煤層，3#煤層厚度約為5.13 m，巷道掘進(jìn)中將依次穿過細(xì)粒砂巖、泥巖、3#煤。

巷道掘進(jìn)區(qū)域存在頂板 K8、K10砂巖含水層局部富水異常區(qū)，對巷道掘進(jìn)影響較小。預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)期間，正常涌水量為1.0 m3/h，最大涌水量為3.0 m3/h。巷道掘進(jìn)區(qū)域承受奧灰水最大水壓為3.70 MPa，奧灰水突出的可能性不大。巷道掘進(jìn)區(qū)域無采空區(qū)，掘進(jìn)中不受老窿水威脅。

1.3 瓦斯概況

經(jīng)現(xiàn)場檢測，在距離煤層法線大于10 m時(shí)，瓦斯涌出量為 1.13 m3/min。綜合煤層地質(zhì)信息分析，預(yù)計(jì)在距煤層法線大于等于2 m前，最大瓦斯涌出量為1.5 m3/min，進(jìn)入法線距離小于2 m至揭穿煤層期間，根據(jù)瓦斯地質(zhì)圖和實(shí)際測定數(shù)據(jù)，80-0305底抽巷掘進(jìn)工作面煤層原始瓦斯含量 19 m3/t，殘存瓦斯含量為2.39 m3/t，可解吸瓦斯含量為16.61 m3/t。3#煤層甲烷含量、瓦斯成分鑒定結(jié)果見表1。

表1 3#煤層甲烷含量、瓦斯成分測定結(jié)果

2 防突技術(shù)方案

2.1 “四位一體”綜合防突措施

本次揭煤采取“區(qū)域預(yù)抽+水力造穴+煤段下篩管+截流抽采” 區(qū)域綜合防突措施，揭煤施工步驟如下：

（1） 在80-0305底抽巷與3#煤層法線距離7 m處，開展區(qū)域綜合防突措施；

（2）80-0305底抽巷預(yù)抽達(dá)標(biāo)并檢驗(yàn)、驗(yàn)證合格后，80-0305底抽巷開始邊探邊掘邊驗(yàn)證，直至掘進(jìn)至距煤層5 m處；

（3）在距煤層5 m位置處進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，如達(dá)標(biāo)可邊探邊掘直至達(dá)到距煤層2 m處；如區(qū)域驗(yàn)證不達(dá)標(biāo)，采取局部防突措施，待達(dá)標(biāo)后邊探邊掘直至距煤層2 m處；

（4）在距煤層2 m位置處進(jìn)行最后驗(yàn)證，如達(dá)標(biāo)，采用短進(jìn)尺、遠(yuǎn)距離爆破的方法逐步揭開3#煤層；

（5）揭開煤層后，嚴(yán)格執(zhí)行“測10掘8”直至掘進(jìn)至全煤斷面；

（6）在全煤斷面采取第二輪區(qū)域預(yù)抽措施，達(dá)標(biāo)后，嚴(yán)格執(zhí)行“測10掘8”直至設(shè)計(jì)位置停掘。

2.1.1 7m處綜合區(qū)域防突措施

（1）區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測。采用煤層瓦斯壓力P和瓦斯含量W對井巷揭煤區(qū)域突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測：當(dāng)瓦斯壓力P≥0.7 MPa或瓦斯含量W≥8 m3/t，判定有突出危險(xiǎn)性；二是瓦斯壓力P＜0.7 MPa且W＜8 m3/t，判定為無突出危險(xiǎn)性。80-0305底抽巷掘進(jìn)至1680 m時(shí)走10°腰線繼續(xù)向前掘進(jìn)，現(xiàn)已停止掘進(jìn)。停掘位置距煤層法距為7 m，此處共布置測壓鉆孔3個(gè)（左1#鉆場、迎頭、右1#鉆場各布置1個(gè)），以此來預(yù)測煤層是否有突出危險(xiǎn)性。

（2）區(qū)域防突措施。若揭煤區(qū)域有突出危險(xiǎn)性，則需采取區(qū)域防突措施。本次巷道揭煤在巷道掘進(jìn)至距煤層法距7 m時(shí)，采取“區(qū)域預(yù)抽+水力造穴+煤段下篩管+截流抽采” 區(qū)域綜合防突措施。本次共布置區(qū)域預(yù)抽鉆孔84個(gè)（左1#鉆場、迎頭、右1#鉆場各布置28個(gè)），控制巷道兩側(cè)各15 m，控制巷道前方117 m；其中左1#鉆場和右1#鉆場的56個(gè)鉆孔全部為造穴鉆孔，鉆孔從進(jìn)入煤層1 m后開始造穴，造穴段長度為1 m，每間隔10 m造穴1個(gè)。

（3）區(qū)域措施效果檢驗(yàn)。本次巷道揭煤區(qū)域措施效果檢驗(yàn)采用綜合效果檢驗(yàn)法，檢驗(yàn)孔須確保無噴孔、頂鉆、夾鉆等動力現(xiàn)象。

（4）區(qū)域驗(yàn)證。經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)區(qū)域措施效果有效后，在巷道掘進(jìn)至距3#煤層法距5 m時(shí)，采用“鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法”，對揭煤區(qū)域進(jìn)行一次區(qū)域驗(yàn)證。

2.1.2 5m處局部綜合防突措施

（1）突出危險(xiǎn)性預(yù)測。距3#煤層法距5 m時(shí)的區(qū)域驗(yàn)證結(jié)果可用作工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測。

（2）防突措施。采用“鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法”進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)測定結(jié)果，判斷是否需要制定專項(xiàng)防突措施并實(shí)施。

（3）防突措施效果檢驗(yàn)。采用“鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法”對工作面措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)不合格，則在距3#煤層法距5 m處繼續(xù)實(shí)施工作面防突措施，直至效果檢驗(yàn)合格。

（4）安全防護(hù)措施：根據(jù)工作面作業(yè)時(shí)當(dāng)班人數(shù)5～8人，在距工作面掌子頭25～40 m巷道內(nèi)布置2組壓風(fēng)供水自救裝置，在工作面向外500 m的避難硐室內(nèi)布置2組壓風(fēng)供水自救裝置。

2.1.3 2m處驗(yàn)證

當(dāng)巷道掘進(jìn)至與煤層法向距離2 m時(shí)，進(jìn)行最后驗(yàn)證，若有突出危險(xiǎn)性，需補(bǔ)充防突措施。

由于3#煤層屬于緩傾斜煤層，煤層傾角為-3°～-7°，揭煤巷道掘進(jìn)至與煤層法相距離2 m位置，與揭煤水平距離為10.9 m，預(yù)計(jì)14個(gè)循環(huán)后（0.8 m排距），通過遠(yuǎn)距離爆破逐步揭開3#煤層。

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

80-0305 底抽巷全巖段采用3根玻璃單體液壓支柱進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，如圖3所示。半煤巖、全煤段的臨時(shí)支護(hù)采用前探梁和小梁共同進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，金屬前探梁采用2根長度不小于3.5 m，直徑為0.1 m的空心鋼管，每根空心鋼管用不少于2副前探梁固定在錨桿或工字鋼棚梁上。

圖3 巷道臨時(shí)支護(hù)（單位：mm）

巷道永久支護(hù)采用樹脂加長錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，巷道永久支護(hù)如圖4所示，支護(hù)參數(shù)如下：

圖4 巷道永久支護(hù)（單位：mm）

（1）采用 Φ30 mm×1208 mm 樹脂加長錨桿，錨固力為200 kN，全巖段與煤層底板設(shè)置為每排3根錨桿，間距為 1.3 m；半煤巖、煤巷段設(shè)置為每排4根錨桿，間距為0.9 m。

（2）采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格為 50 mm×50 mm，規(guī)格為 2.9 m×1.0 m，由 16#鉛絲聯(lián)接。

（3）

全巖段巷道采用Φ16 mm的單鋼筋焊接而成，規(guī)格為4100 mm×80 mm，半煤巖、煤巷段采用Φ16 mm的雙鋼筋焊接而成，規(guī)格為4100 mm×100 mm。

80-0305 底抽巷全巖段與煤層底板法線距離小于2 m的巷道，如出現(xiàn)頂板破碎等情況，采用“錨網(wǎng)+工鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方式。工鋼棚規(guī)格為梁長3.4 m，腿長3.3 m，棚距800 mm，所有工鋼棚均上4道串梁、拉桿。

2.3 爆破管理

此次爆破采用礦用三級乳化炸藥，正向裝藥結(jié)構(gòu)，由專用起爆器遠(yuǎn)距離起爆。雷管和火藥的領(lǐng)取、運(yùn)送、加工、使用、退庫嚴(yán)格按規(guī)定執(zhí)行。

爆破人員由專職爆破工擔(dān)任，認(rèn)真執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖”爆破制度。各爆破位點(diǎn)具體爆破方案見表2。

表2 各位點(diǎn)爆破方案

2.4 防止瓦斯超限管理

2.4.1 通風(fēng)管理

現(xiàn)場瓦斯測試期間，該區(qū)域瓦斯涌出量為1.113 m3/min，預(yù)計(jì)揭煤過程中，最大瓦斯涌出量為 1.5 m3/min。工作面揭煤期間，4臺FBD-No7.1/2×45kW型風(fēng)機(jī)對旋壓入式風(fēng)機(jī)（2臺運(yùn)轉(zhuǎn)，2臺備用），配套直徑1000 mm膠質(zhì)阻燃風(fēng)筒向巷道內(nèi)通風(fēng)。為保證通風(fēng)系統(tǒng)正常，防止瓦斯事故擴(kuò)大，對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施制定合理的管理措施并嚴(yán)格落實(shí)。

2.4.2 瓦斯管理

采用自動監(jiān)測和人工檢測相結(jié)合的方式，建立瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。人工檢測配置專門瓦斯檢查人員，對揭煤工作面附近設(shè)備分別進(jìn)行4次以上檢查；自動監(jiān)測施工期間設(shè)置監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，按規(guī)定設(shè)置傳感器報(bào)警點(diǎn)、斷電點(diǎn)和復(fù)電點(diǎn)。

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場底抽巷揭煤實(shí)際施工情況，在某礦80-0305底抽巷成功應(yīng)用全方位防突揭煤方案后，有效避免了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，安全、高效地揭穿了3#煤層，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。實(shí)踐證明，方案采取的施工工藝和技術(shù)管理措施，符合工程實(shí)際需要，方案設(shè)計(jì)理念具有極高的工程適應(yīng)性，有較強(qiáng)的推廣價(jià)值，可為類似工程背景下的揭煤方案設(shè)計(jì)提供參考。