厚煤層突出礦井立井筒快速揭煤實踐研究

蘇 龍，白廷海

(中煤華晉集團有限公司，山西 運城 043300)

0 引言

該礦井隸屬中煤華晉集團晉城能源有限公司，礦井主采煤層為山西組3號煤層，全井田煤厚2.50～6.80 m，平均厚5.19 m；單綜采工作面生產，一次采全高。采礦證范圍內設計可采儲量為153.57 Mt，礦井設計生產能力為4.0 Mt/a，服務年限27.4 a。礦井采取綜合開拓方式，工業場地內布置主斜井、副立井，風井場內布置進風立井、回風立井。井田內煤層主要分布在二疊系下統山西組(P1s)和石炭系上統太原組(C3t)。含煤地層總厚153.32 m，共含煤15層，自上而下為1、2、3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16、17號煤層，煤層總厚11.05 m，含煤系數為7.21%。含全區穩定可采煤層2層(3號和15號煤層)。

3號煤層瓦斯含量范圍為15.19～23.02 m3/t，瓦斯殘存量3.02 m3/t。煤層瓦斯含量與煤層埋深存在W=0.026 1H-5.693 8的統計規律，對3號煤層瓦斯含量測定結果及瓦斯組分分析可知3號煤層處于甲烷帶內。中煤科工集團沈陽研究院有限公司2014年11月編制的《3號煤層突出危險性評估報告》結論為改礦井屬煤與瓦斯突出礦井。相鄰的煤礦主要有大寧煤礦、端氏煤礦和東大煤礦等礦井，均屬于沁水煤田二疊系下統山西組3號煤層，且為煤與瓦斯突出礦井。他們均采用傳統模式揭煤，抽采約6個月，嚴重影響礦井建設總工期。

1 揭煤施工方案

1.1 井筒區域地質情況

進風立井周邊地層正常，未發現斷層、陷落柱等構造。3號煤層頂板主要為細粒砂巖、泥巖，煤層底板主要為泥巖、中粒砂巖、泥質灰巖。根據進風立井井檢孔資料，施工過程中揭露1號、3號、5號、9號、10號、11號共6個煤層，其中，3號煤層厚度6.75 m，其他煤層實測厚度均小于0.3 m。在施工前探鉆孔期間，對3號煤層進行了瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數、孔隙率、吸附常數等指標測定及工業分析，測定結果：瓦斯含量W最大值為27.49 mm3/t，瓦斯壓力P最大值為3.2 MPa，瓦斯放散初速度ΔP最大值為23.4，煤的堅固性系數f值為0.85；吸附常數a為36.896，吸附常數b為1.016，灰分Aad為12.35%，水分Mad為1.27%，揮發分Vdat為7.29%，真密度TRD為1.510 t/m3，假密度ARD為1.439m ，孔隙率為4.72%。

1.2 井筒施工工藝

進風立井井筒直徑φ8.5 m，凈斷面56.7 m2，井深582.5 m(不含鋪底厚度)。井口相對標高±0.000 m(絕對標高：+837.500 m)，井底車場相對標高-557.500 m(絕對標高：+280.0 m)，井筒落底相對標高-582.500 m，井筒采用普通爆破鑿井法施工。根據探煤孔成果，井深-508.5 m處揭開3號煤層、井深-515.3 m處穿過3號煤層。設計井深-489～-498.4 m段、-520.3～-582 m掘進半徑為4 850 mm，掘進斷面面積為73.9 m2，支護形式為雙層鋼筋單層混凝土井壁支護。豎向鋼筋均為HRB400φ20@275 mm(外層豎筋HRB400φ20@300 mm)，環向鋼筋均為HRB400φ25@300 mm，箍筋為HPB300φ10@600 mm。井壁厚度600 mm，混凝土強度等級C50；井深-498.4～-520.3 m段掘進半徑為5 150 mm，掘進斷面面積為83.3 m2。豎向鋼筋均為HRB400φ20@275 mm(外層豎筋HRB400φ20@324 mm)，環向豎筋均為HRB400φ25@300 mm，箍筋為HPB300φ10@500 mm。井壁厚度900 mm，混凝土強度等級C50。

1.3 揭煤段施工順序

在距3號煤層法距7 m前防突抽采效果檢驗合格后—拆除瓦斯抽采管路(保留最外圈(井壁)50個鉆孔，保證揭煤爆破作業期間能繼續對揭露煤層進行瓦斯節流抽采)—砌壁前瓦斯抽采管處理和改造—澆筑-494.8 m至水泥墊層段井壁—將匯流管延長至上層吊盤與抽采主管路連接—提模板破除水泥墊層—掘進施工至法距5 m前并進行區域驗證—邊探邊掘至法距2 m前進行揭煤前驗證—驗證無突出危險后用遠距離爆破揭開3號煤層(第1次)，繼續采取遠距離爆破進入3號煤層底板以下最小法向距離2 m位置，到此完成揭煤作業全過程。

施工過程中采用4.0 m高度液壓伸縮整體下移式金屬模板砌壁，段高累計4 m即進行綁扎鋼筋、校正模板、澆筑混凝土等工作。每模混凝土澆筑完后，待混凝土凝固4～6 h后進行清底工作。

2 綜合防突措施

2.1 揭煤前的準備

2.1.1 建臨時瓦斯抽采系統

風井場地建立一處臨時地面瓦斯抽采泵站為進、回風立井穿層鉆孔預抽揭煤區域煤層瓦斯服務，安裝2臺(一用一備)ZWY110-160-G移動抽放泵，最大抽氣量為115 m3/min(2BEC40泵頭，轉速490 r/min，用水量4.2～9.9 m3/h，減速機傳動，電機160 kW，1 140/660 V)，布置在真空泵間內。

進風立井內敷設1趟DN300(φ325 mm×4)螺旋鋼管路(長度為480 m，雙鋼絲繩、鋼夾板吊掛)與區域預抽鉆孔相連接進行瓦斯抽采工作。在井下所有鉆孔封孔完畢后，將249個預抽孔分成8組分支管，每組并網孔數31～32個。8個分支器使用φ108 mm鋼絲編織膠管在中層吊盤匯流到2個匯流箱上，然后2個匯流箱使用4根φ159 mm鋼絲編織膠管接到DN300抽采主管路上。管路分支器、分支器匯流箱和總管路匯流器如圖1所示。

a-分支器；b-總管路匯流器；c-分支器匯流箱圖1 管路分支器、分支器匯流箱和總管路匯流器示意Fig.1 Schematic diagram of pipeline branch，branch combiner box and main pipeline combiner

2.1.2 建防突實驗室

實驗室設在主工業廠區救護樓一層，主要儀器設備有高壓容量法吸附裝置、瓦斯含量測定裝置、瓦斯含量快速測定儀、瓦斯放散初速度自動測定裝置、煤的堅固性系數測定裝置、瓦斯壓力測定儀、深孔快速取樣裝置、煤樣制樣裝置、煤層工業分析裝置、氣相色譜儀、全自動密度儀、瓦斯突出測定儀、突出危險預報儀、防突儀器標準校驗儀、瓦斯抽放管道參數測定儀、實驗氣體。

通過選派專業技術人員培訓取證，同時到寺河煤礦下井和地面實驗室跟班學習，進一步提升關鍵崗位人員的實操動手能力，確保了揭煤期間多次參數測定的準確度。特別是突出危險性參數與沈陽院技術人員攜帶儀器測定的結果一致。

2.2 區域防突措施

2.2.1 區域預測

在井底工作面距煤層法距20 m處，首先施工2個穿透該煤層全厚且進入底板0.5 m以上的前探鉆孔，孔徑φ94 mm，超前探測煤層產狀變化及位置，探明有無地質構造。鉆機使用ZDY3500L(Q)煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(該鉆機電動機功率45 kW、鉆桿直徑73 mm、輸出扭矩850～3 500 N·m、正常推進速度0～1.5 m/min、鉆孔傾角-90°～+90°)。鉆孔布置如圖2所示，設計參數見表1。

a-進風井探煤孔平面布置;b-進風井探煤孔剖面圖2 法距20 m處超前探測鉆孔平面及剖面Fig.2 The plane and section of the advanced detection drilling hole at the normal distance of 20 m

表1 鉆孔的設計參數

2.2.2 區域防突措施

設計預抽鉆孔249個，布置在8圈同心圓周上，最外圈鉆孔控制在井筒輪廓線外12 m(3號煤層頂板)、22.655 m(3號煤層底板)，圓心布置1個，從圓心向外編號0～8。鉆孔開孔間距0.56～0.59 m，鉆孔在煤層頂板上間距1.95～2.0 m(實際抽采半徑0.9～1.0 m)，各孔均穿透煤層并進入底板不小于10 m，所有預抽孔孔徑均為φ113 mm。鉆孔布置如圖2所示，鉆孔的設計參數見表2。

表2 揭煤預抽鉆孔布置參數

打鉆前施工隊制定了細到每個人、每個環節，甚至每天的具體實施方案，并開展了為期1個月的模擬演練。打鉆時，施工隊克服有限空間下向鉆孔施工中的困難，強化現場管理，確保了鉆孔施工的安全和進度，最終僅用1個月時間安全施工鉆孔6 000 m。

鉆孔施工過程中利用掏穴鉆頭對1/4的抽采鉆孔進行增透，部分鉆孔擴孔增透主要是將煤段鉆孔孔徑由φ113 mm掏穴擴大至φ260 mm，增大抽采表面積、抽采量，增強卸壓作用。擴孔作業：①使用φ113 mm鉆頭先將鉆孔鉆至過煤3.0 m，停鉆并將鉆孔內所有鉆桿和鉆頭拆出來；②換用φ94～260 mm擴孔鉆頭接續至見煤并進入煤層中0.5 m，開動鉆機擴孔鉆進直至穿透3號煤層；③鉆孔擴孔過程中必須高速旋轉、慢速推進，推進速度控制在1.0 m/5 min，每根鉆桿都要推進—退出—推進反復操作，確保鉆孔擴孔后孔徑符合要求；④擴孔完畢后將鉆桿接續至孔底使用高壓水沖凈孔底巖(煤)屑。鉆孔布置及掏穴如圖3所示。

圖3 鉆孔布置及掏穴平面Fig.3 Drilling arrangement and hole digging plane

3 抽采方式

3.1 封孔并網

因井下鉆孔較多，為加快鉆孔施工進度，在保證安全的前提下可對鉆孔分2類處理。最外圈(第8圈)預抽孔采取“成一孔封堵一孔抽采一孔”方法，鉆孔成孔后立即清孔封孔，并網連接到分支器上進行孔內瓦斯抽采作業。內七圈(第0圈、第1～7圈)預抽孔單個鉆孔完成后，如孔內無噴孔現象且瓦斯量涌出較小，采取安裝臨時封孔裝置保護措施，防止雜物掉入，待鉆孔全部完成后統一封孔；如單個鉆孔向外涌出瓦斯量較大，利用已加工的臨時封孔預抽裝置蓋在鉆孔上，臨時封孔預抽裝置上設有抽采裝置連接到分支器上進行抽采，待鉆孔全部鉆進完畢后，進行永久封孔。

3.2 鉆孔的封孔

預抽鉆孔封孔采用“兩堵一注”的方法。孔內下管長度8 m，封孔長度6 m，第0～7圈預抽孔采用DN50×3 mm×4 m的PVC管封孔(管路之間使用PVC管箍連接)，第8圈預抽孔采用DN50×5 mm×4 m的焊接鋼管封孔(管路之間使用DN50管件直通連接)，封孔時管路外露長度不大于0.2 m。

為提高封孔質量，采用FKJW-86/1氣動液壓封孔器進行注漿封孔，注漿漿液采用礦用瓦斯抽采專用封孔材料(KFGP-Ⅲ型，每孔使用量不得少于3袋)，封孔有效長度為6 m。

3.3 抽采計量

單孔抽采參數計量采取每20個單孔上安設20個CK-50型氣體流量計，盡量做到均勻分布，抽采期間實時計量單孔的瓦斯抽采參數變化情況及累積量。如發現抽放參數及抽放量與設計預估偏差較大，必須采取補充措施進行改良。

匯流主管抽采參數計量是在地面臨時瓦斯抽放泵站進氣側DN300螺紋抽采管路上，安裝一套管道瓦斯氣體綜合參數測定儀，型號為CGW7-100(A)，實時在線監測抽采負壓、抽采瓦斯濃度、抽采混量，每天安排專人在16：00記錄當日的瓦斯抽采純量和累計抽采量，以便根據累計抽采量反算出達標剩余應抽瓦斯量。每2 h記錄一次抽采濃度、負壓、流量等參數。

4 綜合防突效果

在距3號煤層頂板法距7 m前，計算預計需要抽排瓦斯量53.9萬m3滿足揭煤區域防突要求，累計抽采瓦斯量54.4萬m3后，實測最大殘余瓦斯壓力為0.16 MPa，低于《防治煤與瓦斯突出細則》臨界值0.74 MPa以下；實測5個含量最大殘余瓦斯含量7.64 m3/t，低于《防治煤與瓦斯突出細則》臨界值8 m3/t(此區域非地質構造帶)以下。所有鉆孔施工過程中均未發現頂鉆、噴孔等動力現象。經綜合評判認為揭3號煤層區域瓦斯抽采效果達標，區域防突措施有效。

繼續掘進至3號煤層頂板法距5 m前，采用鉆屑瓦斯解吸指標法進行區域驗證(工作面預測)，即施工5個驗證孔，測定K1值和Δh2值。經測定，K1=0.31 mL/(g·min1/2)，Δh2=170 Pa，均小于臨界值，施工中無噴孔、頂鉆等異常現象，判定無突出危險。

距3號煤層頂板法距2 m前，測定K1值和Δh2值進行最后驗證，經測定，K1=0.29 mL/(g·min1/2)，Δh2=80 Pa，施工無異常，判定無突出危險。遠距離爆破揭露3號煤層后，瓦斯濃度最大僅為0.28%，且沒有其他異常現象，歷時5 d穿過煤層底板法距3 m，共計出煤645 t，揭煤作業結束。

5 結語

礦井屬于沁水煤田，擁有優質無煙煤，由于該處煤層埋藏深，平均1 000 m左右，為瓦斯賦存提供有利條件，其瓦斯含量高、壓力大，兩者兼具在全國范圍內也是屈指可數。通過多方調研，多平臺合作，多次組織施工、監理、設計等單位開展揭煤瓦斯抽采系統建設、設計方案優化，對瓦斯抽采關鍵崗位人員開展崗位培訓、取證及實操演練、應急演練等工作，所有工作做到超前考慮和超前準備。歷時抽采108 d，較周邊類似礦井井筒揭煤瓦斯抽采縮短約3個月左右時間，實現礦井首次安全快速揭煤，保證了礦井建設工期。