金黃莊礦主井井筒安全探揭煤技術與實踐

王 利

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區,100083;2.內蒙古福城礦業公司,內蒙古自治區鄂爾多斯市,271413)

金黃莊礦主井井筒安全探揭煤技術與實踐

王 利1,2

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區,100083;2.內蒙古福城礦業公司,內蒙古自治區鄂爾多斯市,271413)

針對金黃莊礦在主井井筒施工過程中穿過中組煤層出現噴孔等瓦斯動力現象,研究了金黃莊煤礦主井井筒所揭穿中組煤層瓦斯賦存規律,結合揭煤前探煤和測試指標工作,實施了豎井工作面快速準確測壓、快速施工抽放鉆孔和沖煤掃孔等加速瓦斯排放技術,結果表明,爆破后風流瓦斯濃度最高僅為0.26%,平均為0.08%。

井筒施工 揭煤 瓦斯突出 抽放鉆孔 沖煤掃孔

1 工程概況

金黃莊煤礦設計生產能力45萬t/a,立井開拓方式,共布置主井、副井和回風井3個井筒。礦井設計采用1個水平開拓上下山開采,設計水平標高-800 m。井筒表土段采用凍結法施工,基巖段采用爆破法施工。主井設計井深866 m,井口設計標高+45.1 m,凈直徑5.0 m,主井井筒在埋深770～790 m處將揭穿中組煤層。

2 井筒揭穿中組煤層瓦斯概況

在施工主井井檢孔時對中組煤的瓦斯參數進行了測定,采樣14個,測定中組煤層的瓦斯含量為1.57～9.07 m3/t。

通過取樣對煤層突出參數進行測定,測定結果表明,中組煤在主井揭煤工作面范圍內的煤層堅固性系數f最大為0.35,低于臨界值0.5,瓦斯放散壓力最大為1386 Pa,超過1333 Pa的臨界值。

施工探水注漿孔及前探孔時,中3下和中4煤層發生動力現象,3#和4#前探孔發生噴孔,噴孔高度都在3.5 m以上,而且出現頂鉆、夾鉆現象。

綜合各項煤層突出參數及發生的動力現象,為保證井筒揭煤期間的安全,主井揭中組煤嚴格按照突出煤層進行管理。

3 井筒揭煤施工方案

3.1 防治煤與瓦斯突出措施

鑒于井筒揭穿煤層層數多,埋藏較深,有突出危險性,且煤層松軟,地質構造較復雜,采用瓦斯鉆孔排放法進行瓦斯自然排放與瓦斯抽放,鉆孔控制范圍為井筒掘進輪廓線外8 m。

3.2 井筒揭煤工藝

井筒揭煤過程主要包括超前10 m探測、超前5 m指標預測、采取防突措施、效果檢驗和遠距離放炮揭煤5個部分。施工工藝流程見圖1。

圖1 井筒施工流程圖

4 主井井筒揭煤工程實踐

4.1 打鉆孔探測煤層參數

在主井施工至井深751 m,距煤層20 m處進行探水注漿時,對中組煤中3、中4煤層進行了探查工作,共施工4個探查孔,初步探明中組煤層賦存情況,中組煤在主井范圍內有中3上1、中3上2、中3下和中4共4層煤,厚度分別是0.2 m、0.4 m、0.5 m和1.8 m。鉆孔參數見表1。

表1 中組煤探煤孔參數

4.2 瓦斯壓力測定

在距中3上1煤層法距5 m處對中3下煤層進行瓦斯壓力測定。中3組煤層頂板為細砂巖及中砂巖,含水量大,為保證測壓效果,采取下導管注漿隔水法。施工測壓孔用?130mm鉆頭開孔,施工深度為5 m,安裝 ?108mm護孔管4 m,進行注漿固管。中3組煤層頂板有厚1 m泥巖,具有隔離水的作用,施工至煤層頂板0.5 m處安裝?89mm套管至孔底0.3 m處,注雙液漿加固管,當漿液從孔口返出后停止注漿,從而隔斷含水層的水向鉆孔內補給,待漿液凝固后安裝測壓裝置進行測壓。測壓鉆孔施工參數及瓦斯壓力測定結果見表2。

4.3 中組煤突出危險性預測

在距離煤層法距5 m時采用鉆屑解析指標法對中組煤層進行突出危險性預測。預測孔參數及預測指標數據均未超過煤與瓦斯突出下限,見表3。

表2 測壓鉆孔施工參數及瓦斯壓力測定結果

表3 預測孔參數及預測指標數據

4.4 鉆孔排放

在距離中上13煤層法距5 m處開始施工抽排鉆孔,共施工鉆孔115個,其中預測鉆孔2個。排放鉆孔采用均勻布孔原則,鉆孔直徑?94mm,鉆孔間距不大于2.5 m,鉆孔穿透煤層底板0.5 m,外圈鉆孔煤層見煤點距巷道輪廓線的距離不小于8 m。井筒內采用M K-4液壓鉆機施工鉆孔,最外圈排放鉆孔從距井壁上端0.5 m開孔,其他圈依次向內0.5 m。鉆孔布置示意圖見圖2。

圖2 抽排鉆孔剖面圖及預想孔底圖

根據現場實際,抽排鉆孔在施工期間采用壓風掃孔清除孔內積水及煤巖粉的方式加快瓦斯釋放,據統計,抽排鉆孔施工及壓風掃孔期間(2008年12月14日至2009年1月4日)自然排放瓦斯量為2470.7 m3。隨后對抽排鉆孔進行合并抽放,中3煤層累計(2009年1月5日至2009年1月31日)瓦斯抽放量為2017.49 m3。綜合中3煤層瓦斯自然排放量和抽放量,抽排瓦斯4488.19 m3。

4.5 壓風掃孔

采用直徑20mm、長度為30 m膠管,頂部連接直徑15mm、長度3 m鐵管,通過主井井筒內壓風管路提供動力,逐個對抽排鉆孔進行壓風掃孔,使遠處煤體內瓦斯向鉆孔范圍內流動,鉆孔附近煤層循環卸壓,使井筒外形成了大范圍的卸壓安全防護帶。

在瓦斯抽排過程中采用“抽放→壓風掃孔→抽放”技術。在抽排鉆孔施工結束后進行第1次的壓風沖煤掃孔,利用壓風沖煤掃孔沖出鉆孔內及其周圍的煤和水,使鉆孔周圍的應力降低后,再進行瓦斯抽放,抽放效果明顯提高。通過反復掃孔,鉆孔形成若干新的卸壓空間,加快煤體瓦斯解吸,鉆孔瓦斯迅速釋放,降低煤體瓦斯含量和瓦斯壓力,有10%～20%鉆孔發生聯通現象,中3煤層組共計掃出煤巖粉23 t。通過對鉆孔附近進行反復“掏煤”,鉆孔周圍的地應力降低,使井筒外形成了更大范圍的卸壓安全防護帶,瓦斯動力能得到釋放,對煤與瓦斯突出有很好的防治作用。

4.6 效果檢驗

4.6.1瓦斯抽排率

中3煤層組瓦斯抽排總量共計為4488.19 m3,抽排鉆孔影響范圍內,中3煤儲量為1148.19t,瓦斯儲量為9047.19 m3,瓦斯抽排率達到49.6%,符合《煤礦安全規程》規定的煤層預抽率30%以上的規定。

4.6.2 殘余瓦斯壓力

測定的煤體殘余瓦斯壓力為0.2 MPa,遠遠低于臨界值0.74 MPa,體現出在抽排鉆孔作用范圍內,抽排鉆孔起到了十分明顯的卸壓效果。

4.6.3 效果檢驗指標

由于在停頭處預測的鉆屑瓦斯解吸指標最大為95 Pa,小于突出臨界值 160Pa,K1最大為0.2ml/(g·min1/2),小 于 突 出 臨 界 值0.4ml/(g·min1/2),并且在施工抽放鉆孔后,煤層瓦斯壓力、瓦斯含量均降至安全規定以下,因此只在鉆孔比較稀疏的地點施工2個鉆孔進行效果檢驗。從校檢指標可以看出,經施工排放鉆孔后,煤層鉆屑瓦斯解吸指標Δh2降至最大值為50 Pa,K1值降為0.1ml/(g·min1/2),均降至臨界指標以下。結合抽排率、殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量看,井筒已經消除突出危險性。

5 結語

(1)針對井筒揭穿的煤層層數多、揭煤處深度大、煤與瓦斯突出危險性大等問題,制定了有針對性的設計和施工措施,采用距離煤層超前10 m探測、超前5 m指標預測、瓦斯壓力測定、瓦斯抽放和壓風掃孔等措施,安全揭穿中組煤層,縮短了揭煤周期。

(2)針對下向測壓孔瓦斯壓力測定,受煤層頂底板巖層水的影響,提出了采用隔水套管施工的測壓措施,成功地測定了各煤層的瓦斯壓力。

(3)針對煤層突出危險性大,而豎井內下向排放鉆孔內容易積水無法排放的特點,采用壓風沖煤掃孔技術與瓦斯抽放相結合的技術,瓦斯治理效果顯著,使金黃莊煤礦的瓦斯治理工程上了一個臺階。

(責任編輯 梁子榮)

Safe coal exploration and uncovering in main shaft of Jinhuangzhuang coalmine

Wang Li1,2
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China;2.Inner mongolia Fuchengmining company,Eordos,Inner mongolia 271413,China)

Aiming at the gas outburst happened during the main shaft construction through the middle group coal seam in Jinhuangzhuang coalmine.The gas storage law was researched,and a series of measures were executed on the shaft working face including fast and accurate pressure measurement,fast construction and drainage borehole,and air-removal of coal powder in the holes,combined with data of coal exploration before uncovering and the measurement.The results show that the maximum gas concentration in air flows is only 0.26%after blasting,and the average value is 0.08%.

shaft construction,coal uncovering,gas outburst,drainage borehole,air-removal of coal powder

TD713

B

王利(1968-),男,山東寧陽人,工程師,中國礦業大學(北京)博士,現任內蒙古福城礦業公司黨委書記,主要從事安全生產、經營和管理工作。