多煤層開采井筒揭煤區(qū)域瓦斯防治技術(shù)研究

黨紅星 王 巖

(1. 澄合礦區(qū)山陽西卓子煤礦籌建處, 陜西 715300; 2. 煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院, 遼寧 110016)

山陽井田位于陜西省渭北石炭二疊紀(jì)煤田澄合礦區(qū)中深部。山陽煤礦為基建礦井, 設(shè)計(jì)能力為3．0Mt/a。礦井為高瓦斯礦井, 井田內(nèi)含基本全區(qū)可采煤層一層, 為山西組的5#煤。大部可采及局部可采煤層3 層, 為4#、6#、10#煤。本次風(fēng)井要揭穿4#、5#層, 因此有必要針對(duì)山陽煤礦副井井筒依次揭穿兩個(gè)煤層瓦斯防治技術(shù)進(jìn)行研究, 形成一套適合深部礦井井筒 (立井) 揭煤瓦斯綜合防治的技術(shù)及管理措施, 為礦井瓦斯治理提供技術(shù)依據(jù), 保障礦井安全、高效、順利的依次揭開多煤層, 該措施在揭煤過程中避免和減少煤與瓦斯突出有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程及地質(zhì)概況

風(fēng)井井筒中心坐標(biāo)為：X = 3902700．0m, Y =37414420．0m,井口標(biāo)高767．2m, 井筒凈直徑7．5m,凈斷面積44．18m, 掘砌深度483．5m。井筒表土段、風(fēng)化基巖段及部分基巖段采用鋼筋砼支護(hù), 基巖段采用素砼支護(hù)。井筒上部鎖口段壁厚750mm,井筒井頸段、基巖段壁厚550mm, 砼強(qiáng)度等級(jí)C40。通過破碎巖層時(shí)增加錨網(wǎng)噴支護(hù), 由現(xiàn)場(chǎng)巖石條件確定。

鋼筋保護(hù)層內(nèi)壁50mm, 外壁70mm。豎筋接頭連接采用直螺紋套筒連接, 環(huán)筋采用綁扎連接, 搭接長(zhǎng)度35d。環(huán)筋采用φ20@250 螺紋鋼筋, 豎筋采用φ16@300 螺紋鋼筋。內(nèi)外圈豎筋采用φ10 @600鋼筋連接。井筒在- 170m 和- 453．2m 兩處設(shè)有壁座, 壁座深度1000mm, 壁厚2500mm。

根據(jù)2010 版《煤礦安全規(guī)程》第201 條規(guī)定：當(dāng)工作面預(yù)測(cè)為無突出危險(xiǎn)工作面時(shí), 可不采取防治突出措施, 直接采用遠(yuǎn)距離爆破或震動(dòng)爆破揭穿(開) 煤層。結(jié)合副立井實(shí)際瓦斯地質(zhì)及周邊鄰近礦井瓦斯情況, 所揭露4#、5#煤層均屬無突出危險(xiǎn)煤層。

2 施工方案

(1) 在井筒停止施工至距4#煤層頂板10m(井深463m) , 澆注2m 厚的探煤、探水止水墊, 開始探煤。

(2) 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定, 確定采取預(yù)報(bào)、防治突出措施、措施效果檢驗(yàn)和安全防護(hù)技術(shù)為主的原則施工。

圖1 揭煤防突措施工藝流程圖

(3) 施工順序： 根據(jù)預(yù)測(cè)情況確定采取以下哪種施工順序。

①掘進(jìn)→工作面距4#煤層頂板法距10m (井深463m) →打三個(gè)探煤孔→確定煤層產(chǎn)狀及賦存情況并進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)→確認(rèn)煤層有突出危險(xiǎn)性→施工至距4 # 煤頂板法距6m (井深467m) →釋放瓦斯→效果檢驗(yàn)有效→施工至距4#煤層頂板法距2m (井深471m) →放震動(dòng)炮揭開煤層。

②掘進(jìn)→工作面距4#煤層煤頂板法距10m(井深463m) →打三個(gè)探煤孔→確定煤層產(chǎn)狀及賦存情況并進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)→確認(rèn)煤層無突出危險(xiǎn)性→施工至距4#煤層頂板法距6m (井深467m)→突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)→確認(rèn)煤層無突出危險(xiǎn)性→施工至距4#煤層頂板法距2m (井深471m) →放震動(dòng)炮揭開煤層。

3 探煤施工

3．1 鉆孔施工

(1) 超前鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

①鉆孔個(gè)數(shù)： 2 個(gè);

②鉆孔深度、鉆孔位置： 鉆孔要穿透煤層全厚且進(jìn)入煤層底板不小于0．5m。詳見超前鉆孔預(yù)計(jì)參數(shù)表1、2;

表1 4#煤超前鉆孔參數(shù)表

表2 5#煤超前鉆孔參數(shù)表

③孔口管：φ108 ×2500mm 無縫鋼管其一端焊接法蘭盤。

(2) 鉆孔施工

孔口管、鉆孔工作臺(tái)組裝： 井筒施工至煤層頂板10m, 進(jìn)行永久支護(hù)和必要的臨時(shí)支護(hù), 并將工作面使用C65 砼鋪底2m 厚, 安裝好φ108mm 孔口管, 以便利于探煤、探水施工, 24h 后在工作面搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái), 鉆孔施工在井下工作臺(tái)上進(jìn)行。工作臺(tái)利用φ108mm 鋼管焊制成高度1．5m, 長(zhǎng)3m, 寬2．5m 框架, 在井下組裝后鋪上3mm 防滑鋼板形成。用5t 葫蘆將鉆機(jī)固定于工作面預(yù)先安裝的樹脂錨桿上, 隨后使用φ90mm 的鉆頭在孔口管中向巖層施工鉆孔探煤。

鉆孔施工及封孔： 首先用φ130mm 鉆頭施工2m 深的鉆孔, 鉆孔清理干凈后灌滿1： 1 水泥砂漿然后在鉆孔中固定φ108mm 的孔口管, 凝固24 小時(shí)后用φ90mm 的鉆頭在孔口管中向巖層施工鉆孔探煤。

鉆孔工作臺(tái)組裝、鉆孔施工的施工方法同上。

封孔、測(cè)壓： 鉆孔施工到設(shè)計(jì)深度后, 首先要清理鉆孔, 用壓風(fēng)將鉆孔內(nèi)的巖粉等盡可能的吹干凈, 然后拔出鉆桿依次安裝上壓蓋、閥門和壓力表, 詳細(xì)記錄下瓦斯壓力和涌出速度等數(shù)值, 并測(cè)定煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)、堅(jiān)固性系數(shù)或鉆屑瓦斯吸附指標(biāo)等從而更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性。上述工作完成后用1： 1 水泥砂漿封孔。

3．2 工作面突出危險(xiǎn)性的測(cè)定

任一探孔施工完畢后, 首先測(cè)定孔口及工作面瓦斯?jié)舛? 之后立即提鉆, 給孔口管上法蘭, 測(cè)定煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)。指標(biāo)臨界值見表3。

表3 突出危險(xiǎn)性指標(biāo)臨界值表

在打測(cè)壓孔的過程中, 每米孔采一個(gè)煤樣測(cè)定煤的堅(jiān)固性系數(shù) (f) , 將兩個(gè)測(cè)壓孔所得煤的堅(jiān)固性系數(shù)最小值加以平均作為軟分層的平均堅(jiān)固性系數(shù)。將堅(jiān)固性系數(shù)最小的兩個(gè)煤樣混合后測(cè)定煤的瓦斯放散初速度指標(biāo) ( △P) , 并按下述綜合指標(biāo)法對(duì)煤層工作面突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)：

D= (0．0075H/f - 3) (P- 0．74)

K= △p/f

式中 D——綜合指標(biāo)一;

K——綜合指標(biāo)二;

H——煤層賦存深度, m;

P——煤層瓦斯壓力, MPa;

f ——煤的堅(jiān)固性系數(shù);

△p ——瓦斯放散初速度指標(biāo)。

煤層瓦斯壓力測(cè)定采用封孔測(cè)壓法,將帶有壓力表的管子連接到孔口管上,安上壓力表測(cè)壓,并詳細(xì)記錄壓力上升與時(shí)間的關(guān)系,直到壓力穩(wěn)定為止。穩(wěn)定后的壓力即為煤層瓦斯壓力。具體操作如下：

壓力觀測(cè)方法：

(1) 瓦斯壓力表裝好后, 指派專人記錄數(shù)據(jù),記錄頻率按照瓦斯壓力表示數(shù)上升速度來定, 初期一般變化0．1MPa 即記錄一次, 待瓦斯壓力上升的速度穩(wěn)定后, 一般1 小時(shí)記錄一次即可;

(2) 記錄內(nèi)容分別為日期時(shí)間、瓦斯壓力表數(shù)據(jù);

(3) 當(dāng)瓦斯壓力穩(wěn)定不動(dòng)24 小時(shí)后, 觀測(cè)過程結(jié)束;

(4) 對(duì)測(cè)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 作出瓦斯壓力- 時(shí)間曲線, 得到煤層瓦斯壓力;

經(jīng)測(cè)定以上幾項(xiàng)指標(biāo)均不超過臨界值, 可確定煤層為無瓦斯突出危險(xiǎn)性煤層, 施工至煤層頂板法線距離2m 位置, 按揭露煤施工方法進(jìn)行施工。如果測(cè)定以上單項(xiàng)指標(biāo)或綜合指標(biāo)達(dá)到臨界值, 則需要進(jìn)行檢測(cè), 確定為具有瓦斯突出危險(xiǎn)性煤層, 按防突措施實(shí)施。

3．3 防治突出措施

根據(jù)突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果, 如需采取防突措施, 將采取排放瓦斯、卸壓的方法預(yù)防突出。

當(dāng)工作面底板距煤層頂板法距5m 時(shí), 在掘進(jìn)斷面上打φ90mm 的排放孔70 個(gè), 釋放瓦斯, 降低煤體中的瓦斯壓力和圍巖應(yīng)力, 杜絕瓦斯突出的發(fā)生。

(1) 排放瓦斯孔設(shè)計(jì)

根據(jù)《防止煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定及煤層特點(diǎn), 設(shè)計(jì)排放鉆孔。主要技術(shù)參數(shù)如下：

①鉆孔有效排放半徑1000mm;

②開孔間距： 鉆孔開孔間距1500mm, 孔底超出荒徑2000mm;

③鉆孔直徑：φ90mm;

④鉆孔深度： 穿透煤層全厚進(jìn)入底板至少500mm, 詳見釋放瓦斯鉆孔參數(shù)表;

⑤鉆孔總數(shù)： 70 個(gè);

(2) 排放孔施工

①放孔采用ZM- 120II 型潛孔鉆機(jī)施工, 孔徑φ90mm, 孔底超出井筒荒徑輪廓線2m。

②全部排放孔均穿透煤層進(jìn)入底板500mm。

4 揭煤時(shí)的通風(fēng)與瓦斯管理

(1) 風(fēng)量計(jì)算和風(fēng)機(jī)選型

施工過程中, 采用壓入式通風(fēng), 局部通風(fēng)機(jī)和備用局部通風(fēng)機(jī)安設(shè)在井架北20m 處新鮮風(fēng)流中。

工作面實(shí)際需要的風(fēng)量, 應(yīng)按人數(shù)、瓦斯或二氧化碳涌出量、同時(shí)爆破的炸藥用量、風(fēng)速演算等規(guī)定要求分別進(jìn)行計(jì)算, 可以采取其中最大值作為實(shí)際需要風(fēng)量。

按人數(shù)計(jì)算：

Q=4×n=4×25=100 (m3/min)

式中 n——掘進(jìn)工作面同時(shí)工作的最多人數(shù), 取25 人。

按瓦斯涌出量計(jì)算：

Q=100×q×k=100×1．25×2=250 (m3/min)

式中 Q——掘進(jìn)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量, (m3/min) ;

q——掘進(jìn)工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量, 取q= (礦井相對(duì)涌出量4．56m3/t ×日掘進(jìn)長(zhǎng)度4．2m×掘進(jìn)荒斷面69．4m2×巖石容重1．35t/m3) / (24 ×60) min =1．2 (m3/min) ;

k——掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù), 取k=2。

按爆破的炸藥量計(jì)算：

Q=7．8 [K (SL/ρ)2) A]1/3/t =7．8 × [0．6 ×(52．81×500)2×500]1/3/40=883．4m3/min

式中 t——炮后排除炮煙時(shí)間, 取40 分鐘;

A——同時(shí)爆破的炸藥量, 取500Kg;S——通風(fēng)斷面面積, 52．81m2;

L——井筒深度, 取長(zhǎng)度為500m;

K——淋水系數(shù)取0．6;

ρ——風(fēng)筒進(jìn)出風(fēng)量比, 取1．5。

井筒最低風(fēng)速驗(yàn)算：

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定, 立井掘進(jìn)的最低風(fēng)速取0．25m/s, 并按下式計(jì)算：

Q=60SV=60×52．81×0．25=792．2m3/min。

式中 Q——掘進(jìn)工作面需風(fēng)量m3/min;

S——工作面凈斷面面積52．81m;

V——最低風(fēng)速取0．25m/s;

選型結(jié)果：

按人數(shù)計(jì)算Q=100 (m3/min)

按瓦斯涌出量計(jì)算Q=250 (m3/min)

按爆破的炸藥量計(jì)算Q=883．4 (m3/min)

井筒最低風(fēng)速驗(yàn)算： Q=792．2 (m3/min) 。

現(xiàn)有FBD63/2 ×30KW 型軸流對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī), 風(fēng)量為430 ～1060m3/min, 靜風(fēng)壓力2000 ～5800pa; 可滿足工作面的風(fēng)量要求, 并符合有關(guān)規(guī)定。為保證工作面正常供風(fēng)的需要, 選擇雙電源方式供風(fēng), 風(fēng)、電、瓦斯閉鎖裝置必須齊全完整。備用局部通風(fēng)機(jī)為同等能力的局部通風(fēng)機(jī)。并有可靠的切換裝置, 滿足揭煤需要。施工過程中, 任何人不得隨意關(guān)閉局扇, 發(fā)生意外停機(jī)時(shí), 工作面人員要立即撤至安全地點(diǎn)。

(2) 爆破地點(diǎn)附近風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0．8%時(shí), 嚴(yán)禁爆破。工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0．8%時(shí), 必須停止工作, 撤出人員, 切斷電源,進(jìn)行處理; 電氣設(shè)備附近20m 以內(nèi)風(fēng)流中, 瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時(shí)都必須停止工作, 撤出人員進(jìn)行處理。電氣附近20m 以內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0．5%時(shí), 嚴(yán)禁送電啟動(dòng)。

(3) 瓦斯檢測(cè)工作

瓦斯檢測(cè)： 采用3 臺(tái)光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀和2 臺(tái)便攜式電子瓦斯報(bào)警儀檢測(cè), 瓦斯檢測(cè)儀經(jīng)校驗(yàn)合格后方可使用。專職瓦斯檢查員負(fù)責(zé)檢查瓦斯, 填寫報(bào)表, 由當(dāng)班班長(zhǎng)簽字, 并匯報(bào)項(xiàng)目部技術(shù)負(fù)責(zé)人。當(dāng)鉆孔見煤后及時(shí)檢查瓦斯?jié)舛? 發(fā)現(xiàn)瓦斯含量增大, 工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1．5%、或其它異狀時(shí)都必須撤出人員, 加強(qiáng)通風(fēng), 并匯報(bào)項(xiàng)目部安檢組, 只有在瓦斯含量在1%以下時(shí), 方可進(jìn)行工作。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》149 條規(guī)定, 工作面瓦斯?jié)舛葯z測(cè)次數(shù), 礦井中每班至少3 次。在執(zhí)行本措施時(shí), 項(xiàng)目部由專職瓦檢員對(duì)礦井瓦斯隨時(shí)監(jiān)測(cè)。

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控： 按照規(guī)程要求, 設(shè)置瓦斯傳感器, 傳感器T1設(shè)置在距離工作面不大于5m 處, 在風(fēng)筒出風(fēng)口的另一側(cè), 距離井壁不小于200mm, 傳感器T2設(shè)置在井口向下10～15m 處, 距離井壁不小于200mm, 對(duì)工作面的瓦斯情況進(jìn)行24 小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)。井筒揭開煤層前, 瓦斯檢測(cè)設(shè)備必須要到位, 并確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn), 監(jiān)測(cè)的參數(shù)如下：

T1傳感器的報(bào)警濃度： ≥1．0%CH4、斷電濃度： ≥1．5%CH4、復(fù)電濃度： ＜1．0%CH4

T2傳感器的報(bào)警濃度： ≥0．8%CH4、斷電濃度： ≥0．8%CH4、復(fù)電濃度： ＜0．8%CH4

(4) 預(yù)防瓦斯燃燒、爆炸的措施

①防止瓦斯積聚： 加強(qiáng)通風(fēng)是預(yù)防瓦斯積聚的主要手段, 對(duì)高瓦斯礦的通風(fēng)必須作到有效、穩(wěn)定和連續(xù)不斷, 保證工作面有新鮮風(fēng)流, 并將井底的瓦斯及時(shí)吹散, 排出井筒, 經(jīng)常檢查礦井通風(fēng)情況和瓦斯情況, 發(fā)現(xiàn)瓦斯超限及時(shí)處理。

②防止瓦斯引燃： 井下人員絕對(duì)禁止攜帶煙草及點(diǎn)火工具下井, 井口房和局扇附近20m 內(nèi)禁止煙火, 井口房和井下不得從事電氣焊, 嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖”放炮制度, 打眼裝藥聯(lián)線必須按本措施爆破參數(shù)規(guī)定執(zhí)行。嚴(yán)禁放糊炮和明火放炮, 嚴(yán)禁一次裝藥分次放炮, 必須使用煤礦安全炸藥和煤礦許用電雷管, 最后一段延期不得超過130ms, 防止摩擦和靜電火花引燃瓦斯。

表4 4# 、5#煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)值

5 實(shí)際施工情況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè), 山陽煤礦副井井筒揭煤區(qū)域的4#、5#煤層突出危險(xiǎn)性鑒定單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)均未超標(biāo), 測(cè)試結(jié)果見表4, 因此判定山陽煤礦井筒揭煤區(qū)域的4#、5#煤層為無突出危險(xiǎn)性煤層,按既定施工方案順利完成了副井的探揭煤施工。震動(dòng)爆破后, 涌出瓦斯?jié)舛惹闆r如圖2 所示。施工中注意如下事項(xiàng)：

圖2 震動(dòng)爆破后副井瓦斯?jié)舛惹€

(1) 探揭煤前應(yīng)對(duì)井下及井口20m 范圍內(nèi)所有電氣設(shè)備進(jìn)行防爆檢查, 發(fā)現(xiàn)失爆立即進(jìn)行整改。

(2) 震動(dòng)放炮前, 對(duì)所有鉆孔和煤體中形成的孔洞都應(yīng)嚴(yán)密封閉孔口, 孔內(nèi)注滿水或以黃土砂充實(shí)。

(3) 打穿煤層的炮眼在煤層段和巖石段應(yīng)分段裝藥, 并用長(zhǎng)0．25m 的炮泥隔開。

(4) 所有的炮眼都在炸藥與封泥間裝1～2 個(gè)水炮泥, 封泥都必須密實(shí)地裝至孔口。

(5) 震動(dòng)放炮要求一次全斷面揭穿或揭開煤層。4#煤層可以一次揭穿。由于5#煤層為厚煤層, 不能一次揭穿, 剩余部分的掘進(jìn), 仍按震動(dòng)爆破的安全要求進(jìn)行, 直至揭穿煤層。

6 結(jié)論

山陽煤礦副井以于2010 年10 月順利揭開4#、5#煤層, 較好的解決了防治瓦斯與煤突出這一技術(shù)難點(diǎn)。通過對(duì)井筒揭穿過程中煤層瓦斯防治技術(shù)的研究, 形成了一套適合高瓦斯多煤層井筒 (立井) 揭煤瓦斯綜合防治的技術(shù)及管理措施, 實(shí)踐證明, 施工中所采用的各項(xiàng)參數(shù)是符合山陽井筒條件的, 采取的施工工藝和各項(xiàng)安全措施是正確的, 為今后的揭煤工作、保證安全生產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn), 對(duì)于同等條件下的井筒揭煤提供了可供借鑒的實(shí)例。

[1] 王顯政·煤礦安全新技術(shù) [M] ．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2002．

[2] 俞啟香·礦井瓦斯防治 [M] ．徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1992．

[3] 吳中立．礦井通風(fēng)與安全 [M] ．北京： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1989．

[4] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．煤礦安全規(guī)程 [M] ．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2001 年．

[5] 周志遠(yuǎn), 荊安勇．井筒穿過突出煤層防止煤與瓦斯突出的方法 [J] ．礦業(yè)安全與環(huán)保, 2007, (6) ： 55- 57．