頂板巖巷綜合水力化石門揭煤

梁永勝

（淮北礦業(yè)集團(tuán)青東煤礦，安徽淮北 235300）

頂板巖巷綜合水力化石門揭煤

梁永勝

（淮北礦業(yè)集團(tuán)青東煤礦，安徽淮北 235300）

青東煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂及褶皺構(gòu)造分布廣泛，煤層厚度變化較大，在石門揭煤過程中常遇到突出煤層增厚區(qū)，給石門揭煤帶來困難。采用頂板巖巷穿層鉆孔的水力鉆進(jìn)——水力沖煤——水力潤濕的綜合水力化防突工藝可沖出大量的煤體及瓦斯、降低控制區(qū)域煤體應(yīng)力、增加煤層透氣性、加速瓦斯排放，同時軟化煤體、降低煤層突出危險性、縮短揭煤工期。

石門揭煤；水力沖孔；防突技術(shù)

淮北礦區(qū)青東煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂及褶皺構(gòu)造分布廣泛，煤層厚度變化較大，在石門揭煤過程中常遇到突出煤層增厚區(qū)，給石門揭煤帶來困難。為了實現(xiàn)區(qū)域性瓦斯治理，縮短揭煤工期，青東煤礦針對緩傾斜、特厚、松軟、強突煤層石門揭煤特點，研發(fā)了頂板巖巷穿層鉆孔綜合水力化石門揭煤區(qū)域防突技術(shù)。該技術(shù)采用頂板巖巷穿層鉆孔的水力鉆進(jìn)——水力沖煤——水力潤濕的綜合水力化防突工藝，沖出大量的煤體及瓦斯、降低控制區(qū)域煤體應(yīng)力、增加煤層透氣性、加速瓦斯排放，同時軟化煤體、降低煤層突出危險性。頂板巖巷穿層鉆孔與迎頭鉆孔共同控制整個揭煤區(qū)域，達(dá)到區(qū)域性消突的目的；同時建立了該技術(shù)的效果考核指標(biāo)體系，主要包括水力沖煤量、煤體含水率、殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量，分析確定了各指標(biāo)防突臨界值。

1 頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)工藝

頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)是以水力鉆進(jìn)—水力沖煤—水力潤濕技術(shù)工藝，沖出大量煤屑及瓦斯、卸載煤體應(yīng)力、增加煤體塑性、增加煤層含水率軟化煤體為主要機理的防突技術(shù)。

1．1 水力鉆進(jìn)

鉆孔施工過程中，鉆頭旋轉(zhuǎn)，機械破煤，同時鉆桿排出的高壓水隨著鉆桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)行水力破煤。較軟的煤體及鉆孔鉆進(jìn)方向的煤體被破碎，在水壓作用下排出孔外。

1．2 水力沖煤

水力沖煤過程包括高壓水力沖煤與低壓水力沖刷過程，通過高壓水力破煤，增大鉆孔孔徑，同時加快鉆孔周圍裂隙的發(fā)育，增加煤層透氣性，降低煤體應(yīng)力。水力沖刷時水壓低于高壓水力沖煤的水壓，依靠鉆桿上下不斷抽動，沖刷鉆孔孔壁，將軟煤及破碎煤體沖出孔外，可以有效增大鉆孔孔徑，增加鉆孔卸壓范圍。高壓水力沖煤水壓為10MPa，低壓水力沖刷水壓為1．5MPa。

1．3 水力潤濕

鉆孔施工完畢后，封孔，連接井下水管，進(jìn)行靜壓注水，潤濕煤體，增加煤體含水率，靜壓注水降低了硬煤分層的強度，增加了硬煤分層的塑性，由此導(dǎo)致整個煤層軟化，使石門揭煤工作面前方產(chǎn)生一個較長的破裂帶和卸壓帶，使得具有突出危險的軟分層內(nèi)瓦斯能夠在暴露前提前釋放，有效降低了石門揭煤工作面突出危險性。水力潤濕時間不低于10天。

2 技術(shù)考核指標(biāo)評價體系

根據(jù)頂板巖巷綜合水力化防突機理，結(jié)合現(xiàn)場試驗，建立了頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)考核指標(biāo)評價體系。考核指標(biāo)按優(yōu)先順序為：沖煤量指標(biāo)、煤體含水率指標(biāo)、殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量指標(biāo)。

2．1 沖煤量指標(biāo)

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求，全斷面沖出的煤體總量（t）數(shù)值不得小于煤層厚度（m）乘以20。為了便于指標(biāo)的現(xiàn)場應(yīng)用，可根據(jù)此規(guī)定計算沖出煤量（20倍煤厚）占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比，計算方法如下：

式中 η——20倍煤厚占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比，%；

H——煤層厚度，m；

α——煤層傾角，°；

a——巷道高度，m；

b——巷道寬度，m；

ρ——煤體假密度，t／m3。

淮北礦區(qū)煤層傾角較小，多為緩傾斜煤層，以青東煤礦為例，該礦7煤層傾角為22．3°，煤層平均厚度為1．9m，巷道高度為4m，寬度為5m，帶入上式計算沖出煤量（20倍煤厚）占控制范圍內(nèi)的煤體總量百分比為1．34%。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中水力沖孔沖煤量要求，計算出一般情況下沖出煤量（20倍煤厚）占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比為1．34%。綜合水力化技術(shù)要求沖煤量為水力沖孔沖煤量的1．5倍，沖出煤量占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比為2．01%，確定綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)沖煤量指標(biāo)臨界值為2．0%。

2．2 煤體含水率指標(biāo)

實驗室測試結(jié)果表明：當(dāng)煤層含水量增加時，其塑性增強，煤的瓦斯解析速度也明顯降低，其結(jié)果導(dǎo)致煤的突出危險性降低。當(dāng)煤的含水量增大時，煤層的抗壓強度、內(nèi)摩擦角、粘度系數(shù)、彈性模量、殘余變形量、塑性指數(shù)都隨煤層中水分增加而下降。在石門揭煤過程中，靜壓注水可降低硬煤分層的強度，增加了硬煤分層的塑性，由此導(dǎo)致整個煤層軟化，使石門揭煤工作面前方產(chǎn)生一個較長的破裂帶和卸壓帶，有效降低了石門揭煤工作面突出危險性。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)含水率的指標(biāo)研究結(jié)果，綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)含水率指標(biāo)臨界值為4%。

2．3 殘余瓦斯壓力及含量

殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量指標(biāo)臨界值根據(jù)礦井實際考察突出臨界值而確定。

3 應(yīng)用效果

3．1 工程應(yīng)用情況

將頂板巖巷綜合水力化石門揭煤區(qū)域防突技術(shù)首次應(yīng)用于青東東翼回風(fēng)大巷揭穿8煤過程中，東翼回風(fēng)大巷揭8煤處探得煤層真厚達(dá)17m，煤層傾角為19°，且瓦斯壓力大，巷道斜穿煤層。在風(fēng)井東翼回風(fēng)石門距8煤法距5．5m處，通過施工探煤孔，探清了煤層層位。如圖1所示。

圖1 青東煤礦風(fēng)井東翼回風(fēng)石門探8煤預(yù)計剖面圖

在距離8煤法距15m處，進(jìn)行了突出危險性預(yù)測，測試結(jié)果見下表。在距離8煤法距5．5m處，施工測壓孔及探煤孔過程中，多次出現(xiàn)卡鉆、頂鉆、抱鉆（共埋入鉆頭兩個，鉆桿40m）現(xiàn)象。前期施工8個探煤孔，有5個孔噴孔，噴出煤量50t左右，施工4個測壓孔有3個孔噴孔，綜合判定該石門工作面區(qū)域具有突出危險性。

地點煤層煤層瓦斯壓力／MPa ΔP／mmHg f D K東翼回風(fēng)石門8煤層1．61 3．46 0．26 10．94 13．3

針對青東煤礦東翼回風(fēng)石門所揭8煤煤層及瓦斯賦存特點，制定了迎頭與頂板巷共同控制揭煤區(qū)域的綜合區(qū)域防突技術(shù)措施。主要包括：迎頭綜合水力化防突措施、頂板巖巷綜合水力化防突措施、穿煤段順層排放及金屬骨架煤體固化防突措施。

3．2 頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突措施

施工迎頭排放鉆孔時，由于煤層太厚，鉆孔施工困難，只能進(jìn)入煤層20－28m，迎頭鉆孔控制范圍見圖2中A區(qū)域。迎頭施工的排放鉆孔無法一次性保護(hù)整個揭煤區(qū)域。為此，在施工迎頭排放鉆孔的同時，在迎頭后部拐點處沿煤層傾向施工一條頂板巖巷，頂板巖巷與風(fēng)井東翼回風(fēng)巷水平投影為15m，距煤層垂距10m。在巖巷中布置兩個鉆場，在鉆場中施工鉆孔，控制迎頭鉆孔未保護(hù)到的區(qū)域。頂板巖巷鉆孔布置剖面見圖2。

沿煤層傾向，距煤層垂距10m，共施工長度約104m；巷道采用小斷面，寬×高＝3．2m×2．8m；在距離起坡點69m處布置1號鉆場，巷道端點布置2號鉆場，鉆場位于巷道右?guī)?，每個鉆場內(nèi)布置140個孔，孔底間距為3m。采用綜合水力化措施后，頂板巷鉆場鉆孔共沖出煤粉量約300t。

3．3 工程應(yīng)用效果

整個揭煤過程歷時10個月（較分段采取措施提前6個月），共施工鉆孔478個鉆孔，鉆孔工程量2萬余米，沖出煤量950t，單孔平均沖煤量1．99t，控制區(qū)域煤體重量為37282．5t，沖出煤量占控制區(qū)域煤體重量的百分比為2．55%，大于沖煤卸壓臨界值2%的指標(biāo)。水力化沖煤完畢后，封孔靜壓注水，現(xiàn)場采集樣，實驗室檢測控制區(qū)域煤體含水率達(dá)到5．4%，含水率大于4%的臨界指標(biāo)。石門揭煤前測得該處8煤原始瓦斯壓力為1．6MPa，采取防突措施后測得殘余瓦斯壓力為0．35MPa，殘余瓦斯含量為4．68 m3／t。巷道施工至8煤法距2m處利用遠(yuǎn)距離爆破安全順利揭開煤層，并安全快速穿過煤層，石門揭煤防突掘進(jìn)長度達(dá)128m。

圖2 預(yù)板巖巷鉆孔布置剖面圖

4 結(jié)論

針對緩傾斜特厚突出煤層石門揭煤防突難題，研發(fā)了頂板巖巷綜合水力化石門揭煤區(qū)域防突技術(shù)，制定了相應(yīng)技術(shù)工藝，建立了相應(yīng)的效果評價體系。工程應(yīng)用表明，該技術(shù)有效解決了緩傾斜特厚強突出煤層石門揭煤區(qū)域防突難題，可供其他突出礦井同類條件石門揭煤提供參考。根據(jù)頂板巖巷穿層鉆孔綜合水力化區(qū)域防突機理，建立了該技術(shù)考核指標(biāo)評價體系。考核指標(biāo)及臨界值按優(yōu)先順序為：沖煤量指標(biāo)（2%）、煤體含水率指標(biāo)（4%）、殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量指標(biāo)。通過對現(xiàn)場應(yīng)用效果的評價，完全滿足現(xiàn)場施工安全需要。

［1］ 杜計平，汪理全．煤礦特殊開采方法［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［2］ 劉過兵．采礦新技術(shù)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2002．

［3］ 郭廣禮，王悅漢，馬占國．煤炭開采沉陷有效控制的新途徑［J］．中國礦業(yè)大學(xué)報，2004（3）

［4］ 陳榮光．礦山企業(yè)污染防治與環(huán)境保護(hù)強制性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行手冊［M］．銀川：寧夏大地出版社，2004．

責(zé)任編輯：訾興建

TD82

A

1671－8275（2012）04－0133－02

2012－06－30

梁永勝（1966－），男，江蘇徐州人，淮北礦業(yè)集團(tuán)青東煤礦安全信息中心主任，助理工程師。