井筒過灰巖瓦斯儲層綜合防治技術

劉廣宇

（山西介休義棠青云煤業有限公司，山西 介休032000）

1 工程概況

山西義棠煤礦，設計生產能力1.80 Mt/a，隨著井田開拓向西翼延伸，礦井通風阻力較大。為優化礦井通風系統，設計將原2號回風井延伸到下組煤。暗立井設計深度為125 m，采用反井施工工藝。反井鉆機施工的導硐直徑為1.4 m（半徑R=0.7 m），從上組煤向下組煤擴掘施工，擴井后井筒毛直徑為7 m（半徑R=3.5 m），凈直徑6 m（半徑R=3 m）。9號煤直接頂板為K2灰巖，灰巖內溶洞、節理、裂隙發育，瓦斯含量高。擴井施工接近K2石灰巖時，瓦斯涌出來明顯增加，開炮后，配風1 200 m3/min的情況下，瓦斯濃度時常超過1%。由于K2石灰巖聯通性較好，瓦斯儲量大，暗立井擴掘過K2石灰巖時，K2灰巖揭露面積增大數十倍，瓦斯涌出量預計將會大大增加。因此，必須采取有效的安全技術措施，以確保施工安全和工程的順利進行。

2 瓦斯賦存情況

石炭系上統太原組，為一套具明顯沉積旋回的海陸交互相含煤建造，為本區主要含煤地層之一。主要由灰黑色砂質泥巖、泥巖、灰色砂巖、煤層和3～4層石灰巖組成。石灰巖厚度大，層位穩定。含煤層6～10層，其中9號、10號和11號煤層全區穩定可采，5號煤層為局部可采煤層（見圖1）。該組連續沉積于本溪組之上，厚度為80.50～118.20 m，平均97.65 m。

K2石灰巖位于石炭系上統太原組中段，是9號煤的直接頂，K2石灰巖平均厚度8.71 m，圍巖分級為Ⅱ類，穩定性較好。K2石灰巖的節理、裂隙、溶洞、溶蝕十分發育，尤其是斷層附近，溶隙寬度達到350 mm，可見長度19 m。孔洞內不含水，瓦斯濃度達到60%以上。K2石灰巖上部覆蓋著均厚5.91 m的泥巖、砂質泥巖，均厚7.84 m的細粒砂巖、中粒砂巖，沉積穩定、均勻，具有良好隔離效果。所以，K2石灰巖是下組煤瓦斯良好的儲藏層，即儲層。瓦斯生成層為太原組9號～11號煤層。煤層在泥炭化、煤化階段生成的大量瓦斯。據統計，每生成1 t煤，要伴隨生成大約1 000 m3的瓦斯。煤成氣（即瓦斯）大部分逸散到空氣中和圍巖中，因為K2上覆厚層泥巖、砂質泥巖和細類砂巖，蓋層相當嚴密，起到很好的封存作用，很大一部分瓦斯被保存在K2灰巖中。經河南理工大學對煤層瓦斯賦存的參數鑒定，開采煤層位于瓦斯風化帶內，絕對瓦斯涌出來均小于2.5 m3/t，下組煤煤層中瓦斯含量相對較低。因此，可以推斷，井筒擴掘期間，瓦斯涌出的主要來源是K2灰巖。針對K2灰巖，制定有針對性的瓦斯防治完全技術措施，是安全擴掘的關鍵。

3 施工方案

暗立井反井施工完成后，采取自然風壓通風，因井筒內處于負壓狀態，有利于瓦斯的析出，且K2灰巖節理、裂隙發育，連通性好，瓦斯補給豐富。單獨依靠抽放，漏風大，瓦斯抽放效率低，不能起到很好的瓦斯治理效果。經過對比確定，在擴掘至距離K2灰巖3 m時，首先，對井筒內進行工作面預注漿，控制漿液擴散半徑，達到控制性的帷幕注漿，隔離瓦斯向井筒逸散的通道，同時，減小漏風，起到提高瓦斯抽放效率的作用。然后，在暗立井底，向井筒周邊施工抽放鉆孔，進行瓦斯抽放，使瓦斯向鉆孔徑向流動，降低井筒擴掘期間瓦斯涌出量。在抽放流場的保護下，使瓦斯涌出量降低到安全生成允許的范圍內，順利進行暗立井的安全擴掘工作。

圖1 K2灰巖頂底板煤巖層柱狀圖

4 帷幕注漿封堵瓦斯通道

4.1 帷幕注漿設計

注漿封堵瓦斯通道，在井筒周圍形成帷幕墻。注漿的作用主要是封堵瓦斯涌出的通道，防止開鑿井筒時瓦斯大量涌出。在井筒周圍2.5 m范圍內，控制性注漿，形成內直徑7 m（半徑R=3.5 m），厚度至少2.5 m的圓環型帷幕墻（見圖2）。通過對注漿段施工，漿液充填K2石灰巖中的節理、裂隙、溶洞、溶蝕，形成堵氣、防水的環形帷幕墻，同時增強井筒周邊圍巖的強度，減小圍巖松動范圍，對井壁起到良好的加固作用。注漿工作完成后，要打檢查孔，對注漿效果進行檢驗，效果不好時，要再次注漿，直到達到設計效果。注漿采用下行式注漿方式，注漿段高不超過5 m，鉆孔漏失量較大時，縮短注漿段高。

4.2 注漿孔鉆孔布置

注漿孔設計布置11個，沿井筒荒徑（D=7 m）平均布置，為使鉆孔盡可能揭露灰巖中的裂隙、節理，鉆孔設計帶一定角度的切向角。注漿鉆孔孔間距為2 m，徑向角為6°，切向角為30°，單孔長度為12.9 m。孔口管用4寸無縫鋼管加工，設計安裝長度為1.5 m。

圖2 帷幕注漿設計示意圖

4.3 注漿施工設備選擇

注漿孔打鉆設備：MKQJ90/25—HT潛孔鉆機，1臺。配套直徑50 mm鉆桿20根，90型沖擊器1個，直徑127 mm、直徑89 mm鉆頭各一顆。

注漿設備：2TGZ-90/140型注漿泵，1臺；攪拌機的選擇：LJ—200防爆型水泥漿攪拌機，1臺。

4.4 注漿材料的選擇

水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；水玻璃：水玻璃模數為2.8～3.1，濃度為45°Be′以上。

4.5 漿液的選擇

封堵瓦斯不僅要堵大的裂隙，還要堵好細小裂隙以及孔隙。所以，優先選用水灰比較大的單液水泥漿，確保注漿質量，水泥漿水灰質量比1∶1～2∶1。有跑漿或長時間不起壓時，選用C-S（水泥和水玻璃混合）雙液漿進行封堵。C-S雙液漿配比：水泥漿水灰比1∶1～2∶1。水玻璃模數2.8～3.1，濃度為30～40°Be′，m（C）∶m（S）=1∶（0.5～0.7）。

4.6 注漿終壓

為使漿液擴散到更小的巖層裂隙中，以不破壞井筒圍巖為原則，注漿終壓選擇2～3 MPa。注漿初期，裂隙、孔洞發育，注漿終壓選擇低值。注漿后期，注入量少，注漿終壓選擇高值。

4.7 注漿結束標準

為保證注漿封堵和加固質量，每孔注漿均要達到結束標準。注漿泵調到最低擋后，注漿終壓達到設計壓力，穩定時間大于20 min為合格。

4.8 帷幕注漿施工

帷幕注漿歷時8 d，總計打孔11個，檢查孔3個，注入水泥43.4 t（868袋），水玻璃23 t。經過檢驗達到帷幕注漿設計效果，見表1注漿孔參數及注漿量。

5 打鉆孔抽放儲層瓦斯

在注漿帷幕墻外圍布置鉆孔，對暗立井周邊K2石灰巖中的瓦斯進行抽放，減少暗立井擴掘期間圍巖瓦斯涌出量。鉆場布置在暗立井下口的下組煤回風大巷中，鉆場要求支護良好，擋矸設施齊全可靠，同時要便于抽放管路連接。

表1 注漿孔參數及注漿量

瓦斯抽放鉆孔的施工，選擇ZDY—4000S型液壓鉆機施工，配套直徑75 mm鉆桿50根，直徑94 mm的鉆頭5顆。

鉆場內設計施工8個鉆孔，上下兩排各4個鉆孔，鉆孔間距0.6 m，布置在鉆場中部，呈方形布置。終孔位置要求：1號、2號、3號、4號鉆孔打在暗立井井筒左側，5號、6號、7號、8號鉆孔打在暗立井井筒的右側。鉆孔穿透K2石灰巖底板，鉆孔終孔距K2石灰巖頂板2.0～6.0 m，距井筒邊緣6.0～8.0 m（井筒擴砌后外壁直徑為7.0 m，內徑為6.0 m），見表2鉆場內鉆孔設計參數。

表2 鉆場內鉆孔設計參數

6 其他安全技術措施

6.1 及時對揭露的K2石灰巖進行噴漿封閉

對井筒擴掘段及井筒周圍50 m范圍內裸露的K2灰巖進行噴漿封閉。噴漿前要求錨網支護可靠，噴層厚度不低于0.1 m。噴漿起到進一步封閉瓦斯涌出通道的作用，阻斷瓦斯運移的通道，減少漏風。

6.2 短掘短砌

減小循環進度，及時進行井壁混凝土澆筑，縮井筒內裸露灰巖，即減小瓦斯涌出的表面積。提高光面爆破的質量，尤其是加密周邊炮眼，減小爆破震動對井筒圍巖的松動、破壞。井筒內立模支護要及時，井筒澆筑滯后不得超過3 m。

6.3 臺階施工，防止瓦斯積聚

擴孔前反井直徑為1.4 m，擴孔后井筒毛直徑為7 m，通風面積擴大25倍。通風斷面的突然擴大，會在拐角處形成渦流，造成放炮煙塵不易排出和瓦斯積聚等問題。為更好地排出放炮煙塵，尤其防止拐角處瓦斯積聚，減少局部風阻，采取臺階施工。逐漸擴大通風斷面，降低局部風阻，防止渦流造成瓦斯積聚。第一臺階布置三圈炮眼，擴1.8 m寬，第二臺階擴掘到位，形成毛直徑7 m的井筒，臺階高度設計成1.5 m，見圖3井筒臺階施工示意圖。

圖3 井筒臺階施工示意圖

6.4 加強爆破管理

加強爆破管理工作，堅持“一炮三檢”和“三人聯鎖”制度，瓦斯異常時，必須加大瓦斯檢查頻次。放炮必須使用水炮泥，炮泥封孔長度符合規定要求。加強工作中的管理，防止電氣火花和碰撞火花的產生。注漿孔和檢查孔必須全部注漿封孔，防止瓦斯積聚，造成瓦斯爆炸或者爆燃事故。同時做好放炮警戒工作，放炮前，在暗立井及井口下部下組煤回風巷內安排專人設置警戒線。

6.5 加強暗立井下口支護

暗立井下部為下組煤回風巷，巷道布置在10號煤層中，采用錨網噴支護，擴掘施工前，需要提前對暗立井下口周圍進行加強支護，主要是補打錨索支護，錨索支護要求錨入K2灰巖1 m以上。防止暗立井下口巷道因開炮震動影響松動破壞，保證施工人員作業期間的安全。

6.6 保證通風暢通

暗立井擴掘開炮后，及時清理井筒內及暗立井下口的矸石，防止矸石堆積，影響暗立井通風的風量。

7 結論

通過對瓦斯儲層的外堵內抽，多措并舉，達到了瓦斯有效控制，井筒安全擴掘的最終目的。瓦斯抽放鉆孔抽出的瓦斯濃度最高達到67%，純瓦斯抽放量達到85～100 m3/min。在采取封堵隔離、瓦斯抽放等綜合措施后，井筒內瓦斯涌出量大大降低，擴掘期間沒有出現瓦斯超限現象。通過施工進一步驗證了K2灰巖作為下組煤的瓦斯主要存儲空間，瓦斯的賦存量、徑流補給量都相當豐富，是礦井的主要瓦斯富集層。在控制局部注漿封堵，減小漏風的情況下，可以提高瓦斯的抽放效率，降低生產成本。瓦斯的治理工作，在找到了治理的目的層后，瓦斯防治工作更有針對性。