機械造穴技術在立井井筒揭煤中的應用實踐

劉宏光

（華陽集團泊里煤礦有限公司，山西 和順 032700）

1 泊里公司一號進風立井井筒概況

陽泉煤業集團泊里煤礦有限公司井筒工程位于山西和順縣，礦井為煤與瓦斯突出礦井，井田位于山西省沁水煤田東部邊緣，大地構造位置為山西陸臺東南部，新華夏系第三隆起帶的西翼，井田整體呈北東向，井田構造為走向總體顯示為北東、傾向北西的單斜構造。一號進風立井地面標高+1 432.5 m，井下標高+884.5 m，設計井深548 m，凈斷面積為45.4 m2。根據山西省煤炭地質一四八勘查院對進風立井勘探綜合成果柱狀圖顯示，一號進風立井井筒施工過程中將陸續揭露3 號、6 號、8 號、9 號、11 號、13 號、15 號煤層。由于評估報告中顯示所有煤層均具有煤與瓦斯突出危險性，故在施工井筒過程中必須對煤層進行區域突出危險性預測，即進行瓦斯含量和瓦斯壓力的測定，并嚴格執行兩個“四位一體”綜合防突措施。

2 立井揭煤期間區域防突措施

2.1 超前探測鉆孔

為保證施工安全，當井筒施工至距離煤層頂板法向距離10 m 位置前（地質構造復雜區為20 m）停止掘進，施工4 個前探鉆孔，鉆孔終孔位置以穿透煤層底板0.5 m 為準，并記錄前探孔資料，再次確定煤層厚度、產狀、地質構造等情況。

2.2 區域綜合防突措施

2.2.1 區域突出危險性預測

根據煤層瓦斯含量和壓力進行區域預測，參數為井下實測數據。根據《防治煤與瓦斯突出細則》[1]，瓦斯含量臨界值確定為8 m3/t，瓦斯壓力臨界值確定為0.74 MPa，進行區域突出危險性預測。使用定點取樣鉆桿采集煤樣；使用DGC 型瓦斯含量直接測定儀進行測定。當井筒施工至距煤層最小法向距離10 m 時進行區域預測，在工作面正前布置7 個穿透煤層全厚且進入底板0.5 m 的區域預測鉆孔。由具有煤與瓦斯突出鑒定資質的機構負責考察煤層瓦斯含量和瓦斯壓力。若瓦斯含量測定指標小于臨界值且鉆孔施工過程中無噴孔、頂鉆等明顯突出預兆，進行區域驗證。經區域驗證合格后方可恢復掘進，在掘進至工作面距煤層最小法向距離5 m 時執行局部綜合防突措施。若瓦斯含量測定指標大于等于臨界值或鉆孔施工過程中有噴孔、頂鉆等明顯突出預兆時，則執行區域防突措施。

2.2.2 區域防突措施

在井筒施工穿層鉆孔預抽煤層瓦斯，區域預抽鉆孔布置在工作面距離煤層法向距離7 m 前，設計鉆孔終孔間距≤3.5 m，且必須保護井筒斷面輪廓線12 m。

以一號進風立井揭露15 號煤層為例，共設計85 個抽放鉆孔，其中造穴鉆孔43 個（煤層部分全長造穴）、普通鉆孔42 個。揭露15 號煤層區域防突措施鉆孔開孔布置圖和剖面圖，如圖1、下頁圖2 所示。

圖1 揭露15 號煤區域防突措施鉆孔開孔布置圖（單位：mm）

圖2 揭露15 號煤區域防突措施鉆孔剖面圖（單位：mm）

2.2.3 區域防突措施要求

1）穿層鉆孔應當穿透煤層全厚且進入煤層底板0.5m。

2）嚴格遵循“打一個、連一個、封一個、抽一個”原則，鉆孔封堵要嚴密且封孔段長度不得小于5 m，并及時連入抽采系統。

3）區域鉆孔施工完畢后，由地質測量部根據打鉆資料分析揭煤區域煤層是否有構造等異常變化。

4）抽放時間待測定完瓦斯含量、瓦斯壓力后，按下述公式計算：

式中：R 為井筒掘進半徑，m；h 為煤層厚度，m；A 為瓦斯含量，m3/t；C 為百米抽放量，m3/min；F 為鉆孔總數量；G 為平均鉆孔深度，m；H 為每天施工鉆孔數量；I為每米鉆孔每天抽放量，m3；D 為打鉆總進尺，m；B 為打鉆期間的瓦斯抽放量，m3；E 為打鉆完成后的抽放時間，d。

2.2.4 區域措施效果檢驗

1）區域效果檢驗前，首先分析、檢查預抽區域內鉆孔的分布等是否符合設計要求。

2）根據檢驗單元內瓦斯抽采及排放量等計算煤層的殘余瓦斯含量，達到要求指標后再現場測定殘余瓦斯含量，并根據直接測定指標判斷防突效果。

2.2.5 區域效果檢驗方法

采用煤層殘余含量進行區域效果檢驗，參數為井下實測數據。使用定點取樣鉆桿采集煤樣；使用DGC型瓦斯含量直接測定儀進行測定[2]。由具有煤與瓦斯突出鑒定資質的機構負責考察瓦斯含量和瓦斯壓力。

2.2.6 區域效果檢驗的臨界值

根據《防治煤與瓦斯突出細則》，瓦斯含量臨界值確定為8 m3/t，瓦斯壓力臨界值確定為0.74 MPa。

2.2.7 區域效果檢驗孔布置要求及方式

1）區域效果檢驗孔應當布置于所在鉆孔密度較小、孔間距較大、預抽時間較短的位置，并盡可能遠離各預抽瓦斯鉆孔或者盡可能與周圍預抽瓦斯鉆孔保持等距離，避開采掘巷道的排放范圍和工作面的預抽超前距。

2）在進行區域效果檢驗前，應根據上述要求，重新編制區域效果檢驗鉆孔設計。

2.2.8 區域效果檢驗結論

煤層殘余瓦斯含量指標小于臨界值且鉆孔施工過程中無噴孔、頂鉆等明顯突出預兆，判定區域措施有效，該區域為無突出危險區，允許掘進，在掘進至工作面距煤層最小法向距離5 m 時執行局部綜合防突措施。

煤層殘余瓦斯含量大于等于臨界值或鉆孔施工過程中有噴孔、頂鉆等明顯突出預兆，以此檢驗測試點或者發生明顯突出預兆的位置為中心，半徑100 m范圍內判定為措施無效，該區域為突出危險區，必須采取或者繼續執行區域防突措施，直至達標為止。

3 機械造穴要求

3.1 造穴設備要求

3.1.1 鉆機

扭矩＞3 500 N·m，轉速60～220 r/min，推進力＞70 kN，起拔力＞140 kN。具有聯動防噴裝置，油缸推進壓力＞16 MPa，支撐力大于60 kN。聯動操作時，前夾持器聯動實現液壓夾持[3]。

3.1.2 鉆具

鉆桿采用錐形絲扣高壓密封連接，保證在20 MPa高壓水作用下水便旋轉順暢、不漏水。高低壓水流轉換裝置實現低水壓軸向鉆進打鉆，高水壓徑向切割煤體造穴，自由轉換，不需要更換鉆具。

3.1.3 高壓清水泵站

輸出壓力≥20 MPa，流量≥200 L/min；泵站具有自動上水過濾裝置、聯動防噴裝置及煤水氣分離裝置。鉆機在鉆進時，實現鉆孔涌出瓦斯、煤渣和水的安全有效分離排放。

3.2 技術要求

1）順層鉆孔在地質構造帶附近20 m 范圍內不得進行水力造穴。

2）順層鉆孔在煤層頂（底）板為含水層，或造穴影響范圍內存在透水型地質構造的區域不得進行水力造穴。

3）礦井首次進行水力造穴的，應當委托科研機構對造穴影響半徑進行考察，并出具考察報告，考察結果適用于相同瓦斯地質條件區域。首次采用水力造穴，必須根據考察報告編制施工設計方案，報上級公司審批。

4）水力造穴作為煤層增透措施，必須進行瓦斯抽采。

3.3 設計要求

1）穿層水力造穴區域應具有不小于7 m 安全巖層；順層水力造穴區域應具有不小于20 m 安全保護煤體。

2）后退式造穴適用于打鉆不卡鉆、不頂鉆等區域；前進式造穴適用于打鉆卡鉆、頂鉆，地質異常，打鉆困難區域。

3）相鄰造穴鉆孔終孔間距原則上不大于6 m；順層水力造穴鉆孔造穴段長度以1 m 為宜，相鄰造穴段間距為5～10 m。

4）每個造穴段出煤量不大于0.7 t/m 或造穴時間不少于30 min/m。

4 采取機械造穴措施前后的效果分析

以泊里公司一號進風立井揭露6 號煤層、15 號煤層為例，從瓦斯含量、采取的相關技術措施及揭煤期間風流瓦斯濃度進行分析對比，具體如下：

4.1 揭露6 號煤層概況

由中煤一建十處承建的泊里公司一號進風立井，掘進至距離6 號煤層10 m 前，采取鉆探手段對煤層進行探測，確定煤層層位、產狀、地質構造等情況，確定6 號煤層厚度為0.7 m，煤層走向北東至南西，傾角為4°。施工至距離6 號煤層10.5 m 時，停止掘進，委托華北科技學院現場測試煤層瓦斯含量和壓力。測試瓦斯含量最大為7.41 m3/t，瓦斯壓力最大為0.2 MPa。施工至距離6 號煤層7 m 時停止掘進，施工220 個穿層鉆孔，孔徑133 mm，保護井筒輪廓線12 m。施工至距離6 號煤層5 m 時，施工102 個穿層鉆孔，孔徑133 mm?，F場測試鉆屑瓦斯解吸指標K1值最大為掘進至距離6 號煤層3 m 時，利用傘鉆施工瓦斯排放孔120 個，孔徑42 mm。并進行揭煤前最后驗證，測得K1值最大為揭露6 號煤層時炮后工作面最大瓦斯體積分數為0.86%，回風流最大瓦斯體積分數為0.63%。

4.2 揭露15 號煤層概況

泊里公司一號進風立井探測15 號煤層厚度為5.3 m，經區域預測瓦斯含量最大為11.02 m3/t,瓦斯壓力最大為0.53 MPa；距離煤層7 m 時采取了機械造穴及普通鉆孔相結合的區域防突措施，共施工85 個進入底板0.5 m 的預抽鉆孔，其中43 個造穴鉆孔、42 個普通鉆孔，控制井筒輪廓線12 m。鉆孔施工完畢后經區域效果檢驗，測得殘余瓦斯含量最大為7.47 m3/t；工作面局部預測K1值最大為，揭煤前進行最后驗證，測得K1值最大為揭煤當班工作面正前最大瓦斯體積分數0.28%，回風流最大瓦斯體積分數0.20%。

4.3 分析比對

分析比對結果見表1。

表1 6 號和15 號煤層分析比對結果

5 結論

通過分析比對，在立井井筒揭煤中采取機械造穴措施后，與前期的普通鉆孔相比，機械造穴鉆孔排放瓦斯效果顯著，既降低了鉆孔施工成本，又加快了礦井建設進度，還確保了揭煤期間的瓦斯零超限。