高瓦斯矿井近距离煤层群石门快速揭煤工艺研究及应用

2016-08-11廖祥奎帅文东

大科技 2016年10期

关键词：石门危险性瓦斯

廖祥奎帅文东

（重庆中梁山煤电气有限公司矿业分公司重庆 400052）

高瓦斯矿井近距离煤层群石门快速揭煤工艺研究及应用

廖祥奎帅文东

（重庆中梁山煤电气有限公司矿业分公司重庆 400052）

在煤矿开采中，揭煤突出问题的解决非常重要，必须了解石门揭煤突出的特点和防突机理，采取合理的石门揭煤技术进行揭煤。本文结合具体实例，探讨了高瓦斯矿井近距离每层群的石门快速揭煤工艺的施工，实现了安全快速的揭煤，以供参考。

高瓦斯；矿井；石门快速揭煤

引言

在许多煤炭的开采工程中，所开采的往往是高瓦斯的近距离突出煤层。在开采的过程中，因为煤层瓦斯的含量较高，且存在严重的突出问题，传统的石门揭煤工艺揭煤次数多，带来很大工作量，为了解决此类弊端，需要采取分布揭煤的方法，研究出更加行之有效的石门快速揭煤工艺。

1 近距离煤层群石门快速揭煤工艺

1.1 常见揭煤工艺

矿井开采难以避免瓦斯突出危险，揭煤作业时非常容易发生危险，且揭煤时间长，是我国矿井安全生产技术的重点以及采掘作业的瓶颈工程。目前为止，我国的揭煤方法主要有以下两种：

（1）导酮揭煤法：在揭煤前先掘进一条平行于煤层底板的导铜然后采用放震动炮的方法进行揭煤，其优点是能够一次揭露煤层，它的缺点在于辅助工程较多必须做导酮，炮眼的数目也较多，所需炸药量也多，对放炮器的电压要求非常高，揭煤完成后会在巷道顶板产生大面积的空洞，易于积聚瓦斯，引起瓦斯事故，造成人身伤害。

（2）直接揭煤法：运用多次循环放震动炮的方式从巷道的底板岩石进入煤层的方法。其优点是不需要大量的辅助工程，不需要导酮，可以直接利用现有的巷道，炮眼的数目较少，所需炸药量也不多；其缺点是所需揭煤时间较长。在传统的揭煤方法中，揭煤作业花费较长时间，危险性很大，并且预测的准确性也不高，因此其优化改良一直是困扰我国煤炭企业的难点。

1.2 石门快速揭煤工艺

石门揭煤在煤矿开采的防突施工中至关重要，而防突工艺更是实现其高效、安全的前提。有些煤矿开采的是高瓦斯近距离突出煤层群，煤层瓦斯含量高，突出严重。采用石门联系各煤层开采，石门揭煤次数多，石门揭煤防治煤与瓦斯突出工作量大。因此，需要找到一种既安全，又快速的揭煤工艺和方法，通过大胆创新和理论分析与试验，采用在揭煤前进行穿层钻孔提前进行预抽，然后进行煤岩体注浆固化，确定整个揭煤工作面完全消突并采取安全防护措施后，采用综掘机揭煤工艺。该将整个揭煤过程一分为二，包括石门揭开煤层和过石门门坎的半煤巷及过煤门的煤巷掘进两个阶段，采取分步揭煤、步步到位的揭煤方法，提出行之有效的石门快速揭煤工艺技术。

2 石门快速揭煤中的瓦斯治理

在石门快速揭煤中，首先要重视对其中瓦斯的治理，以营造更加安全的开采施工环境，具体来说，其治理步骤如下：

（1）进行岩巷施工，施工到距离煤层约10m的位置，至少应设置2个前探钻孔，探明石煤层与门工作面的位置，掌握开采煤层的赋存条件和地质状况。

（2）当石门施工到煤层的法线约5m处，布置5个预测钻孔，布置位置分别是在巷道中线布置1个，巷道上、下、左、右各个方位布置1个。一般来说，钻孔控制范围，为石门工作面巷道的轮廓线外8m。测定钻屑瓦斯的解吸指标，对煤层突出危险进行预测。

（3）如果预测存在突出危险，为消除或降低该危险，需要降低瓦斯含量，确保揭煤安全，而不影响巷道掘进，有效提高石门揭煤速度。可在巷道的两帮做钻场打穿层钻孔，进行煤层预抽，其工作面距离煤层法线约5m处，进行穿层抽采钻孔，或超前排放钻孔，用来抽采或排放煤层瓦斯。

（4）当施工到距煤层法线3m时，检验巷道影响范围内的瓦斯排放效果。如果检验无危险，或者煤层的瓦斯量明显减少，可采用“短进尺、强支护、快掘进、锚网喷”的施工技术，将石门掘至煤层法线距离2m；否则需补充抽、排放钻孔，以消除危险。

（5）当石门距煤层法线2m处，预测煤层瓦斯突出危险性。若无危险，则使用综掘机掘进揭开煤层；否则，需补充抽、排放钻孔，以消除危险。

3 渐进式快速石门揭煤工艺的运用

渐进式快速石门揭煤方法是一种采用分阶段消突，分阶段进行掘进的方法，使具有突出危险性的煤层达到消突的效果，进而实现安全揭煤的目的。该方法主要针对现场瓦斯压力和防突参数快速测定，突出危险性多参数综合指标预测，瓦斯抽放钻孔优化布置，减少瓦斯抽放钻孔工程量及其消突时间，优化了瓦斯抽放的效果，做到安全、快速揭煤。

渐进式快速石门揭煤方法把从工作面与煤层底板垂距为l0m开始直到穿过煤层进入煤层顶板岩层与煤层垂距为2m为止的整个揭煤作业过程划分为5个部分来施工，即：在10m岩柱区施工5个地质兼测压钻孔，预测突出危险性；在7m岩柱区施工瓦斯抽放钻孔，消除突出危险性；在5m岩柱区再次对突出危险性进行预测，决定是否补充抽（排）放措施；1.5m岩柱区做最后预测，若安全，进行揭煤作业。所以该方法又可以称为“五步法”，其工艺流程如下（见图1）：

（1）在距离煤层法距为l0m时施工5个穿过煤层全厚的前探钻孔，确定煤层位置、产状。选择两个前探钻孔兼做测压钻孔，用来测定煤层的原始瓦斯压力，并取煤样在实验室测定煤层的瓦斯放散初速度和煤的坚固性系数仍等参数，对煤层的突出危险性做出预测。

（2）若有突出危险，工作面掘进至距煤层法距7m以前，施工瓦斯抽放钻孔抽放瓦斯，一段时间后对瓦斯抽放效果进行检验直至有效，再继续向前掘进。

（3）工作面掘进至距离煤层法距为5m时，施工3～5个钻孔，预测煤层的突出危险性，若有突出危险性，补充抽放钻孔进行瓦斯抽放，一段时候后再进行效果检验直至有效，若无突出危险，继续向前施工。

（4）工作面掘进至距离煤层法距为1.5m时，施工3个钻孔预测煤层的突出危险性，若有突出危险，在有突出危险性钻孔周围补打抽（排）放钻孔，抽（排）放瓦斯，一段时间后再进行效果检验直至有效。

（5）1.5m垂距无突出危险后，在做好安全防护措施的条件下，采取浅掘浅进的方式，多循环，少装药，用正常掘进的方式掘开、进入煤层。在揭煤全过程中不进行震动放炮，但采取远距离放炮等安全防护措施，直至掘进到穿过煤层底板岩层距煤层法向距离2m处。

图1 五步渐进式快速石门揭煤技术工艺流程图

4 快速石门揭煤工艺运用实例

4.1 矿井概况

某一单斜构造煤矿，地层走向北西至南东，倾向北东，倾角5～56°，发现断层49条，其中正断层45条，逆断层4条，发育一组背向斜，滑坡六处，构造类型属中等。

矿井设计生产能力300万t/a，采用斜井开拓方式，分期建设，一期设计生产能力90万t/a。一期在老马场工业场地布置主、副及回风斜井3个井筒，主、副斜井井口标高为+1441m，倾角15°，回风斜井井口标高为+1450m，倾角25～14°。2号回风石门位于化乐煤矿一井区第二阶段，标高+1355m，距地表垂深120～140m，在掘进时按25°的方位掘进，巷道设计断面为11.7m2，巷道设计长度为400m。2号回风石门掘进至里程为K0+114m处，根据此前的地质钻孔资料，工作面与3-2煤层的法线距离为10m。

4.2 钻孔施工

4.2.1 前探钻孔

2号回风石门掘进至K0+114m时，与3-2煤层法距为10m，为了准确掌握煤层的层位、倾角、厚度、顶底板岩性、地质构造等情况，停止作业，施工5个地质预测钻孔，钻孔必须严格按照设计要求进行施工，并满足以下要求：

（1）地质预测钻孔必须穿透煤层全厚并进入煤层顶板岩层不小于0.5m，施工时必须详细记录岩芯资料；

（2）在施工地质预测钻孔时，每米煤孔取一个煤样，测定煤层的坚固性系数（f），把每个钻孔所得的坚固性系数最小值加以平均作为煤层软分层的平均坚固性系数；

（3）将坚固性系数最小的两个煤样混合后，测定煤层瓦斯放散初速度。前探钻孔布置平面图如图2。

图2 前探钻孔布置平面图

4.2.2 抽放钻孔

为了消除煤层的突出危险性，根据该煤矿的实际情况，选择钻孔预抽煤层瓦斯作为防突措施。2号回风石门掘进至K0+122m时，与3-2煤层的法线距离为7m，这时，停止掘进，做好支护，准备施工抽放钻孔对煤层瓦斯进行抽放。

4.3 快速揭煤作业

2号回风石门掘进至K0+136m时，工作面与煤层的法向距离为1.5m，停止掘进，再次进行突出危险性预测，沿煤层方向打了3个钻孔对工作面突出危险性进行最后验证，根据测定的K1值，预测3-2煤层的煤与瓦斯突出的危险性。只有当工作面预测或措施效果检验为无突出危险时，方可在采取安全防护措施的条件下采用远距离放炮揭穿煤层，若验证结果出现有突出危险时或打钻出现喷孔现象时，必须按照要求补充局部防突措施。

测得的K1值分别为0.14、0.14、0.16，可知3-2煤的突出危险性己经消除，可进行揭煤作业。

采用远距离放炮的方式揭开3-2煤层，0.5h内瓦斯浓度最高达0.22%，平均浓度为0.14%，验证了排放钻孔的有效性。揭煤后0.5h内，对煤层瓦斯涌出量进行统计，放炮后探头瓦斯浓度变化曲线如图3所示。揭露3-2煤层后停头16h，必须在进行安全处理和可靠支护后才可恢复施工。过煤门时，采用φ42mm的麻花钻杆在煤层中部布置3个检验考察孔，孔深为10m，沿煤层倾角布置，若经预测证实工作面无突出危险，方可按照投影距离进行批掘，直至巷道穿过煤层顶板2m为止。