某矿主皮带斜巷过L5石灰岩段瓦斯和涌水防治方案

任继平

(吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心)

山西同德矿井田面积9.827 1 km2，批准开采4#～10#煤层，现开采4#、5#煤层，核定生产能力为120万t/a。矿井水文地质类型属中等类型，正常涌水量39.1 m3/h，最大涌水量54 m3/h。矿井绝对瓦斯涌出量37.75 m3/min，相对瓦斯涌出量15.55 m3/t，为高瓦斯矿井。4#、5#煤层的自燃倾向性等级均为Ⅱ级。开采煤层煤尘均具有爆炸性。矿井采用斜井开拓方式，井田内布置有主斜井、副斜井、进风立井、回风立井4个井筒。矿井采用中央分列式通风方式，主斜井、副斜井、进风立井进风，回风立井回风。矿井建有地面固定式瓦斯抽采系统，分别进行高、低负压分源抽采。高负压抽采泵站建在主工业广场，站内安装2台2BEC50型水环式真空泵，配套电机功率200 kW，1用1备。目前瓦斯抽采浓度39%，纯瓦斯量4.07 m3/min。低负压抽采泵站修建于康家沟工业广场，站内安装2台2BEC62型水环式真空泵，功率315 kW，1用1备。目前瓦斯抽采浓度为13%，纯瓦斯量12.94 m3/min。矿井瓦斯抽采量为14.36 m3/min，矿井瓦斯抽采率为44.2%。该矿主皮带斜巷长330 m，坡度6°49′32″，当主皮带斜巷掘进至末端30 m的L5石灰岩段时，瓦斯、水大量涌出，瓦斯涌出量达到12 m3/min，涌水量达到30 m3/h，严重影响了巷道掘进施工。

1 瓦斯涌出来源及测定

该矿L5石灰岩上下方分别有厚度为8，4 m的泥岩，泥岩具有较强的致密性，可以隔离瓦斯层间流动，可见，L5石灰岩绝大部分瓦斯来自其本身。对岩样进行分析可知，在岩石的断裂面上也分布有海相动物类似海百合的化石，其在地质年代中可能形成烷烃族气体并赋存于空隙内，该类空隙包括构造破坏带以及后续水解作用形成的大量岩石空洞。L5石灰岩中海相动物化石生成瓦斯，溶洞储存了瓦斯[1-3]。

尽管该巷已揭露1 a有余，但瓦斯涌出量仍保持在6～8 m3/min，按揭露的石灰岩15个月共450 d、瓦斯涌出量8 m3/min计算，已经涌出的瓦斯总量为518.4万m3；涌水量平均按28 m3/h计算，涌水总量已达30.24万m3。为确定瓦斯和水的喷出点，在L5石灰岩巷道内进行实测，在巷道左帮，距工作面25 m范围内，瓦斯喷出点较多，并可听到喷瓦斯的“滋滋”声，在砌碹石缝中测定的瓦斯浓度大都为80%～100%，喷水点大都位于巷道底板，最大一处在煤仓底部，涌水量占较大比例(表1)；巷道右帮瓦斯浓度较小，可见，瓦斯并非从巷道两翼涌向揭露巷道，而是从向斜轴部涌出。

表1 L5石灰岩瓦斯涌出量测定结果

综合分析可知：该矿主皮带斜巷末端30 m范围内L5石灰岩段的大量瓦斯来源于向斜轴部，之所以形成大量瓦斯与水伴生储存，是由于向斜轴的地质构造所致；该巷道倾向与向斜轴倾向相同，即随着巷道的掘进，越接近向斜轴深部，瓦斯与水涌出量会有増无减。根据对主皮带斜巷末端30 m的L5石灰岩段水和瓦斯涌出原因的分析，加之石灰岩瓦斯喷出量将会随着巷道深度的增加而增大，涌水量也随之增大，仅依靠正常通风降低风流中的瓦斯浓度相当困难，如果直接封闭该段巷道进行瓦斯抽放，抽放时间至少需要2 a，则会造成该段巷道无法正常掘进施工，直接经济损失预计达到400多万元。

2 防治方案

2.1 注浆封堵工艺

为确保在降低巷道瓦斯浓度的同时，有效封堵巷道涌水，本研究采用注浆技术对该主皮带斜巷过L5石灰岩段时瓦斯和水涌出进行治理[4-8]。

2.1.1 钻机选型

本研究选用钻机型号为TXU-75型油压钻机，钻进深度75 m，电机功率4 kW，外形尺寸为1 150 mm×600 mm×1 080 mm(长×宽×高)。主皮带斜巷与L5石灰岩交叉形式为斜交，相对交角为2°19′32″，该巷道在厚度为5.67 m的L5石灰岩中穿过近100 m。

2.1.2 注浆孔布置

根据矿区地质构造及围岩裂隙特征参数，可知该巷与石灰岩交角较小，钻孔应布置于巷内向两侧呈扇形布置，钻孔开孔至终孔全部在L5石灰岩中。考虑到岩层较厚，采用每个钻窝布置2个钻孔的方法。本研究设计布置钻孔19个，孔深20～24 m，孔径50 mm，布置成2帮孔为主的注浆带，注浆层为L5石灰岩瓦斯涌出带。注浆孔技术参数见表2。

表2 注浆孔技术参数

注：遇6#煤层后立即停钻，钻孔尽可能不打入L4石灰岩。

浆液在岩层中的渗透半径R受到很多因素影响，如岩层渗透系数、注浆压力、黏度、注浆时间等，经计算，本研究R取4.33 m。

2.1.3 注浆设备

采用1台2TGZ-60/210型双液高压注浆泵进行注浆。该型双液高压注浆泵由液缸、动力、传动、变速和吸排管路等部分组成。液缸部分为2套单缸的液缸，1套用于吸排水玻璃，1套用于吸排水泥液浆。动力采用BJQ2-7.5-4型电动机，功率7.5 kW，电压380 V。变速采用BJ-212型变速箱，变速输入轴通过联轴器与电机连接，输出轴直接与小皮带轮连接，由三角带传动。吸浆管用2根2寸半埋线管，排浆管用3/4寸钢丝编织的高压胶管，接头均为快速连接头。

2.2 注浆施工工艺

为有效控制钻孔瓦斯喷出及掌握注浆后孔间渗透影响关系，钻孔与注浆采用两帮钻注单行作业方式，钻1个孔注1个孔。注浆材料为水玻璃，浓度为45～50 °Be′，9～15 t；525(R)硅酸盐水泥为15～20 t。

水泥浆配比为(1～0.6)∶1(水∶水泥)，浆液配比为1.5∶1.1(水玻璃∶水泥浆)。为有利于增大扩散半径，按照上述配比先稀后浓的方式双液注入。注浆初压和洗孔时的压力为20～30 kg/cm2，终孔时压力为60～80 kg/cm2。孔口止浆采用对接法兰盘(阀门)直接注浆，如果效果不佳，也可采用胶圈膨胀式结构。结合巷道围岩裂隙情况，采用3～3.5 m长止浆阀，以达到封堵时不跑浆的效果[9-10]。

注浆前，当注浆设备电源接通后，变速箱首先置于空档，待启动电机运转正常后，打开高压管路上的泄压阀，然后分别对4个档位进行吸清水试验，检查泵的运转和吸排浆管路的畅通程度，发现异常应及时处理[11]。特别注意的是：当压力表有明显的压力显示时，表明高压胶管内有杂物堵塞，须及时处理，只有当一切正常后，方可根据注浆孔涌水量和压力大小，确定开始注浆的档位，对涌水裂隙进行压力试验，同时进行调正水玻璃吸浆控制阀，使2个吸浆管按所需的比例吸浆[11]。

注浆过程中，一般需要6～9人，其中，现场指挥员1名，泄浆员1名，泵司机1名，水泥调整浆员2～4人，水玻璃配浆员1名。当注浆压力达到规定的注浆终压时及时停泵，开泄压阀，更换低一级速度，待电机启动后，关泄压阀，继续注浆，直至最低档位要求的终压为止。

为预防注浆封堵后，由于围岩活动造成再生裂隙以及其他原因造成的瓦斯和水涌出，在巷道掘砌过程中应进行抹灰处理。考虑到灰岩较坚硬、掘进水仓无需砌碹，可直接喷射混凝土，用喷射机将混凝土高速喷射至岩壁上，使之与岩壁紧密结合，从而凝成混凝土薄壳，既起到支撑作用，又起到封闭作用。喷射混凝土的材料配比一般为1∶2∶ 2( 水泥∶ 砂∶ 石子) ，喷侧墙为1∶ 2． 0∶ ( 2． 5 ～ 2． 0) ，喷拱顶为1∶ 2. 0∶ ( 1． 5 ～ 2． 0) ，喷第 1 层时为1∶ 2∶ 1． 5 或1∶ 2． 5∶ 1． 5，喷第2 层、第3 层 时石子可适当增加。水泥采用525( R) 普通硅酸盐 水泥，砂子采用中粗砂，石子采用卵石( 粒径≤20 mm) 、碎石( 粒径≤25 mm) 均可，以卵石为佳。水灰 比一般为0． 4 ～ 0． 45，喷射混凝土厚度一般为10 ～ 15 cm，本研究取10 cm。喷射混凝土时要求全断面 连续喷射，包括拱顶、两帮、底板，以形成封闭圈达到 封堵瓦斯的目的。

3 结 语

对山西同德矿主皮带斜巷过L5石灰岩段时的瓦斯和水涌出的防治方案进行了设计。该方案的有效实施，使得巷道底板涌水量明显减少，巷道风流中的瓦斯浓度降低至0.5%左右，达到了预期目标。