井筒过灰岩瓦斯储层综合防治技术

刘广宇

（山西介休义棠青云煤业有限公司，山西 介休032000）

1 工程概况

山西义棠煤矿，设计生产能力1.80 Mt/a，随着井田开拓向西翼延伸，矿井通风阻力较大。为优化矿井通风系统，设计将原2号回风井延伸到下组煤。暗立井设计深度为125 m，采用反井施工工艺。反井钻机施工的导硐直径为1.4 m（半径R=0.7 m），从上组煤向下组煤扩掘施工，扩井后井筒毛直径为7 m（半径R=3.5 m），净直径6 m（半径R=3 m）。9号煤直接顶板为K2灰岩，灰岩内溶洞、节理、裂隙发育，瓦斯含量高。扩井施工接近K2石灰岩时，瓦斯涌出来明显增加，开炮后，配风1 200 m3/min的情况下，瓦斯浓度时常超过1%。由于K2石灰岩联通性较好，瓦斯储量大，暗立井扩掘过K2石灰岩时，K2灰岩揭露面积增大数十倍，瓦斯涌出量预计将会大大增加。因此，必须采取有效的安全技术措施，以确保施工安全和工程的顺利进行。

2 瓦斯赋存情况

石炭系上统太原组，为一套具明显沉积旋回的海陆交互相含煤建造，为本区主要含煤地层之一。主要由灰黑色砂质泥岩、泥岩、灰色砂岩、煤层和3～4层石灰岩组成。石灰岩厚度大，层位稳定。含煤层6～10层，其中9号、10号和11号煤层全区稳定可采，5号煤层为局部可采煤层（见图1）。该组连续沉积于本溪组之上，厚度为80.50～118.20 m，平均97.65 m。

K2石灰岩位于石炭系上统太原组中段，是9号煤的直接顶，K2石灰岩平均厚度8.71 m，围岩分级为Ⅱ类，稳定性较好。K2石灰岩的节理、裂隙、溶洞、溶蚀十分发育，尤其是断层附近，溶隙宽度达到350 mm，可见长度19 m。孔洞内不含水，瓦斯浓度达到60%以上。K2石灰岩上部覆盖着均厚5.91 m的泥岩、砂质泥岩，均厚7.84 m的细粒砂岩、中粒砂岩，沉积稳定、均匀，具有良好隔离效果。所以，K2石灰岩是下组煤瓦斯良好的储藏层，即储层。瓦斯生成层为太原组9号～11号煤层。煤层在泥炭化、煤化阶段生成的大量瓦斯。据统计，每生成1 t煤，要伴随生成大约1 000 m3的瓦斯。煤成气（即瓦斯）大部分逸散到空气中和围岩中，因为K2上覆厚层泥岩、砂质泥岩和细类砂岩，盖层相当严密，起到很好的封存作用，很大一部分瓦斯被保存在K2灰岩中。经河南理工大学对煤层瓦斯赋存的参数鉴定，开采煤层位于瓦斯风化带内，绝对瓦斯涌出来均小于2.5 m3/t，下组煤煤层中瓦斯含量相对较低。因此，可以推断，井筒扩掘期间，瓦斯涌出的主要来源是K2灰岩。针对K2灰岩，制定有针对性的瓦斯防治完全技术措施，是安全扩掘的关键。

3 施工方案

暗立井反井施工完成后，采取自然风压通风，因井筒内处于负压状态，有利于瓦斯的析出，且K2灰岩节理、裂隙发育，连通性好，瓦斯补给丰富。单独依靠抽放，漏风大，瓦斯抽放效率低，不能起到很好的瓦斯治理效果。经过对比确定，在扩掘至距离K2灰岩3 m时，首先，对井筒内进行工作面预注浆，控制浆液扩散半径，达到控制性的帷幕注浆，隔离瓦斯向井筒逸散的通道，同时，减小漏风，起到提高瓦斯抽放效率的作用。然后，在暗立井底，向井筒周边施工抽放钻孔，进行瓦斯抽放，使瓦斯向钻孔径向流动，降低井筒扩掘期间瓦斯涌出量。在抽放流场的保护下，使瓦斯涌出量降低到安全生成允许的范围内，顺利进行暗立井的安全扩掘工作。

图1 K2灰岩顶底板煤岩层柱状图

4 帷幕注浆封堵瓦斯通道

4.1 帷幕注浆设计

注浆封堵瓦斯通道，在井筒周围形成帷幕墙。注浆的作用主要是封堵瓦斯涌出的通道，防止开凿井筒时瓦斯大量涌出。在井筒周围2.5 m范围内，控制性注浆，形成内直径7 m（半径R=3.5 m），厚度至少2.5 m的圆环型帷幕墙（见图2）。通过对注浆段施工，浆液充填K2石灰岩中的节理、裂隙、溶洞、溶蚀，形成堵气、防水的环形帷幕墙，同时增强井筒周边围岩的强度，减小围岩松动范围，对井壁起到良好的加固作用。注浆工作完成后，要打检查孔，对注浆效果进行检验，效果不好时，要再次注浆，直到达到设计效果。注浆采用下行式注浆方式，注浆段高不超过5 m，钻孔漏失量较大时，缩短注浆段高。

4.2 注浆孔钻孔布置

注浆孔设计布置11个，沿井筒荒径（D=7 m）平均布置，为使钻孔尽可能揭露灰岩中的裂隙、节理，钻孔设计带一定角度的切向角。注浆钻孔孔间距为2 m，径向角为6°，切向角为30°，单孔长度为12.9 m。孔口管用4寸无缝钢管加工，设计安装长度为1.5 m。

图2 帷幕注浆设计示意图

4.3 注浆施工设备选择

注浆孔打钻设备：MKQJ90/25—HT潜孔钻机，1台。配套直径50 mm钻杆20根，90型冲击器1个，直径127 mm、直径89 mm钻头各一颗。

注浆设备：2TGZ-90/140型注浆泵，1台；搅拌机的选择：LJ—200防爆型水泥浆搅拌机，1台。

4.4 注浆材料的选择

水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥；水玻璃：水玻璃模数为2.8～3.1，浓度为45°Be′以上。

4.5 浆液的选择

封堵瓦斯不仅要堵大的裂隙，还要堵好细小裂隙以及孔隙。所以，优先选用水灰比较大的单液水泥浆，确保注浆质量，水泥浆水灰质量比1∶1～2∶1。有跑浆或长时间不起压时，选用C-S（水泥和水玻璃混合）双液浆进行封堵。C-S双液浆配比：水泥浆水灰比1∶1～2∶1。水玻璃模数2.8～3.1，浓度为30～40°Be′，m（C）∶m（S）=1∶（0.5～0.7）。

4.6 注浆终压

为使浆液扩散到更小的岩层裂隙中，以不破坏井筒围岩为原则，注浆终压选择2～3 MPa。注浆初期，裂隙、孔洞发育，注浆终压选择低值。注浆后期，注入量少，注浆终压选择高值。

4.7 注浆结束标准

为保证注浆封堵和加固质量，每孔注浆均要达到结束标准。注浆泵调到最低挡后，注浆终压达到设计压力，稳定时间大于20 min为合格。

4.8 帷幕注浆施工

帷幕注浆历时8 d，总计打孔11个，检查孔3个，注入水泥43.4 t（868袋），水玻璃23 t。经过检验达到帷幕注浆设计效果，见表1注浆孔参数及注浆量。

5 打钻孔抽放储层瓦斯

在注浆帷幕墙外围布置钻孔，对暗立井周边K2石灰岩中的瓦斯进行抽放，减少暗立井扩掘期间围岩瓦斯涌出量。钻场布置在暗立井下口的下组煤回风大巷中，钻场要求支护良好，挡矸设施齐全可靠，同时要便于抽放管路连接。

表1 注浆孔参数及注浆量

瓦斯抽放钻孔的施工，选择ZDY—4000S型液压钻机施工，配套直径75 mm钻杆50根，直径94 mm的钻头5颗。

钻场内设计施工8个钻孔，上下两排各4个钻孔，钻孔间距0.6 m，布置在钻场中部，呈方形布置。终孔位置要求：1号、2号、3号、4号钻孔打在暗立井井筒左侧，5号、6号、7号、8号钻孔打在暗立井井筒的右侧。钻孔穿透K2石灰岩底板，钻孔终孔距K2石灰岩顶板2.0～6.0 m，距井筒边缘6.0～8.0 m（井筒扩砌后外壁直径为7.0 m，内径为6.0 m），见表2钻场内钻孔设计参数。

表2 钻场内钻孔设计参数

6 其他安全技术措施

6.1 及时对揭露的K2石灰岩进行喷浆封闭

对井筒扩掘段及井筒周围50 m范围内裸露的K2灰岩进行喷浆封闭。喷浆前要求锚网支护可靠，喷层厚度不低于0.1 m。喷浆起到进一步封闭瓦斯涌出通道的作用，阻断瓦斯运移的通道，减少漏风。

6.2 短掘短砌

减小循环进度，及时进行井壁混凝土浇筑，缩井筒内裸露灰岩，即减小瓦斯涌出的表面积。提高光面爆破的质量，尤其是加密周边炮眼，减小爆破震动对井筒围岩的松动、破坏。井筒内立模支护要及时，井筒浇筑滞后不得超过3 m。

6.3 台阶施工，防止瓦斯积聚

扩孔前反井直径为1.4 m，扩孔后井筒毛直径为7 m，通风面积扩大25倍。通风断面的突然扩大，会在拐角处形成涡流，造成放炮烟尘不易排出和瓦斯积聚等问题。为更好地排出放炮烟尘，尤其防止拐角处瓦斯积聚，减少局部风阻，采取台阶施工。逐渐扩大通风断面，降低局部风阻，防止涡流造成瓦斯积聚。第一台阶布置三圈炮眼，扩1.8 m宽，第二台阶扩掘到位，形成毛直径7 m的井筒，台阶高度设计成1.5 m，见图3井筒台阶施工示意图。

图3 井筒台阶施工示意图

6.4 加强爆破管理

加强爆破管理工作，坚持“一炮三检”和“三人联锁”制度，瓦斯异常时，必须加大瓦斯检查频次。放炮必须使用水炮泥，炮泥封孔长度符合规定要求。加强工作中的管理，防止电气火花和碰撞火花的产生。注浆孔和检查孔必须全部注浆封孔，防止瓦斯积聚，造成瓦斯爆炸或者爆燃事故。同时做好放炮警戒工作，放炮前，在暗立井及井口下部下组煤回风巷内安排专人设置警戒线。

6.5 加强暗立井下口支护

暗立井下部为下组煤回风巷，巷道布置在10号煤层中，采用锚网喷支护，扩掘施工前，需要提前对暗立井下口周围进行加强支护，主要是补打锚索支护，锚索支护要求锚入K2灰岩1 m以上。防止暗立井下口巷道因开炮震动影响松动破坏，保证施工人员作业期间的安全。

6.6 保证通风畅通

暗立井扩掘开炮后，及时清理井筒内及暗立井下口的矸石，防止矸石堆积，影响暗立井通风的风量。

7 结论

通过对瓦斯储层的外堵内抽，多措并举，达到了瓦斯有效控制，井筒安全扩掘的最终目的。瓦斯抽放钻孔抽出的瓦斯浓度最高达到67%，纯瓦斯抽放量达到85～100 m3/min。在采取封堵隔离、瓦斯抽放等综合措施后，井筒内瓦斯涌出量大大降低，扩掘期间没有出现瓦斯超限现象。通过施工进一步验证了K2灰岩作为下组煤的瓦斯主要存储空间，瓦斯的赋存量、径流补给量都相当丰富，是矿井的主要瓦斯富集层。在控制局部注浆封堵，减小漏风的情况下，可以提高瓦斯的抽放效率，降低生产成本。瓦斯的治理工作，在找到了治理的目的层后，瓦斯防治工作更有针对性。