锦源煤矿回风石门揭煤快速掘进的保障工艺研究

孙 健，张兵兵，刘 磊

(山西省临县林家坪镇 锦源煤矿，山西 临县 033200)

1 工程概况

锦源煤矿位于山西晋中煤炭基地离柳矿区，隶属于山西临县锦源煤业有限公司，井田地里坐标北纬37°38′10"～37°44′01"，东经110°45′58"～110°54′23"。锦源煤矿中央回风井2号回风石门自井底连接处(马头门)结束处开口，沿(4+5)煤层顶板施工，开口点底板标高+320 m，巷道设计长度为324.656 m，施工前期按0.7%下坡掘进，施工至217.5 m后，改为7°24′上山掘进，巷道设计断面28.88 m2，净宽5.5 m，净高4.75 m，支护形式为锚网喷+锚索支护。随着巷道7%下坡施工，预计该巷道向前施工29.7 m，将由巷道底板揭开(4+5)煤层。因此，在揭煤过程中应制定详细的保障措施，以确保整个揭煤工作安全进行。

2 地质条件

锦源煤矿5(4+5)号井田整体为一缓倾斜的单斜构造，煤层厚度5.8 m，煤层倾角为5°，煤层走向为110°、未发现断层、陷落柱，未发现岩浆活动，井田构造属简单类型。5(4+5)号煤层顶板为中细粒砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩或泥岩，局部为细砂岩和粉砂岩。根据现有地质资料分析，中央回风井 2号石门所属区域5(4+5)号煤层，水文地质条件中等。本次施工揭露的地层位于二叠系下统山西组，本组含水层主要由K3等砂岩组成，岩性为细-粗粒砂岩，厚度变化大，裂隙不发育。5(4+5)号煤层顶板砂岩为直接充水含水层，厚0.8～16.4 m，厚度极不稳定。单位涌水量为0.003 14 L/(s·m-1)，属弱富水含水层。因此，区内含水岩组以孔隙、裂隙充水为主水文地质条件简单。根据矿井瓦斯基础参数测定、涌出量测定和突出性评估，矿井为高瓦斯矿井，先期开采地段预测区域内5(4+5)号煤层，瓦斯含量小于8 m3/t。各煤层均为自燃或容易自燃煤层。回风石门巷道断面，见图1。

1—背木；2—U型钢；3—混凝土；4—石门壁；5—套棚；6—锚索；7—锚索内托盘；8—锚索外托盘

3 石门揭煤工作面突出危险性的测定

瓦斯的压力临界值采用封孔测压法测定[1]，将带有1 MPa压力表的孔口管压盖连接到孔口管上，详细记录压力上升与时间的关系，直到压力稳定为止。稳定后的压力即为煤层瓦斯压力。具体操作如下：

1) 瓦斯压力表装好后，指派专人记录数据，记录频率按照瓦斯压力表示数上升速度来定，初期一般变化0.1 MPa，即记录1次，待瓦斯压力上升的速度稳定后,一般1 h记录1次；

2) 记录内容分别为日期、瓦斯压力表数据；

3) 当瓦斯压力稳定不动24 h后，观测过程结束；

在钻孔见煤后，取4 m、8 m和12 m，用WCT测定仪测定各段K值，取最大值来判定瓦斯突出危险性[2]。

前探孔成孔情况，如表1所示。

表1 前探钻孔实际成孔

4) 1号钻孔P=0.25 MPa、2号钻孔P=0.35 MPa、3号钻孔P=0.5 MPa；

5) 前探钻孔煤层段进行K1值测定(测定位置：4 m、8 m和12 m)，测定结果如下：

1号钻孔K1值：4 m时为0.13、8 m时为0.08、12 m时为0.29。

3号钻孔K1值：4 m时为0.19、8 m时为0.23、12 m时为0.22。

从实际测定结果分析该面测定指标：瓦斯压力P最大值0.5 MPa小于0.6 MPa；K值最大值0.29小于突出危险性指标0.5，且在钻孔施工过程中无其他动力现象，因此判定该工作面无突出危险性，可以进行揭煤施工。

4 石门揭煤保障措施

4.1 瓦斯防治技术

为防治掘进过程中的瓦斯事故，严格执行“边探边掘”的措施[3]，具体为：

1) 根据已探测的煤层实际情况，在巷道底板距煤层顶板法距10 m时执行“边探边掘”措施;

2) 根据已探测的煤层实际情况，另行制定边探边掘措施，措施中至少保证3个探煤钻孔;

3) 施工探孔时，由项目部带班领导和工作面跟班干部现场跟班监督探孔施工，施工单位负责记录探孔数据，探孔施工结束后，施工队组汇报项目部调度室，项目部向矿调度室汇报，瓦检员汇报矿通风调度;

4) 根据巷道实际情况，当巷道底板与5(4+5)号煤层顶板岩柱法距达到1.5 m时，开始施工导硐，导硐施工期间，要严格控制岩层与煤层的法向距离不小于1.5 m，如遇底板岩层破碎时必须及时调整施工，特殊地质条件下出现岩层小于1.5 m时，可根据实际情况提前揭开煤层。

4.2 导硐揭煤爆破技术

根据探测实际情况布置炮眼，见图2，利用导硐一次性爆破揭开5(4+5)号煤层。揭开煤层时爆破基本参数布置要求：炮眼按排间距500 mm×500 mm间隔布置，炮眼深度2.5 m，确保煤眼底进入煤层深度不小于1 m，考虑爆破效果施工炮眼时眼孔可向工作面掘进方向适当倾斜完全揭开煤层。

图2 中央回风门石门断面炮眼布置示意(mm)

4.3 揭煤支护方案

4.3.1 临时支护

整个揭煤作业过程临时支护采用轻型单体顶住网片进行，在单体顶住确认牢固之后方可进行锚、网施工。每张网片所用支撑单体不得少于2根(穿鞋带帽)，临时支护时必须有专人对单体进行监护，以保证单体支撑牢固，防止单体卸压。

4.3.2 喷浆前锚网支护

1) 揭开煤层前执行“二掘一喷”、喷浆前须完成顶、帮锚杆，锚索支护，帮网滞后工作面不大于15 m[4]。

2) 工作面全断面揭露煤层后巷道掘进时，执行该工作面掘进的作业规程有关规定。

4.3.3 施工至1.5 m法距导硐施工支护

1) 支护方式：“锚网”联合支护[5]。

2) 锚杆：每排布置D22-M24-2 400 mm螺纹钢锚杆，间排距800 mm×1 000 mm、矩形布置；托盘为150 mm×150 mm×10 mm的钢板。安装锚杆前端头先后装填K2335、Z2360树脂锚固剂各1支，锚固力不小于150 kN，预紧力矩不小于400 N·m，锚杆自螺母外露长度不大于40 mm。当锚杆支护失效时用D22-3 600 mm或其他规格锚索替代。

3) 网片：10号铁丝而成，网格50 mm×50 mm，搭接长度为100 mm。连接网片使用D16 mm的铁丝固定。

4) 导硐施工为过渡性支护，只采用锚网支护，不进行喷浆施工。

反底拱使用双层钢筋混凝土浇筑，混凝土强度等级为C30，钢筋直径为20 mm,间排距为250 mm,上下层间距为250 mm,U36钢棚加强支护，棚间距1 000 mm,巷道顶帮喷浆混凝土强度等级为C20,图3为回风石门支护断面图。

图3 回风石门支护断面(mm)

4.3.4 支护效果观测

采用前进式钻孔电视观测围岩内部情况，有效的评价支护效果如图4所示。巷道支护后，为检验支护效果，对巷道围岩变形量和变形速率进行了为期400 d的跟踪观测，结果如图5所示。可以看出，石门揭煤后巷道60 d内的围岩变形较剧烈，两帮移近速率最大值达13 mm/d，顶板下沉速率最大值为10 mm/d；60 d后巷道围岩变形速率显著降低，变形逐渐停止。经过400 d的观测发现，巷道两帮移近量最大值为349 mm，顶板下沉量最大值为323 mm，巷道断面形状已稳定，支护结构未出现显著破坏，巷道状况整体良好。

图4 围岩内部情况的钻孔观测

图5 巷道变形随时间的变化

5 结 语

本文对锦源煤矿回风石门揭煤快速掘进的保障工艺进行了详细的分析。通过对石门揭煤工作面突出危险性进行测定，提出了石门揭煤保障的具体措施，包括瓦斯防治技术、导硐揭煤爆破技术和揭煤支护方案等，顺利揭露中央回风石门(4+5)煤层，期间未出现任何瓦斯异常或者瓦斯动力显现，效果显著，对于煤矿安全、高效、可持续开采有着十分重要的意义，对类似矿井的安全生产也具有一定的借鉴意义。