机械造穴技术在立井井筒揭煤中的应用实践

2022-09-25刘宏光

机械管理开发 2022年8期

刘宏光

（华阳集团泊里煤矿有限公司，山西和顺 032700）

1 泊里公司一号进风立井井筒概况

阳泉煤业集团泊里煤矿有限公司井筒工程位于山西和顺县，矿井为煤与瓦斯突出矿井，井田位于山西省沁水煤田东部边缘，大地构造位置为山西陆台东南部，新华夏系第三隆起带的西翼，井田整体呈北东向，井田构造为走向总体显示为北东、倾向北西的单斜构造。一号进风立井地面标高+1 432.5 m，井下标高+884.5 m，设计井深548 m，净断面积为45.4 m2。根据山西省煤炭地质一四八勘查院对进风立井勘探综合成果柱状图显示，一号进风立井井筒施工过程中将陆续揭露3 号、6 号、8 号、9 号、11 号、13 号、15 号煤层。由于评估报告中显示所有煤层均具有煤与瓦斯突出危险性，故在施工井筒过程中必须对煤层进行区域突出危险性预测，即进行瓦斯含量和瓦斯压力的测定，并严格执行两个“四位一体”综合防突措施。

2 立井揭煤期间区域防突措施

2.1 超前探测钻孔

为保证施工安全，当井筒施工至距离煤层顶板法向距离10 m 位置前（地质构造复杂区为20 m）停止掘进，施工4 个前探钻孔，钻孔终孔位置以穿透煤层底板0.5 m 为准，并记录前探孔资料，再次确定煤层厚度、产状、地质构造等情况。

2.2 区域综合防突措施

2.2.1 区域突出危险性预测

根据煤层瓦斯含量和压力进行区域预测，参数为井下实测数据。根据《防治煤与瓦斯突出细则》[1]，瓦斯含量临界值确定为8 m3/t，瓦斯压力临界值确定为0.74 MPa，进行区域突出危险性预测。使用定点取样钻杆采集煤样；使用DGC 型瓦斯含量直接测定仪进行测定。当井筒施工至距煤层最小法向距离10 m 时进行区域预测，在工作面正前布置7 个穿透煤层全厚且进入底板0.5 m 的区域预测钻孔。由具有煤与瓦斯突出鉴定资质的机构负责考察煤层瓦斯含量和瓦斯压力。若瓦斯含量测定指标小于临界值且钻孔施工过程中无喷孔、顶钻等明显突出预兆，进行区域验证。经区域验证合格后方可恢复掘进，在掘进至工作面距煤层最小法向距离5 m 时执行局部综合防突措施。若瓦斯含量测定指标大于等于临界值或钻孔施工过程中有喷孔、顶钻等明显突出预兆时，则执行区域防突措施。

2.2.2 区域防突措施

在井筒施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯，区域预抽钻孔布置在工作面距离煤层法向距离7 m 前，设计钻孔终孔间距≤3.5 m，且必须保护井筒断面轮廓线12 m。

以一号进风立井揭露15 号煤层为例，共设计85 个抽放钻孔，其中造穴钻孔43 个（煤层部分全长造穴）、普通钻孔42 个。揭露15 号煤层区域防突措施钻孔开孔布置图和剖面图，如图1、下页图2 所示。

图1 揭露15 号煤区域防突措施钻孔开孔布置图（单位：mm）

图2 揭露15 号煤区域防突措施钻孔剖面图（单位：mm）

2.2.3 区域防突措施要求

1）穿层钻孔应当穿透煤层全厚且进入煤层底板0.5m。

2）严格遵循“打一个、连一个、封一个、抽一个”原则，钻孔封堵要严密且封孔段长度不得小于5 m，并及时连入抽采系统。

3）区域钻孔施工完毕后，由地质测量部根据打钻资料分析揭煤区域煤层是否有构造等异常变化。

4）抽放时间待测定完瓦斯含量、瓦斯压力后，按下述公式计算：

式中：R 为井筒掘进半径，m；h 为煤层厚度，m；A 为瓦斯含量，m3/t；C 为百米抽放量，m3/min；F 为钻孔总数量；G 为平均钻孔深度，m；H 为每天施工钻孔数量；I为每米钻孔每天抽放量，m3；D 为打钻总进尺，m；B 为打钻期间的瓦斯抽放量，m3；E 为打钻完成后的抽放时间，d。

2.2.4 区域措施效果检验

1）区域效果检验前，首先分析、检查预抽区域内钻孔的分布等是否符合设计要求。

2）根据检验单元内瓦斯抽采及排放量等计算煤层的残余瓦斯含量，达到要求指标后再现场测定残余瓦斯含量，并根据直接测定指标判断防突效果。

2.2.5 区域效果检验方法

采用煤层残余含量进行区域效果检验，参数为井下实测数据。使用定点取样钻杆采集煤样；使用DGC型瓦斯含量直接测定仪进行测定[2]。由具有煤与瓦斯突出鉴定资质的机构负责考察瓦斯含量和瓦斯压力。

2.2.6 区域效果检验的临界值

根据《防治煤与瓦斯突出细则》，瓦斯含量临界值确定为8 m3/t，瓦斯压力临界值确定为0.74 MPa。

2.2.7 区域效果检验孔布置要求及方式

1）区域效果检验孔应当布置于所在钻孔密度较小、孔间距较大、预抽时间较短的位置，并尽可能远离各预抽瓦斯钻孔或者尽可能与周围预抽瓦斯钻孔保持等距离，避开采掘巷道的排放范围和工作面的预抽超前距。

2）在进行区域效果检验前，应根据上述要求，重新编制区域效果检验钻孔设计。

2.2.8 区域效果检验结论

煤层残余瓦斯含量指标小于临界值且钻孔施工过程中无喷孔、顶钻等明显突出预兆，判定区域措施有效，该区域为无突出危险区，允许掘进，在掘进至工作面距煤层最小法向距离5 m 时执行局部综合防突措施。

煤层残余瓦斯含量大于等于临界值或钻孔施工过程中有喷孔、顶钻等明显突出预兆，以此检验测试点或者发生明显突出预兆的位置为中心，半径100 m范围内判定为措施无效，该区域为突出危险区，必须采取或者继续执行区域防突措施，直至达标为止。

3 机械造穴要求

3.1 造穴设备要求

3.1.1 钻机

扭矩＞3 500 N·m，转速60～220 r/min，推进力＞70 kN，起拔力＞140 kN。具有联动防喷装置，油缸推进压力＞16 MPa，支撑力大于60 kN。联动操作时，前夹持器联动实现液压夹持[3]。

3.1.2 钻具

钻杆采用锥形丝扣高压密封连接，保证在20 MPa高压水作用下水便旋转顺畅、不漏水。高低压水流转换装置实现低水压轴向钻进打钻，高水压径向切割煤体造穴，自由转换，不需要更换钻具。

3.1.3 高压清水泵站

输出压力≥20 MPa，流量≥200 L/min；泵站具有自动上水过滤装置、联动防喷装置及煤水气分离装置。钻机在钻进时，实现钻孔涌出瓦斯、煤渣和水的安全有效分离排放。

3.2 技术要求

1）顺层钻孔在地质构造带附近20 m 范围内不得进行水力造穴。

2）顺层钻孔在煤层顶（底）板为含水层，或造穴影响范围内存在透水型地质构造的区域不得进行水力造穴。

3）矿井首次进行水力造穴的，应当委托科研机构对造穴影响半径进行考察，并出具考察报告，考察结果适用于相同瓦斯地质条件区域。首次采用水力造穴，必须根据考察报告编制施工设计方案，报上级公司审批。

4）水力造穴作为煤层增透措施，必须进行瓦斯抽采。

3.3 设计要求

1）穿层水力造穴区域应具有不小于7 m 安全岩层；顺层水力造穴区域应具有不小于20 m 安全保护煤体。

2）后退式造穴适用于打钻不卡钻、不顶钻等区域；前进式造穴适用于打钻卡钻、顶钻，地质异常，打钻困难区域。

3）相邻造穴钻孔终孔间距原则上不大于6 m；顺层水力造穴钻孔造穴段长度以1 m 为宜，相邻造穴段间距为5～10 m。

4）每个造穴段出煤量不大于0.7 t/m 或造穴时间不少于30 min/m。

4 采取机械造穴措施前后的效果分析

以泊里公司一号进风立井揭露6 号煤层、15 号煤层为例，从瓦斯含量、采取的相关技术措施及揭煤期间风流瓦斯浓度进行分析对比，具体如下：

4.1 揭露6 号煤层概况

由中煤一建十处承建的泊里公司一号进风立井，掘进至距离6 号煤层10 m 前，采取钻探手段对煤层进行探测，确定煤层层位、产状、地质构造等情况，确定6 号煤层厚度为0.7 m，煤层走向北东至南西，倾角为4°。施工至距离6 号煤层10.5 m 时，停止掘进，委托华北科技学院现场测试煤层瓦斯含量和压力。测试瓦斯含量最大为7.41 m3/t，瓦斯压力最大为0.2 MPa。施工至距离6 号煤层7 m 时停止掘进，施工220 个穿层钻孔，孔径133 mm，保护井筒轮廓线12 m。施工至距离6 号煤层5 m 时，施工102 个穿层钻孔，孔径133 mm。现场测试钻屑瓦斯解吸指标K1值最大为掘进至距离6 号煤层3 m 时，利用伞钻施工瓦斯排放孔120 个，孔径42 mm。并进行揭煤前最后验证，测得K1值最大为揭露6 号煤层时炮后工作面最大瓦斯体积分数为0.86%，回风流最大瓦斯体积分数为0.63%。

4.2 揭露15 号煤层概况

泊里公司一号进风立井探测15 号煤层厚度为5.3 m，经区域预测瓦斯含量最大为11.02 m3/t,瓦斯压力最大为0.53 MPa；距离煤层7 m 时采取了机械造穴及普通钻孔相结合的区域防突措施，共施工85 个进入底板0.5 m 的预抽钻孔，其中43 个造穴钻孔、42 个普通钻孔，控制井筒轮廓线12 m。钻孔施工完毕后经区域效果检验，测得残余瓦斯含量最大为7.47 m3/t；工作面局部预测K1值最大为，揭煤前进行最后验证，测得K1值最大为揭煤当班工作面正前最大瓦斯体积分数0.28%，回风流最大瓦斯体积分数0.20%。