里必矿主斜井揭煤综合防突技术实践

2023-12-04白军军连英立郝国强安峰江

煤炭与化工 2023年10期

杨刚，白军军，连英立，郝国强，安峰江

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.中煤华晋集团晋城能源有限公司，山西晋城 048299；3.神华地质勘查有限责任公司，北京 100011；4.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北邯郸 056038）

0 引言

煤与瓦斯突出是煤矿建设和生产过程中的工程地质灾害,井巷揭煤时发生煤与瓦斯突出的概率最大，造成的危害也大。井巷揭煤包括石门和井筒的揭煤。相比石门揭煤，井筒揭煤具有揭煤井巷断面积大、施工场地受限、施工工期长等特点，而作为井筒的一种特殊形式，斜井揭煤往往又具有“过煤门”段长的特点。斜井揭煤是一项危险而复杂的系统工程。因斜井在矿山所有井巷中占比低，常为矿山基建时开凿，所以斜井揭煤实践较少，但我国对斜井揭煤仍积累了一定的经验。新田煤矿副斜井采用穿层钻孔预抽揭煤区域煤层瓦斯，回风斜井和主斜井采取顺层钻孔预抽煤层瓦斯，实现了安全揭煤。容光矿回风斜井揭开煤层前通过设计的超前排放孔排放瓦斯，在回风斜井工作面施工过程中，按照突出指标预测、施工排放钻孔、效果检验的步骤进行掘进，并根据检验的结果进行瓦斯排放，实现了回风斜井安全揭煤。马依西一井北回风斜井采取钻场交叉钻孔抽采瓦斯、注浆加固揭煤点井筒周围煤体、“过煤门”时利用金属骨架加固控制煤层顶板并配合小断面震动爆破防突技术实现了安全揭煤。明矾沟煤矿采取主副斜井联合揭煤的技术方法，提高了揭煤速度、减少了措施工程量、缩短了工期。新疆某矿在斜井揭煤过程中，采用预抽瓦斯和煤体注浆相结合的防突技术，较好地解决了该矿斜井揭煤防突技术难题。官寨煤矿主斜井设计采用水力压裂地面预抽技术进行辅助消突。然而，我国于2019 年实施《防治煤与瓦斯突出细则》后，鲜有斜井揭煤的报道。

里必矿主斜井井筒揭煤区域3 号煤层实测瓦斯含量最大值为19.56 m3/t，相对瓦斯压力2.45 MPa，均超过规定临界值，预测主斜井井筒揭3 号煤层区域属突出危险区。为保证里必矿主斜井安全顺利揭煤，本文对主斜井揭煤时的综合防突技术进行了研究。

全球定位系统 2000年5月2日，美国东部时间午夜过后不久，世界各地的全球定位系统（GPS）接收器收到了一些特别的内容。在此之前，可供民用接收器接收的信号失真严重，无法充当可靠的“领路人”。

1 工程概况

里必矿设计生产能力4.0 Mt/a，主采煤层为山西组3 号煤层，煤层倾角平缓，一般不超过7°，煤层厚2.50～6.80 m，平均5.19 m，含夹矸0～3层，结构简单— 复杂。矿井采取综合开拓方式，工业场地内布置主斜井、副立井。主斜井设计斜长1 750 m，井筒净宽5.4 m，倾角16°，掘进方位角79°00'00"，井口标高+769.00 m，井底标高+286.6 m。井筒采用局部冻结法施工，净断面积18.4 m2，掘进断面明砌段25.9 m2，冻结段30.3 m2，稳定基岩段20.7 m2。

为了掌握3 号煤层的层位、厚度、地质构造和煤层瓦斯等参数，在井筒工作面掘进至距3 号煤层顶板最小法向距离12 m 后，施工前探钻孔5 个。前探钻孔采用φ94 mm 取芯钻头配φ88mm 岩芯管，穿透煤层全厚且进入煤层底板1 m 以上。前探钻孔兼做瓦斯含量和瓦斯压力测定钻孔，进行区域突出危险性预测工作。测定结果表明，主斜井井筒揭煤区域3 号煤层实测瓦斯含量最大值为19.56 m3/t，相对瓦斯压力2.45 MPa，瓦斯放散初速度△P最大值28.4 mmHg，煤的坚固性系数f值为0.83。3 号煤层为煤与瓦斯突出煤层，井筒所揭3 号煤层区域为突出危险区，需要采取综合防突措施。

2 揭煤综合防突措施

里必矿根据《防治煤与瓦斯突出细则》要求，主斜井揭煤采取区域综合防突措施和局部综合防突措施相结合的原则，主要工艺流程包括：前探钻孔探察煤层、区域抽采防突措施、区域防突措施的效果检验、法距5 m 前区域验证、法距2 m 前揭煤验证、“过煤门”远距离爆破等。

2.1 区域抽采防突措施及效果检验

由图1可知，标准曲线回归系数R2=0.998 7，大于0.995，可以用于检测。阳性对照GBW（E）100360检测结果为0.201mg/kg，符合GB 5009.15-2017[6]关于仪器准确度的要求。

图1 3 号煤层法距8 m处普通穿层抽采钻孔布置示意Fig.1 No.3 coal seam normal distance of 8 m ordinary through layer drainage borehole layout schematic

鉴于里必矿井3 号煤层瓦斯赋存条件，单纯依靠正常的瓦斯抽采技术实现瓦斯抽采达标所需时间较长，为缩短瓦斯抽采时间，提升瓦斯抽采效果，钻孔施工过程中对30%的抽采钻孔煤层段进行掏穴，将φ113 mm 孔机械扩孔至φ260 mm，共计掏煤量62.5 m3，增加煤层透气性、增大抽采表面积、抽采量，提高煤层瓦斯抽采效率，缩短预抽周期。

1.6 统计方法统计不同年龄段女性的高危HPV感染率(各个年龄组中高危HPV阳性病例数／这一年龄组总人数×100%)。高危HPV各亚型感染率指该亚型单独或和其他亚型共同出现的感染率，多重感染重复计算。例如某患者检测结果为HPVl6、

2022 年7 月6 日—7 月7 日，施工5 个取样钻孔，对主斜井3 号煤层残余瓦斯含量进行实测，主斜井揭3 号煤层区域实测残余瓦斯含量为4.94～7.76 m3/t，满足《防治煤与瓦斯突出细则》小于8 m3/t 的规定，且钻孔取样过程中无顶钻、卡钻、喷孔以及瓦斯涌出异常等现象。表明主斜井井筒3 号煤层穿层钻孔预抽揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施有效，揭煤区域已消除煤与瓦斯突出危险，可掘进至3 号煤层最小法距5 m 前位置进行区域验证。主斜井井筒抽采效果检验钻孔参数见表1。

表1 主斜井井筒抽采效果检验钻孔参数Table 1 Main inclined shaft drainage effect test drilling parameters

2.2 法距5 m 前区域验证

在主斜井里程1 510.6 m 处，即距3 号煤层法向距离6 m 处，采用钻屑瓦斯解吸指标法进行区域验证。共施工6 个取样钻孔，在钻孔钻进到煤层时，每钻进1 m 采集一次孔口排出（风力排渣）的粒径为1～3 mm 的煤钻屑，测定其瓦斯解吸指标K1 最大值为0.39 mL·（g·min1/2）-1，满足《防治煤与瓦斯突出细则》的规定，且钻孔取样过程中无顶钻、卡钻、喷孔以及瓦斯涌出异常等现象。表明主斜井3 号煤层揭煤工作面为无突出危险工作面，可掘进至3 号煤层法距2.1 m 前进行揭煤验证。

2.3 法距2 m 前揭煤验证

在主斜井工作面揭开3 号煤层前，采用金属骨架措施来加强支护。该措施的主要作用首先是依靠金属骨架加强工作面前方3 号煤层的稳定性，其次是通过安装金属骨架的钻孔，排放钻孔附近煤体中的瓦斯并缓和煤体的应力紧张状态。金属骨架措施在主斜井上部和两侧布置两排骨架孔。骨架钻孔穿过煤层并进入煤层顶板至少0.5 m，当钻孔不能一次施工至煤层顶板时，则进入煤层的深度不小于15 m。钻孔间距小于0.2 m。骨架材料可选用8 kg/m 及以上的钢轨、型钢或者直径不小于50 mm的钢管，其伸出孔外端用金属框架支撑或者砌入碹内等方法加固。插入骨架材料后，向孔内灌注水泥砂浆等不延燃性固化材料。

主斜井开拓至距3 号煤层顶板法距8 m 时，在工作面迎头施工导硐作为抽采钻场。导硐尺寸为：3.7 m×6.2 m×3.0 m，铺设0.3 m 厚混凝土建成打钻平台，导硐向前掘进时与煤层顶板平行保持8 m法距。导硐底板施工15 排13 列，共计195 个穿层抽采钻孔，合计钻孔长度10 072.73 m。其中最外侧（前后左右）52 个抽采孔亦为瓦斯拦截钻孔。钻孔孔径为φ113 mm，穿透煤层，并进入煤层底板不小于10 m，增加钻孔储水储渣空间，有效减小孔内积渣对抽采效果的影响。抽采钻孔布置如图1 所示。

2.4 揭煤前加强支护措施

在主斜井里程1 521.7 m 处，即距3 号煤层法向距离2.1 m 处，采用钻屑瓦斯解吸指标法进行揭煤前验证，共计施工5 个取样钻孔，在钻孔钻进到煤层时，每钻进1 m 采集一次孔口排出（螺旋自排渣）的粒径为1～3 mm 的煤钻屑，测定其瓦斯解吸指标K1最大值为0.25 mL·（g·min1/2）-1，满足《防治煤与瓦斯突出细则》的规定，且钻孔取样过程中无顶钻、卡钻、喷孔以及瓦斯涌出异常等现象。表明主斜井井筒3 号煤层揭煤工作面为无突出危险工作面，可在采取安全防护措施条件下远距离爆破揭开3 号煤层。

2.5 “过煤门”阶段揭煤

主斜井揭煤工作面施工炮眼102 个，雷管102发，装炸药98 kg。在采取主斜井井口前方50 m、两侧20 m 范围内停电撤人警戒等安全措施后远距离起爆揭开3 号煤层。

里必矿主斜井井筒完全揭开3 号煤层长度约29.4 m，远距离爆破不能一次揭开3 号煤层，当揭煤巷道全部或部分在煤层中掘进时，则进入“过煤门”阶段。

煤层掘进阶段，采用钻屑指标法进行煤层段掘进工作面突出危险性预测，钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性的参考临界值见表2。此次共历经9 个循环的工作面预测，预测K1最大值为0.38 mL·（g·min1/2）-1，最大钻屑量S值3.4 kg·m-1。9 个循环预测结果均为工作面无突出危险性。为此，在采取安全防护措施的条件下，实施掘进作业，掘进至主斜井里程1 583 m，经现场探煤确认，此处顶板距3 号煤层底板法距3.1 m。按照《防治煤与瓦斯突出细则》要求，主斜井井筒揭3 号煤层全部工序结束。

表2 钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性的参考临界值Table 2 Reference critical value of drilling cuttings index method to predict the outburst danger of coal roadway heading face

3 揭煤综合防突措施效果

（2）主斜井井筒从揭开3 号煤层至穿过煤层法距3 m，历时36 d，揭煤过程中炮后工作面最大瓦斯体积分数0.68%，炮后回风流最大瓦斯体积分数0.41%，低于《煤矿安全规程》的规定，揭煤作业圆满成功。

（1）区域防突措施抽采钻孔最长抽采时间179 d，最短抽采时间130 d；根据通风瓦斯报表和瓦斯抽采报表统计，主斜井抽排瓦斯总量为626 724 m3。主斜井揭3 号煤层区域实测残余瓦斯含量为4.94～7.76 m3/t，满足《防治煤与瓦斯突出细则》小于8 m3/t 的规定，可知区域抽采措施瓦斯抽采率高，取得了较好的消突效果。

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