石門揭穿高瓦斯壓力突出煤層組施工

摘　要　祁南礦井7煤層經 03manbetx 存在煤與瓦斯突出的危險性，在施工中對7煤層的突出危險性進行了重新驗證，並采取了一係列防突 措施：建立獨立的通風係統、打鑽泄壓、瓦斯監測、電器防爆 管理及防突培訓等。揭煤工藝采用了震動放炮導硐、小斷麵導硐全斷麵刷大掘進、水力衝孔、穿煤支護等 措施。並介紹了揭煤中特殊問題的處理。
關鍵詞　煤層瓦斯突出　揭煤工藝　防突 措施

　　祁南礦井位於宿州市南23km，設計生產能力1.8Mt/a，立井主石門開拓，屬高沼氣礦井，地表標高+24m，運輸水平-550m，回風水平-365m。石門開拓時，高差為38m的中央運輸石門和81采區回風石門分別在-550m和-512m水平同時、同方向揭穿7煤層組。

1　煤層賦存條件及煤層特征

1.1　井田構造
　　該井田構造形成於印支—燕山期，井田區域處於宿南向斜西翼南端，為一走向接近南北轉東西向西南突出、傾向東至北的單斜構造。中部及東部發育為次一級褶曲，以王樓背斜和張學屋向斜為主。石門穿煤位置處在接近王樓背斜頂部構造形成的瓦斯聚應力區，構成石門穿煤過程中煤與瓦斯突出的潛在威脅(附圖)。

附圖　石門及背斜位置

1.2　煤層特征
　　該井田含煤地層為二疊係7石盒子組及山西組，共含煤30餘層，其中可采10層，主采3層，即3₂，7₂，10煤層，平均厚度分別為2.37，2.57和2.34m,其中，7煤層組中7₁煤和7₂煤間距較穩定，一般為5～10m，在主井及運輸和回風石門範圍內僅2～3m，石門揭煤處為1.0～1.6m，並向背斜頂部逐漸變薄，夾層為泥岩。
　　7煤層以亮煤為主，內生裂隙發育，屬氣煤，透氣性差。頂板為泥岩、粉砂岩，底板為泥岩。其中，7₁煤層厚度1.6～2.3m，呈碎塊、粉狀，碾碎後有顆粒感，結構簡單，含1層夾矸；7₂煤層厚度為2.8～3.3m，呈粉末狀，破壞程度嚴重(達5級)，手抓即碎，碾之成麵，結構複雜。
　　煤層產狀：-550m水平中央運輸石門揭露煤層傾角為13°；-512m水平81采區回風石門揭露的煤層傾角為4～6°，並逐漸變小。由附圖可見，王樓背斜控製著煤層形態和賦存條件，並對該區域內的瓦斯賦存起到製約作用。

2　瓦斯突出預測預報和突出預兆

　　淮北礦區的高突礦井，均係在礦井建設期間，根據揭煤過程中對瓦斯賦存狀況的實測以及施工中發生的突出及突出動力現象，對初步設計提供的瓦斯等級進行驗證後重新確定的。煤與瓦斯突出均發生在8號煤層。而祁南井田內的8煤層為不可采煤層，7煤層做為8煤的鄰界層，從精查報告提供的瓦斯含量、分布以及對石門所處的特殊地質構造位置和頂底板岩性等03manbetx ，不能排除其突出危險性，因而在施工中對7煤層的突出危險性進行了重新驗證。
2.1　瓦斯壓力測量
　　由於礦井地壓大，巷道周邊破壞嚴重，為測準瓦斯原始壓力，在距煤垂距10m處布置測孔。孔直徑75mm，盡可能垂直煤層鑽進，穿透煤層全厚進入底板後終孔。采用液壓封孔技術測量7煤層組壓力。撤鑽後立即封孔，壓力僅3d即回升至穩定值，運輸石門測定值為3.7MPa，是淮北地區曆史上最高值；回風石門穩定值為2.6MPa。由於測得壓力值為7煤層組綜合壓力，而其中7₁煤無突出危險，故7₂煤層實際瓦斯壓力必然高於測定值。
2.2　突出危險性預測預報
　　采用WTC-3型瓦斯參數儀和MD-2型瓦斯解吸儀，用鑽屑指標法測得瓦斯解吸指標K₁值和Δh₂值，分別為0.65mL/g^.min^1/2和400Pa。
2.3　突出預兆
　　(1)距煤層垂距20m之前遇有兩處斷層，曾發生冒頂，並伴有瓦斯溢出；在後來施工中，由於季節、天氣等因素，出現巷道頂、底板大麵積瓦斯湧出現象，底板積水中可見瓦斯氣泡密集，軌麵以上200mm處瓦斯濃度達6%～9%，頂板以下200mm處濃度達10%以上，回風流瓦斯濃度曾達6%。工作麵裝藥時出現藥卷被慢慢頂出等現象。
　　(2)打測、泄壓孔施工中，鑽杆一進入7₂煤層，即出現頂鑽、夾鑽和噴孔等動力現象，每孔必噴。右側(近背斜頂部一側)較左側嚴重，自右向左逐漸減弱，鑽進過程中和鑽杆拔出後，均發生較強噴孔，鑽進時水伴煤粉噴出距離最長達46m，最短4.5m，噴射時可見藍、白色光譜。
　　(3)中央運輸石門在距煤2.5m時，工作麵巷道底板突然發生凸起鼓裂，巷底迅速鼓起，4h內鼓起1.6m(平均0.4m/h)，6h鼓起2m後穩定，3.7m高的巷道僅餘1.7m，現場人員可明顯感到腳下岩石上升，並伴有隱約的響動；靠在工作麵的鐵梯子被擠成“L”形，鑽機被頂歪至巷道一側。鼓起的岩石呈龜背狀，寬及兩幫達6m。中間自工作麵左側斜向右方延伸裂開1道200～450mm寬的縱向裂縫，深及7₂煤層，縫中瓦斯含量100%；中縫兩側裂開各5道20～200mm寬的橫向裂縫，縫中可見7₂煤的粉末。底鼓前工作麵瓦斯含量無變化，為0.3%；底鼓後，隨著瓦斯大量湧出，回風流瓦斯濃度達10%以上，進風井口達3%，瓦斯逆流。共湧出瓦斯量近10萬m³。4d後距煤垂距4.5m的回風石門也發生底鼓，長度22m，高1.92m，工作麵0.5m深的積水滲漏一空，底鼓將扒矸機頂成高射炮狀。斷裂縫隙較小(20mm)的縫中瓦斯持續湧出達1個月，含量10%以上。
　　(4)回風石門底板鼓裂後，連續數天可聽到來自底板深處的隆隆響聲，初始頻率為20min/次，3d後逐漸減少。該石門在距煤2.5m處打泄壓鑽孔時，又發生二次底鼓，將混凝土噴封的工作麵底板鼓裂頂起，鑽機被頂歪，鑽工感到腳下振響和隱約顫動，底板瓦斯大量湧出，含量高達23%。

3　防突措施

　　根據實測的瓦斯壓力值P，瓦斯解吸指標K₁和Δh₂值，上述主要突出預兆及動力現象，以及7₂煤層的破壞程度等綜合指標，斷定7₂煤層具有突出危險，決定對石門揭煤實施全過程的防突管理。
3.1　建立可靠的獨立通風係統
　　運輸石門。由主井地麵設置的4-58No12D無級調速風機(風壓h=4 900～3 200Pa，風機流量Q=1 100m³/min)和鋪設的φ900mm/φ800mm鐵風筒將石門回風直接抽排至地麵；在副井馬頭門設雙28kW局扇(TF525-1型)和雙路φ600mm膠皮風筒向工作麵供風。
　　回風石門。由風井井口地麵設置的9-26No10D高壓離心式扇風機(h=9 800～5 800Pa，Q=950～1 200m³/min)和鋪設的φ900mm/φ800mm玻璃鋼風筒抽排瓦斯風流；設2BKJ型軸流式通風機2台為工作麵供風。
　　兩石門均在其抽風口之後設兩道反向風門。
3.2　打鑽泄壓
　　鑒於煤層傾角小，穿煤平距長，采用分段泄壓排放瓦斯，分段揭穿煤層。按淮北地區泄壓半徑0.9m布置鑽孔，其泄壓範圍每段超前工作麵20m，巷道周邊5m。
3.3　防突效果檢驗
　　當瓦斯壓力值降至0.7MPa以下，防突效果檢驗K₁和Δh值低於突出臨界指標後，采用震動放炮揭穿煤層。
3.4　瓦斯監測
　　局扇實行“三專(專用變壓器、專用供電線路、專用開關)兩閉鎖(風電閉鎖、瓦斯電閉鎖)”，並裝備瓦斯遙測自動警報斷電儀。工作麵和回風流設雙探頭，接收機設在調度室，專人值班，24h監測瓦斯變化情況。設專職瓦檢員跟班，工作麵設專人觀察突出預兆。
3.5　建立機電防爆管理中心
　　設專人維修管理電氣設備，執行分級檢查、逐台驗收簽字製度，杜絕電器失爆。
3.6　防突培訓
　　開展全員防突培訓教育，執行考試合格上崗及獎罰規定。

4　揭煤工藝

　　沿巷道掘進方向水平揭穿極緩煤層，采用震動放炮不可能一次全斷麵揭露煤層。針對7煤而言，也隻能逐步剝開保護岩柱、7₁煤層、泥岩夾層，最後揭穿7₂煤層，這在實質上是將現場人員逐步暴露在具有強烈突出危險的7₂煤層前。巷道底板的鼓裂和瓦斯的湧出說明，距煤2.5m和4.5m的保護岩柱尚未能抗拒瓦斯突出的能量，已遭破壞的7₁煤層和泥岩夾層就更不具備保護的含義。鑒於此，此次揭煤采用震動放炮導硐，全斷麵刷大掘進以及水力衝孔等方法。
4.1　震動放炮導硐
　　利用導硐形成的大自由麵使瓦斯能量得到充分釋放，一次揭開煤層全厚。
　　每次震動放炮均應盡量垂直煤層鑽進，以減少孔深度。孔數5～7個，孔徑φ75mm，穿透煤層全厚至7₂煤層底板。中心孔隻封水不裝藥，其餘每孔按7₁煤、泥岩夾層、7₂煤層分3段裝藥，中間用炮泥隔開。使用水膠炸藥，每3卷1捆，共3捆9卷，用竹片綁成1組，根據孔深裝入1～3組。自淺到深，用3段毫秒雷管起爆，最大不超過130ms。放炮時人員全部撤離井下，關閉反向風門，全井停電，但要一手拉閘，一手即合上起爆電閘引爆，以免停風造成瓦斯積聚。
　　放炮後如無異常，即啟動地麵主扇，半小時後入井自外向裏檢查，恢複局扇通風。按專門的瓦斯排放措施排放瓦斯。
4.2　小斷麵導硐，全斷麵刷大掘進
　　通過震動放炮導硐揭放瓦斯後，在工作麵下方左中右施工3個φ42mm超前鑽孔，並做防突效果檢驗；之後在巷道中間掘進小斷麵導硐。炮孔深1.2m，遠距離放炮，炮後觀察一小班(如有異狀要加長觀察時間)，待瓦斯潛能進一步釋放後，進行全斷麵刷大；掘進5m段長後，進行下次震動放炮和一導一刷循環，直至揭開7₂煤層。
4.3　水力衝孔
　　鑒於81石門穿煤距離過長，以及施工進度要求加快等，對巷道施工設計進行了修改：改做1條20m下山直接穿透煤層後，再施工剩餘回風段平巷。
　　利用巷道排水設備，采用水力衝孔方式揭開煤層。先將工作麵和底板用混凝土噴封。施工φ108mm鑽孔12個，沿20m下山穿透煤層全厚(共衝出煤量3.8t)；通過衝孔造成的空硐泄放瓦斯，消除了突出的潛在危險。
4.4　穿煤支護
　　自進入巷道底板距煤層2m到巷道頂板穿過煤層至7₂煤層底板2m區段，采用U型鋼全封閉，加雙支腳支架，密集水泥背板，加噴混凝土支護方式。其間，在7₂煤層進入石門全斷麵後，沿巷頂施工30～40m深的密集金屬骨架支護，並對7₂煤層注入固化劑，防止煤層因過軟而傾出。

5　揭煤中特殊問題的處理和03manbetx

　　(1)祁南礦井由6個施工單位分塊承包施工，施工和作業方式不同，互相製約，管理難度極大；建設單位的主管部門注重重點工程項目的施工速度，籌建單位著眼於先期出煤，施工單位要考慮工程順序的合理性以保障施工安全。而祁南礦井在通風係統未形成時就進入了采區巷道施工，包括石門穿煤均要靠地麵扇風機通過剛性風筒抽排乏風，風路長阻力大，供風量受限，容易造成局扇循環風和瓦斯風流串聯等隱患；運輸石門穿煤期間要進行主井安裝工程，而主井筒中設有專為抽排石門瓦斯風流的鐵風筒，安裝時就勢必要拆除，而安裝期間又必然進行燒焊作業，主井筒作為回風井並通過突出煤層的回風，這對礦井安全威脅極大。上述問題雖然通過協調和努力得到解決，但也嚴肅地提出了在新的市場經濟管理體製下，如何合理地安排工程排隊，統籌管理多方施工，確保施工安全的課題。
　　(2)在高差僅38m的雙石門同時揭穿同一突出煤層，又都從煤層頂板進入，並且煤層傾角小，穿煤平距長；兩石門同時施工中，其中一石門放炮，另一石門受采動影響，巷道中瓦斯即大量湧出，互相幹擾。要協調好各相關的施工作業，統一審批各項技術措施、方案。
　　(3)對超前突出的處理。此次揭煤，兩石門均在留有相當厚度的保護岩柱時就發生強烈的超前突出動力現象，造成巷道底板鼓裂，瓦斯大量湧出，從岩石鼓起龜裂的縫隙中可觀察到7₂煤層的煤粉充斥岩縫的狀況，如同原始賦存狀態。保護岩柱鼓裂後，實際上等於已失去保護層，為此要首先處理底鼓。處理方法：自底鼓邊緣後退5m，打鑽泄放鼓裂部分下麵煤層的瓦斯壓力。設計鑽孔72個，縱橫扇形布置，開孔φ108mm、孔深1.0m下管，之後改為φ75mm鑽至7₂煤層底板。由於頂鑽夾鑽和噴孔、塌孔等而實施31個，泄放1周時間後，經效果檢驗達到泄放目的，清除底鼓部分，封嚴鑽孔。
　　(4)運輸石門全斷麵揭露7₂煤層後，在施工φ108mm泄放鑽孔時，有多孔發生突煤，其中最大孔噴量達2t以上；因此，對具有強烈突出危險煤層，鑽孔孔徑應適當減小。
　　(5)運輸石門放震動炮導硐時，曾發生強度為200t的突出，突出煤矸堆積如傾出特征，但深部的7₂煤翻到堆積的矸石上部，而淺部的7₁煤卻壓在下部，說明7₁煤層和泥岩夾層對7₂煤的突出起到了製約作用。

6　施工效果

　　在揭穿高瓦斯壓力、具有突出危險的祁南礦井7煤層組的施工過程中，由於檢測嚴細、措施得力，施工安全順利，為類似的瓦斯地質煤層組施工積累了經驗。

作者簡介:孫寶仁，男，1945年7月生，高級工程師。1965年畢業於遼源煤礦專科學校，現任中煤三建公司安監局副局長。
作者單位：中煤第三建設公司，宿州34000