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(jīng)分析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，并采取了一系列防突措施：建立獨立的通風系統(tǒng)、打鉆泄壓、瓦斯監(jiān)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、小斷面導硐全斷面刷大掘進、水力沖孔、穿煤支護等措施。并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

　　祁南礦井位于宿州市南23km，設計生產(chǎn)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(qū)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
　　該井田構造形成于印支—燕山期，井田區(qū)域處于宿南向斜西翼南端，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(fā)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(qū)，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系7石盒子組及山西組，共含煤30余層，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(wěn)定，一般為5～10m，在主井及運輸和回風石門范圍內(nèi)僅2～3m，石門揭煤處為1.0～1.6m，并向背斜頂部逐漸變薄，夾層為泥巖。
　　7煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，屬氣煤，透氣性差。頂板為泥巖、粉砂巖，底板為泥巖。其中，7₁煤層厚度1.6～2.3m，呈碎塊、粉狀，碾碎后有顆粒感，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，碾之成面，結構復雜。
　　煤層產(chǎn)狀：-550m水平中央運輸石門揭露煤層傾角為13°；-512m水平81采區(qū)回風石門揭露的煤層傾角為4～6°，并逐漸變小。由附圖可見，王樓背斜控制著煤層形態(tài)和賦存條件，并對該區(qū)域內(nèi)的瓦斯賦存起到制約作用。

2　瓦斯突出預測預報和突出預兆

　　淮北礦區(qū)的高突礦井，均系在礦井建設期間，根據(jù)揭煤過程中對瓦斯賦存狀況的實測以及施工中發(fā)生的突出及突出動力現(xiàn)象，對初步設計提供的瓦斯等級進行驗證后重新確定的。煤與瓦斯突出均發(fā)生在8號煤層。而祁南井田內(nèi)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?shù)装鍘r性等分析，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
　　由于礦井地壓大，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?？字睆?5mm，盡可能垂直煤層鉆進，穿透煤層全厚進入底板后終孔。采用液壓封孔技術測量7煤層組壓力。撤鉆后立即封孔，壓力僅3d即回升至穩(wěn)定值，運輸石門測定值為3.7MPa，是淮北地區(qū)歷史上最高值；回風石門穩(wěn)定值為2.6MPa。由于測得壓力值為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于測定值。
2.2　突出危險性預測預報
　　采用WTC-3型瓦斯參數(shù)儀和MD-2型瓦斯解吸儀，用鉆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(fā)生冒頂，并伴有瓦斯溢出；在后來施工中，由于季節(jié)、天氣等因素，出現(xiàn)巷道頂、底板大面積瓦斯涌出現(xiàn)象，底板積水中可見瓦斯氣泡密集，軌面以上200mm處瓦斯?jié)舛冗_6%～9%，頂板以下200mm處濃度達10%以上，回風流瓦斯?jié)舛仍_6%。工作面裝藥時出現(xiàn)藥卷被慢慢頂出等現(xiàn)象。
　　(2)打測、泄壓孔施工中，鉆桿一進入7₂煤層，即出現(xiàn)頂鉆、夾鉆和噴孔等動力現(xiàn)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，鉆進過程中和鉆桿拔出后，均發(fā)生較強噴孔，鉆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，工作面巷道底板突然發(fā)生凸起鼓裂，巷底迅速鼓起，4h內(nèi)鼓起1.6m(平均0.4m/h)，6h鼓起2m后穩(wěn)定，3.7m高的巷道僅余1.7m，現(xiàn)場人員可明顯感到腳下巖石上升，并伴有隱約的響動；靠在工作面的鐵梯子被擠成“L”形，鉆機被頂歪至巷道一側。鼓起的巖石呈龜背狀，寬及兩幫達6m。中間自工作面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。底鼓前工作面瓦斯含量無變化，為0.3%；底鼓后，隨著瓦斯大量涌出，回風流瓦斯?jié)舛冗_10%以上，進風井口達3%，瓦斯逆流。共涌出瓦斯量近10萬m³。4d后距煤垂距4.5m的回風石門也發(fā)生底鼓，長度22m，高1.92m，工作面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(xù)涌出達1個月，含量10%以上。
　　(4)回風石門底板鼓裂后，連續(xù)數(shù)天可聽到來自底板深處的隆隆響聲，初始頻率為20min/次，3d后逐漸減少。該石門在距煤2.5m處打泄壓鉆孔時，又發(fā)生二次底鼓，將混凝土噴封的工作面底板鼓裂頂起，鉆機被頂歪，鉆工感到腳下振響和隱約顫動，底板瓦斯大量涌出，含量高達23%。

3　防突措施

　　根據(jù)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(xiàn)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系統(tǒng)
　　運輸石門。由主井地面設置的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面；在副井馬頭門設雙28kW局扇(TF525-1型)和雙路φ600mm膠皮風筒向工作面供風。
　　回風石門。由風井井口地面設置的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臺為工作面供風。
　　兩石門均在其抽風口之后設兩道反向風門。
3.2　打鉆泄壓
　　鑒于煤層傾角小，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(qū)泄壓半徑0.9m布置鉆孔，其泄壓范圍每段超前工作面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值低于突出臨界指標后，采用震動放炮揭穿煤層。
3.4　瓦斯監(jiān)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)”，并裝備瓦斯遙測自動警報斷電儀。工作面和回風流設雙探頭，接收機設在調度室，專人值班，24h監(jiān)測瓦斯變化情況。設專職瓦檢員跟班，工作面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(zhí)行分級檢查、逐臺驗收簽字制度，杜絕電器失爆。
3.6　防突培訓
　　開展全員防突培訓教育，執(zhí)行考試合格上崗及獎罰規(guī)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面揭露煤層。針對7煤而言，也只能逐步剝開保護巖柱、7₁煤層、泥巖夾層，最后揭穿7₂煤層，這在實質上是將現(xiàn)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涌出說明，距煤2.5m和4.5m的保護巖柱尚未能抗拒瓦斯突出的能量，已遭破壞的7₁煤層和泥巖夾層就更不具備保護的含義。鑒于此，此次揭煤采用震動放炮導硐，全斷面刷大掘進以及水力沖孔等方法。
4.1　震動放炮導硐
　　利用導硐形成的大自由面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鉆進，以減少孔深度。孔數(shù)5～7個，孔徑φ75mm，穿透煤層全厚至7₂煤層底板。中心孔只封水不裝藥，其余每孔按7₁煤、泥巖夾層、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(jù)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。
　　放炮后如無異常，即啟動地面主扇，半小時后入井自外向里檢查，恢復局扇通風。按專門的瓦斯排放措施排放瓦斯。
4.2　小斷面導硐，全斷面刷大掘進
　　通過震動放炮導硐揭放瓦斯后，在工作面下方左中右施工3個φ42mm超前鉆孔，并做防突效果檢驗；之后在巷道中間掘進小斷面導硐。炮孔深1.2m，遠距離放炮，炮后觀察一小班(如有異狀要加長觀察時間)，待瓦斯?jié)撃苓M一步釋放后，進行全斷面刷大；掘進5m段長后，進行下次震動放炮和一導一刷循環(huán)，直至揭開7₂煤層。
4.3　水力沖孔
　　鑒于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下山直接穿透煤層后，再施工剩余回風段平巷。
　　利用巷道排水設備，采用水力沖孔方式揭開煤層。先將工作面和底板用混凝土噴封。施工φ108mm鉆孔12個，沿20m下山穿透煤層全厚(共沖出煤量3.8t)；通過沖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(qū)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煤層進入石門全斷面后，沿巷頂施工30～40m深的密集金屬骨架支護，并對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分析

　　(1)祁南礦井由6個施工單位分塊承包施工，施工和作業(yè)方式不同，互相制約，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，籌建單位著眼于先期出煤，施工單位要考慮工程順序的合理性以保障施工安全。而祁南礦井在通風系統(tǒng)未形成時就進入了采區(qū)巷道施工，包括石門穿煤均要靠地面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(huán)風和瓦斯風流串聯(lián)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(yè)，主井筒作為回風井并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(xié)調和努力得到解決，但也嚴肅地提出了在新的市場經(jīng)濟管理體制下，如何合理地安排工程排隊，統(tǒng)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，并且煤層傾角小，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，巷道中瓦斯即大量涌出，互相干擾。要協(xié)調好各相關的施工作業(yè)，統(tǒng)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巖柱時就發(fā)生強烈的超前突出動力現(xiàn)象，造成巷道底板鼓裂，瓦斯大量涌出，從巖石鼓起龜裂的縫隙中可觀察到7₂煤層的煤粉充斥巖縫的狀況，如同原始賦存狀態(tài)。保護巖柱鼓裂后，實際上等于已失去保護層，為此要首先處理底鼓。處理方法：自底鼓邊緣后退5m，打鉆泄放鼓裂部分下面煤層的瓦斯壓力。設計鉆孔72個，縱橫扇形布置，開孔φ108mm、孔深1.0m下管，之后改為φ75mm鉆至7₂煤層底板。由于頂鉆夾鉆和噴孔、塌孔等而實施31個，泄放1周時間后，經(jīng)效果檢驗達到泄放目的，清除底鼓部分，封嚴鉆孔。
　　(4)運輸石門全斷面揭露7₂煤層后，在施工φ108mm泄放鉆孔時，有多孔發(fā)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，鉆孔孔徑應適當減小。
　　(5)運輸石門放震動炮導硐時，曾發(fā)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煤層和泥巖夾層對7₂煤的突出起到了制約作用。

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，由于檢測嚴細、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(jīng)驗。

作者簡介:孫寶仁，男，1945年7月生，高級工程師。1965年畢業(yè)于遼源煤礦?？茖W校，現(xiàn)任中煤三建公司安監(jiān)局副局長。
作者單位：中煤第三建設公司，宿州34000