复杂地质条件下立井揭煤防突措施

张超杰 蒋承林

(1.徐州恒安煤矿技术有限公司；2.中国矿业大学安全工程学院)

复杂地质条件下立井揭煤防突措施

张超杰1蒋承林2

(1.徐州恒安煤矿技术有限公司；2.中国矿业大学安全工程学院)

针对河南某矿井筒揭煤区域有断层的复杂地质条件，对水力冲孔措施进行了优化，以水力冲孔加注浆方法为井筒揭煤的区域防突措施，以揭煤后煤层段壁后注浆方法为安全措施，在保证安全的前提下，提高了立井揭煤区域防突措施的实施效果和效率，缩短了揭煤及掘进工期，提高了生产效率，取得了较好的经济效益。

立井揭煤 水力冲孔 防突措施 注浆 掘进工期 生产效率

煤与瓦斯突出主要发生在井筒及石门揭煤、煤巷掘进和工作面回采过程中，以井筒和石门揭煤时煤与瓦斯突出的危险性最大，主要表现在突出的强度大且危险性程度高，特别是立井揭煤时，防突措施实施的空间有限，导致施工难度大、效果差、时间长，尤其是遇到断层等复杂地质条件时，防突措施收效甚微[1-4]。因此，在复杂地质条件下，有必要编制和实施科学、可行的立井揭煤防突措施。

1 项目概况

河南某矿位于河南省许昌市，该矿主采二1煤层，属煤与瓦斯突出煤层，矿井生产规模120万t/a，目前正进行改扩建施工，根据改扩建设计方案，在井田北部边界区域新建1个进风井和1个回风井，其中回风井井筒上部245.1 m采用冻结法施工，245.1～556 m为正常基岩段，采用普通钻爆法施工，井壁结构为素混凝土结构/钢筋混凝土+锚网喷结构，混凝土强度等级为C40，在遇特殊地层(破碎带)片帮严重时，采取锚、网、喷或锚、网临时支护，临时支护采用φ45 mm×1 600 mm管缝式锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm，喷射混凝土强度C20，喷厚100 mm。回风井将揭穿二1煤层，该煤层顶板砂岩段孔隙承压含水层组，该段含水层岩性多为中—细粒砂岩。距二1煤层顶板法向距离20 m处，于立井掘进工作面施工了5个前探钻孔，钻探结果显示，井筒轮廓线内地质构造简单，煤层赋存稳定，但有一断层位于井筒轮廓线外8～10 m处，属于揭煤工作面区域措施包括的范围内。在揭煤工作面距离二1煤层法向距离10 m处施工了3个钻孔并测定了煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数，结果见表1。

表1 回风井突出危险性参数测定结果

据表1可计算得回风井二1煤层综合指标D为-5.06，K为116。经预测，回风井揭穿二1煤层存在瓦斯突出危险性，需采取区域防突措施。

2 防突措施论证及优化

2.1 防突措施论证

就回风立井揭穿二1煤层的实际情况而言，采用常规的瓦斯抽放方法，存在以下难点。

(1)瓦斯压力较小、透气性差，该矿井煤层的透气性系数为0.03 m2/(MPa2·d)，属较难抽放的煤层，瓦斯抽放效果难以保证，且抽放周期较长，很难保证改扩建工程得到按时验收。

(2)在立井揭煤区域施工防突措施钻孔时，所有抽放钻孔均为下行孔，钻孔施工完毕后孔内积水难以及时有效排出[4]，且二1煤层的直接顶板为中—细粒砂岩，为承压含水层，抽放过程中钻孔易受到水系的影响。

(3)虽然水力冲孔或扩孔已被证明是该矿区的有效防突措施，但考虑到水力冲孔对井壁稳定性的影响，因而不建议将其作为区域防突措施。

2.2 防突措施优化

(1)区域防突措施钻孔可分区域轮换施工，防突措施钻孔呈环形布置，抽放钻孔和注浆钻孔间隔布置，所有钻孔均采用水力冲孔措施，但仅半数钻孔在初期注浆，其余钻孔在区域措施效果检验合格后注浆。

(2)考虑到钻孔可能具备的自喷能力，须严格控制水压，应先期进行试验，确定合理的冲孔水压，水压不宜过大，以地面静压水水压为宜(5 MPa)。

(3)控制钻孔的出煤量，防止单孔出煤过多，形成较大的孔洞，单孔的出煤量计算公式为

式中，m为单孔冲孔煤量，t；R为井筒揭煤区域措施范围直径，m；h为煤层厚度，m；ρ为煤的视相对密度，t/m3；n为钻孔个数；μ为煤层变形率，m。

(4)为保证井壁的稳定性不受影响，考虑到井壁的长期稳定性，在井筒施工进入二1煤层底板5 m后，在煤层段进行一次壁后注浆。

3 防突措施及实施效果

3.1 防突措施

设计9圈共计258个钻孔，考虑钻孔施工的可行性，最外部3圈钻孔的开孔位置均在井壁上(图1)。单个钻孔施工工序：首先施工长3.5 m、孔径113 mm的钻孔，退出钻杆，将长3.5 m、外径108 mm一端带有法兰盘的无缝钢管送入钻孔，出露地面0.5 m, 外侧用双浆液固定封堵，孔口管与法兰盘采用无缝焊接，固定孔口管时首先用部分聚氨酯固定，然后由孔口管内注入水泥浆，由孔壁外部返浆，待钻孔壁与孔口管全部填满水泥时即可停止注浆。待凝固12 h后在孔口管内施工直径94 mm的抽放钻孔，在钻头进入煤层时，采取低钻压、慢钻进的方式钻进。钻进煤层0.5 m时，停止钻进，保持水压、钻杆及钻头转速，在煤孔内0～0.5 m处往复运动5～10 min，若发生喷孔现象，则立即停止钻进，调小排渣压力水，但不停钻机，使钻杆及钻头在钻孔中空转(严禁停水、钻机，否则导致钻杆无法拔出)，直至喷孔停止，恢复钻进；钻进至煤孔0.5～1.0 m处时，停止钻进，保持水压及钻杆和钻头转速，在煤孔0.5～1.0 m处往复运动5～10 min，按上述循环，每0.5 m循环1次，直至进入煤层底板1.5 m停止钻进，换风将钻孔内水排出。钻进过程中，应收集钻孔内冲出的煤样并现场称重，若未达到预定的重量，则应再次冲孔，直至冲孔煤量达标为止。

所有钻孔施工完毕后立即连接抽放管路进行抽放，2周后注浆钻孔注水泥浆，注浆压力达到2 MPa或注入2～3包水泥后结束，施工钻孔时按照井筒十字线将井筒划分为4个区域，4个区域对向施工，每施工10个钻孔更换1次施工区域，区域防突措施效果检验合格后方可停止抽放钻孔工作。揭煤工作结束后，进入二1煤层底板方向距离5 m后进行井壁注浆施工，仍按4个区域划分，每个区域施工3个注浆孔，注浆孔深6～8 m，每个注浆孔的注浆压力不小于5 MPa。

图1 立井揭煤区域防突措施开孔位置(单位：m)

3.2 实施效果

钻孔施工完毕后，相关数据统计结果表明，水力冲孔共冲出煤量123 t，煤层变形比例3.2‰，超过了预计3‰的变形比例，风排瓦斯量和抽放瓦斯量共36 218 m3，不论是冲出煤量还是释放的瓦斯量均达到了预期目的，监测结果表明井筒未出现明显的位移或下沉，井壁的稳定性良好。抽放1个月后按照《防治煤与瓦斯突出规定》的要求，在距二1煤层法线距离7，5，2 m时进行了防突措施的效果检验、区域验证和工作面局部预测，效果较理想。

局部预测工作完毕后，放炮揭开二1煤层，放炮后未发生动力现象，井口瓦斯涌出量较小，瓦斯浓度最大仅为0.22%。进入二1煤层底板5 m后，井壁注浆工作非常顺利，单个钻孔和总注浆量均较小，说明井壁后侧不存在明显的空洞。可认为，在复杂地质条件下，水力冲孔+注浆的区域防突措施成效显著。

4 结 论

(1)在复杂地质条件下，特别是有断层的情况下，在制定防突措施时应充分顾及矿区地质特征，确保取得较好的防突效果。

(2)立井揭煤时，由于下行钻孔排渣及水系的影响较大，应给予足够的重视，并及时采取措施消除。

(3)采用钻孔注浆及井壁注浆方法作为防突措施时，水力冲孔是立井揭煤的有效防突措施，特别是在煤层透气性较差的情况下，该措施的安全、经济效益较显著。

[1] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2005．

[2] 林柏泉.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011．

[3] 黄声树，刘见中.煤矿瓦斯治理适用新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010．

[4] 张超杰，蒋承林.多立井揭煤联合区域防突措施的实践与探索[J].煤炭技术，2015(5)：144-146.

2015-08-17)

张超杰(1978—)，男，经理，工程师，硕士,221008 江苏省徐州市泉山区三环南路。