韩城矿区松软突出厚煤层石门揭煤技术研究与应用

屈花荣 徐凯

摘 要：陕西省韩城矿区桑树坪煤矿是全国瓦斯灾害严重矿区之一，曾发生过有记载的煤与瓦斯突出122次，开采的3#煤层透气性低，系严重中厚突出煤层。在煤与瓦斯突出矿井中，石门揭煤时危险性大，是矿井防治煤与瓦斯突出的重点环节。结合矿井自身条件在4322综放工作面下部揭煤斜巷采取高压水射流钻扩一体化卸压增透技术区域防突措施，掘进过程中采取超前钻孔注浆加固技术增强围岩、煤体强度，严格执行安全防护措施，消除了突出隐患，实现了安全顺利揭露煤层，带来了较大的社会经济效益。

关键词：石门揭煤、高压水射流钻扩一体化、注浆加固

引言

韩城矿区桑树坪煤矿位于韩城矿区北部边缘，构造比较简单，是以伸展构造为主的构造变形区。井田沿走向与倾向有波状起伏的单斜构造，地层倾角一般在5°左右，大中型断裂不发育，井田内的小中型构造比较复杂，在许多地段内，岩层倾角变化频繁，小型背、向斜、层滑、扰曲等构造较为常见，煤层厚度变化较大，在石门揭煤过程中常遇到突出煤层增厚区域，给揭煤带来困难。

传统石门揭煤预抽钻孔抽采效果差，预抽时间长，揭煤期间煤与瓦斯突出风险大，严重影响矿井正常生产规划和经济效益。通过在桑树坪煤矿4322综放工作面下部揭煤斜巷采取高压水射流钻扩一体化卸压增透技术区域防突措施，实现了对该揭煤区域高效快速瓦斯抽采，卸除钻孔周边煤体应力，在煤体中制造裂隙，增加煤层透气性，强化瓦斯抽采效果。揭煤掘进期间采用煤体固化技术增强围岩、煤体强度，严格执行安全防护措施，实现了安全顺利揭露煤层。

1 工作面概况

桑树坪煤矿4322下部联巷揭煤斜巷工作面自北一200-14#斜巷中部平台开口，自下而上围岩岩性依次为粉砂岩、中砂岩、粉砂质泥岩，自下而上围岩岩性依次为粉砂岩、中砂岩、粉砂质泥岩，3#煤层底板起伏明显，煤厚6.1m-11.8m，根据地质预报料显示，揭煤点3#煤厚7.72m。揭煤斜巷以18°坡角上山掘进，掘进23m时巷道顶板与3#煤层底板间距7m，掘进39m时巷道顶板与3#煤层底板间距缩小至5m;掘进46m时巷道顶板与3#煤层底板间距缩小至2m，掘进50m开始揭露3#煤，掘进68m巷道上至3#煤层底板。根据瓦斯地质报告，该区域3#煤层瓦斯含量12.8m³/t，瓦斯压力1.0MPa，煤体破坏类型为V类，松软，呈粉末状，最小坚固性系数f=0.1，透气性差。

2 技术思路

桑树坪煤矿开采的3#煤层均具有突出危险，煤层透气性低，属于严重中厚突出煤层，发生过各种类型的瓦斯动力现象，包括煤与瓦斯突出、压出、倾出及瓦斯喷出等动力现象，甚至还发生过特大型煤与瓦斯突出事故。矿井不具备开采保护层的条件，区域防突措施主要是采取底板巷穿层钻孔结合高压水射流钻扩一体化卸压增透技术预抽煤巷条带及回采区域瓦斯。通过采用高压水射流破碎煤體形成洞穴，改善煤体应力状态和裂隙结构，提高局部煤层渗透率和瓦斯解吸及运移速度，释放煤层内积聚的瓦斯压力，实现高效快速瓦斯抽采，达到消除突出揭煤风险的目的。

4322综放工作面下部揭煤斜巷掘进至距3#煤层底板法线间距10m时停止掘进，利用北一200专回巷道内向揭煤巷道施工穿层预抽钻孔连孔抽放，抽采达标后，继续进行揭煤作业。掘进过程中，严格按照《防治煤与瓦斯突出细则》规定要求，距3#煤层底板法线间距7m、5m、2m时，施工多轮验证钻孔，进行突出危险性预测，掌握煤层层位、赋存参数、地质构造等情况，进入煤层底板法线间距2m时通过向巷道上部松软煤体及围岩进行注浆加固，增加煤体强度和煤岩交界面的整体性，有效抵抗揭煤高应力的冲击和瓦斯膨胀作用，降低突出风险，完成揭煤工作，保证矿井安全、高效发展。

3 防突措施执行情况

3.1 高压水射流钻扩一体化技术原理

高压水射流钻扩一体化技术是一种利用高压泵作为高压水射流动力源，通过高压钻杆带动扩孔钻孔旋转，高压水射流对钻孔周边的煤体进行旋转式切割与钻进，同时利用扩孔钻头钻切齿切割并破碎大块煤以提高排渣效果。达到扩大钻孔直径，增加煤层暴露面积和钻孔径向卸压范围的目的，从而提高煤层的透气性和瓦斯抽采效果，进一步降低煤层瓦斯压力，同时煤层润湿后，煤体弹性减少，煤体卸压、瓦斯放散初速度降低，有效提升单孔抽采瓦斯量和抽采效率，快速降低或消除突出潜能（弹性能、瓦斯潜能），以有利于防治煤与瓦斯突出。如下图所示：

3.2 区域防突措施设计及施工情况

4322综放工作面下部揭煤斜巷共计设计穿层水力扩孔钻孔152个，钻孔控制距3#煤揭煤点垂距5m外，及后续施工巷道两帮20m范围，穿过3#煤底板时终孔间距5×5m。钻孔开孔间距0.3m，排间距5m，钻孔位置穿过3#煤顶板0.5m。工作面穿层水力扩孔钻孔施工采用ZDY3200S全液压坑道钻机，通过采用Φ94mm开闭合钻头配合Φ73mm浅螺纹空芯钻杆按设计施工钻孔，全程下护孔管封孔工艺，解决成孔后孔壁易坍塌，瓦斯抽采通道堵塞，钻孔瓦斯抽采周期短的问题，提高了瓦斯抽放效果。

根据穿层钻孔竣工数据显示，揭煤区域平均煤层厚度为4.85m，平均每米煤孔冲煤2.25t，可计算得出冲煤总量为1658.7t;经实测揭煤区域煤体密度为1.39t/m³，扩煤容量1193.3m³，参与计算的煤炭储量为2.37万t，扩煤率6.99%，满足设计要求。

该区域3#煤层瓦斯含量12.8m³/t，穿层钻孔覆盖区域原始瓦斯储量为47.59万m³，从2019年10月开始抽放到2020年10月开始揭煤时停止抽放，累计抽采瓦斯量为35.72万m3，瓦斯抽采率为75.05%，同比原先揭煤采取普通穿层钻孔瓦斯抽采率和抽采时间有显著提升。该区域通过6个穿层效验钻孔结合取芯管取样直接测定装置对3#煤层残余瓦斯含量进行测定，该区域瓦斯含量降至4.66-4.91m³/t，可解析瓦斯含量为3.19～3.45m³/t，均符合《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》和《防治煤与瓦斯突出细则》的要求，满足工作面抽采达标评判要求。

3.3 区域防突措施验证情况

4322综放工作面下部揭煤斜巷距3#煤层底板法向7m，进行突出危险性预测，预测指标为钻屑瓦斯解吸指标△h2值。2020年10月30至11月1日，在200-14#斜巷揭煤工作面施工探测钻孔7个，测得3#煤瓦斯含量最大为5.13m³/t，△h2最大值为56Pa，指标符合规定要求，钻孔施工过程中无异常现象，给定进尺16m，允许巷道继续向前掘进至距3#煤层底板法向5m位置。

2020年11月20日，揭煤工作面掘进至距3#煤层底板法向距离5m位置，在工作面施工5个验证钻孔，测得3#煤瓦斯含量最大为5.4m³/t，△h2最大值为60Pa，指标符合规定要求。给定进尺7m，继续向前掘进至距3#煤层底板法向2m位置。

2020年12月8日，揭煤工作面掘进至距3#煤层底板法向距离2m位置，在工作面施工4个验证钻孔，测得3#煤瓦斯含量最大为5.06m³/t，△h2最大值为40Pa，指标符合规定要求，钻孔施工过程中无异常现象，允许巷道继续掘进至3#煤顶板位置，同时采用煤体加固安全措施进行揭露3#煤层。

3.4 揭煤注浆加固

4322综放工作面下部揭煤斜巷距3#煤层底板法向2m时，为提高煤体及顶板岩石强度，防止漏顶诱发突出，采取对煤体及底板进行注浆加固，拱形金属支架支护，每架棚不少于26根管缝锚杆进行前探，另外采用双抗网配合圆木及板皮刹帮背顶，每两架棚子之间用拉板作为永久连锁。

本次注浆加固采用的是HWJ-加固材料，是由无机超细粉料组成的复合型注浆加固材料，代替传统有机高分子化学、水泥基无机加固材料，通过注浆钻孔高压注入到破碎煤岩体的裂隙内，浆液在被加固地层内渗透、膨胀，随即产生一系列物理化学反应，生成一种对破碎煤岩体具有很强黏结性、充满整个裂隙的固结体网络骨架，从而对被加固地层起到补强加固和充填密实作用。

揭煤注浆加固采用φ32mm孔径，终孔注浆压力为6MPa，单孔注浆300kg，扩散半径为1.5m，沿巷道断面轮廓线，自顶部开始向两帮每间隔1000mm布置注浆孔一个，每个断面轮廓线上共布置注浆孔7个，注浆孔沿巷道顶板呈放射状布置，与巷道前进方向呈25°-43°交角。每个循环进尺3m后，再重新沿新的断面轮廓线布置一排注浆孔，如此循环进行，直至穿过3#煤2m后。

根据探查预报和巷道所揭露的煤层实际情况，本次加固的范围自揭煤斜巷起坡点至46m处（距3#煤底板2m位置）开始，至68m止（见3#煤顶板），共计约22m加固段，加固巷道松动圈约3m范围内，共计加固6轮，共计施工加固钻孔42个，平均单孔注浆用料310kg，总计注浆用料13t。

3.5 揭煤措施效果分析

4322综放工作面下部揭煤斜巷在采取高压水射流鉆扩一体化卸压钻孔预抽技术后，能有效增加煤层透气性和抽采钻孔有效影响半径，辅以严封孔、高负压抽采措施，快速实现抽采达标。工作面采用FBDNo6.3/2×30KW局部通风机，回风平均风量480m³/min，实施爆破作业揭露煤层后，巷道全断面顺利进入3#煤层，通过安全监测监控系统监测回风瓦斯浓度，掘进期间炮后平均瓦斯浓度0.18%，最大瓦斯0.38%，最大风排瓦斯量1.8m³/min，风排小于3m³/min。揭煤期间采用小循环连续性注浆加固，揭露煤层后巷道轮廓线以内成型较好，瓦斯浓度低，这是在揭露松软厚煤层上很难做到的。

4 结论

成功揭露高瓦斯存在突出危险性的松软厚煤层，主要归功于以下两点：

⑴依据《防治煤与瓦斯突出细则》规定，做好了煤层层间距控制，利用底板岩巷对揭煤巷道施工密集穿层钻孔，对上部揭煤区域进行全方位控制，通过水力扩孔技术极大程度上降低了煤层瓦斯含量及压力，为后期煤层顺利揭露提供了安全保障。

⑵利用注浆固化措施，增加了煤层的坚固性和稳定性，减少揭煤后煤体冒落，巷道成型好，避免了揭煤后再次送巷所带来的麻烦，为揭煤后大幅度降低回风流瓦斯奠定了基础，同时也为后期各地点揭煤作业积累了宝贵经验。

作者简介：

屈花荣，男，生于1986年，毕业于西安科技大学安全工程专业，大学本科学历，工程师，现任韩城矿业桑树坪煤矿通风矿长。

徐凯，男，生于1989年，毕业于榆林学院安全工程专业，大学本科学历，助理工程师，现任韩城矿业桑树坪煤矿通风管理部部长。