高瓦斯突出煤层组井筒快速揭煤关键技术

吴爱军，程国军，王法凯

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010; 2.淮南矿业集团潘一东矿井建设项目部，安徽 淮南 232082; 3.山东能源集团贵州矿业公司，贵州 织金 552100)

采选技术

高瓦斯突出煤层组井筒快速揭煤关键技术

吴爱军1，程国军2，王法凯3

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010; 2.淮南矿业集团潘一东矿井建设项目部，安徽 淮南 232082; 3.山东能源集团贵州矿业公司，贵州 织金 552100)

潘一东项目部第一副井主要是服务于-850m以上的开采水平，该井筒要穿越13-1煤与12煤组成的高瓦斯突出煤层组，为了实现安全快速的揭煤，该项目部根据现场的实际情况，采用了多项新技术实施防突措施：首先使用高压充气法快速测定了煤层瓦斯压力，与此同时利用自行研制的取芯器实现完整钻取煤芯，掌握了煤层具体信息；在验证所揭煤层无突出危险性后，再利用扩槽钻头施工大直径的钻孔以加快瓦斯的排放。经过一系列严密组织和紧张施工，整个揭煤过程不到20天，较常规工艺缩短了近1/3的时间，取得了经济效益和安全效益的双赢。

突出煤层组；快速揭煤；扩槽钻孔；充气测压

煤与瓦斯突出是发生在煤矿回采或掘进过程中的一种极其复杂的猛烈的动力学现象，可在极短的时间内由煤体向采掘空间喷出大量的煤与瓦斯，从而造成人员窒息和煤与瓦斯爆炸条件，直接导致风流紊乱或短时逆转，对煤矿安全生产构成极大威胁[1-9]。根据资料显示，突出灾害事故若按突出危险的强度指标来划分的话，石门井筒、揭煤过程中发生突出强度最大，掘进、回采过程中次之，所以在石门、井筒揭煤过程中，国家、煤矿企业特别重视揭煤过程的安全生产问题。同时井筒揭煤是矿井井筒建设最为危险的也是所有工作中的最关键一个环节，它的进度快慢直接影响下一期工程(巷道工程)的施工，所以工期比较紧，任务重，为了安全快速实现井筒揭煤，必须认真组织、精心策划，采用先进技术和工艺，细致施工才能安全快速的完成这一艰巨任务。

1 潘一东矿井情况简介

潘一东矿井分2个水平生产。一水平标高为-850m，主要开采11-2煤、13-1煤。二水平标高暂定-980m，主要开采8、7、6、4煤层等B组煤。矿井煤层埋藏深，开采深度大，瓦斯、地压大、地温高，矿井进行保护层开采，首采11-2煤来解放13-1煤。先开拓开采-850m水平。下面重点介绍主采煤层13-1和11-2煤层。

13-1煤为厚煤层，煤厚1.65～7.76m，平均厚4.25m(含夹矸)，变异系数34.5%，可采性指数为1，属稳定煤层。与12煤间距1.5m左右，局部合并。下距11-2煤层约70.7m。煤层结构复杂，大部地段含1～2层夹矸，夹矸岩性为泥岩、炭质页岩。顶板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，局部为砂岩。

11-2煤为中厚煤层，煤厚0.65～3.43m，平均厚2.24m，变异系数为31.2%，可采性指数为0.95，属稳定煤层。下距8煤层约82m。煤厚全井田变化不大，结构简单，一般不含夹矸。顶板以泥岩、砂质泥岩为主，局部为砂岩、粉砂岩。

13-1煤和12煤距离很近，才1.5m，所以揭煤过程中组成了一个煤层组，这给揭煤带来更大的困难。为此这次揭煤有别于单煤层的揭煤。

2 井筒揭煤四位一体的流程

由于11-2煤下距离13煤层组大概70m，井筒只揭开13-1煤和12煤的煤层组，转入巷道施工后，从顶板进入11-2煤，这样减少了井筒揭煤次数。基于“四位一体”防突规范，根据集团公司以往的井筒揭煤经验和当今技术的发展情况来分析：若要加快揭煤的速度，整个过程需要花费时间较多的工序有：突出危险性预测和防突措施。这两项花费的时间占总工期的90%左右，这是按照正常顺利施工计算的，不包括其中的一些干扰和变故。针对这两项工艺，本项目进行了多种技术的商讨，决定采用高压充气测压、完整取芯、扩槽钻孔排放瓦斯的几项新技术。

2.1 13-1和12煤层组突出危险性预测

由于两个煤层距离较近，12煤位于13-1煤层的下方1.5m左右，所以每个煤层布置两个测压钻孔，分别测出13-1煤、12煤的瓦斯压力。

根据相邻矿井的已有资料显示，13-1煤的瓦斯压力大概在2～3MPa，12煤的瓦斯压力在0.3～0.5MPa左右，由于相聚很近，13-1煤的瓦斯压力高，所以将两个煤层作为一个煤层组来进行揭煤。根据《防突煤与瓦斯突出规定》中“四位一体”的揭煤措施[10]，在距离煤层竖向最小距离10m左右时，施工两个前探孔进行煤体瓦斯地质情况的探测，至煤层顶板法向最小距离5m时进行煤层的突出危险性预测，具体的步骤如下。

突出危险性预测主要测定煤层瓦斯压力P、煤体坚固性系数f值、瓦斯放散初速度△P和煤体破坏类型等参数，其中瓦斯压力参数需要现场测试，而另外三个参数需要现场取芯后，到实验室进行测定。因此现场需要施工的钻孔有测压钻孔4个，取芯钻孔两个。现场布置两台大功率液压钻机同时施工，加快了施工进度。

2.1.1 煤层瓦斯压力测定

常规的瓦斯测定实际上考虑的影响因素很多，测定工艺十分复杂，同时耗费工期较长，具体常规测压法的流程图如图1所示[11]。根据流程图可以看出，在实质性下放测压仪器到孔内测压之前需要完成四步的工作，这些工作需要耗时4～5天(这是考虑所有工作进展顺利的情况)，对于工期非常紧张的井筒揭煤来说，这实在是不容许耽误的。

图1 瓦斯测定流程图

因为在井筒开挖过程中，多采用的是爆破方法进行掘进的，井筒围岩难免受到损伤，并且岩石有着大量的孔隙和裂隙，这样就有大量的瓦斯从中泄露，为了保证测量瓦斯压力值准确，常采用了注浆封堵裂隙的测压方法。为了加快进度，图1中的前四步必须进行简化，项目部利用“煤层注水封孔器”当做孔口管来进行高压注浆，现场应用效果良好。这样就减少孔口管的固定、凝固等繁琐工艺，一步到位，将钻孔推至到煤层顶板上方0.5m处，将封孔器下放到孔内距离孔口1m处，连接高压水泥浆管路后进行高压注浆。待八小时水泥初步凝固稳定后，继续施工，钻孔钻进入煤层0.5m，下放瓦斯压力测压仪器。这套新技术的采用将原来需要4～5天的工序简化到24h，工作效率极大提高。

测压仪器下放入钻孔后，接下来就是等待瓦斯压力的上升直至稳定才能得到煤层瓦斯压力值，这一段时间较长，这主要是因为测压钻孔施工到位后，由于钻孔附近瓦斯迅速放散，等封孔器形成封孔后，等待瓦斯压力慢慢上来，最后到稳定至少需要5～7天时间，所以项目部决定采用高压充气方式来弥补钻孔周围煤体释放瓦斯气体引起压力损失，以此加快测压的进程。测压的仪器选用的是中国矿业大学研制的M-2型测压封孔器。该设备的主要结构如图2所示[12]。

高压充气测压方法就是测压开始时就将高压气体充入钻孔前方瓦斯室内，这些气体可以是CO2、N2或CH4，一般情况下选择危险性较小的CO2、N2。选择充入的压力略高于煤层原始瓦斯压力，本次13-1煤、12煤充入的气体压力分别为3.5MPa和1MPa，气体为N2。基本做法就是在连接瓦斯压力管线上安装一个三通阀，上面分别连接瓦斯压力表、充气钢瓶和前方的瓦斯室管线，具体结构示意图如图3所示。连接完毕后，打开高压气体阀门，调制钢瓶减压阀的压力表到预设压力值，充气1min后，关闭高压气瓶并从三通阀上取下连接管，将钢瓶与测压仪器相分离。瓦斯压力变化曲线如图4所示。

图2 M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪

图3 充气测压法结构示意图

图4 充气测压压力变化曲线

从图4中的瓦斯压力变化曲线可看出，充气8h后，两个钻孔的瓦斯压力区域稳定，指在了2.8MPa和2.78MPa，我们以最高的来定煤层的瓦斯压力就是2.8MPa，而12煤的瓦斯压力测定为0.35MPa。若要用常规的方法，待瓦斯压力慢慢上升直至到稳定大约需要6～7天，所以对于井筒揭煤工程当然是不能接受的。现在采用了充气法测压，将时间缩短到8h左右，基本上不影响揭煤进尺。总结以上几个工序，可以得到整个测压工作也就是一天多的时间，若加上其他不确定因素影响，至多不会超过3天，这在揭煤工程中已非常快。

2.1.2 完整取芯

完整取芯是掌握揭煤区域煤体具体地质信息的重要保证。我们采用自行研制的取芯器进行现场取芯，取芯器的结构如图5所示[13]，取芯工作和测压同时进行。

图5 双管单转取芯器结构示意图

在施工测压钻孔的同时，在井筒掘进工作面也施工取芯钻孔，具体做法就是先用Φ110的钻头开孔，到达煤层后拔出钻杆并卸下钻头，换上取芯器下放入钻孔取芯，开始时将钻杆和压风管相连，用高压空气将孔内的积水和岩石碎屑吹出到孔外，然后开动钻机缓慢转动，这样就较为容易的完整取出煤芯了。这项工作的难度就是由于钻头较大，加上岩石较硬，钻孔消耗时间比一般的测压钻孔同样的距离深度，但是要花费两倍的时间，但是经过细致施工，还是成功的完成了取芯工作。

2.1.3 参数测定结果

将煤体取出后，送到实验室进行参数的测定，结果如表1所示。

表1 13-1煤突出鉴定的单项指标临界值

表2 13-1煤井筒揭煤工作面突出危险性预测综合指标值

根据表1测定数值，再结合式(1)、式(2)计算出突出危险性的综合预测指标大小(表2)[10]。

D=(0.0075H/f-3)×(P-0.74)

(1)

(2)

根据以上数据得到，13-1煤具有突出危险性，而12煤瓦斯压力较低，没有达到临界值，所以判定为不具有突出危险性。但是对于两个煤层相聚非常近的煤层组来说，这次揭煤主要是针对13-1煤，并将瓦斯抽采钻孔布置进入12煤。

2.2 13-1和12煤层组防突措施

突出危险性预测结束后，接下来根据突出鉴定的结果制定揭煤防突措施，因为13-1煤具有突出危险性，12煤和13-1煤距离很近，因此揭煤时要将这两个煤层一起揭开。为了加快揭煤进度，迅速降低煤层中瓦斯含量，本项目采用了扩槽钻头在煤体内扩大钻孔直接以增加瓦斯解吸的暴露面积，具体的施工示意图如图6所示。

图6 瓦斯排放扩槽钻孔示意图

从图6可以看出，在岩石段使用Φ75的钻头进行开孔，到达煤层后，可以换用扩槽钻头进行扩大煤层钻孔，这种钻头可以扩孔达到直径250mm，这样煤体暴露的面积增大了十余倍，瓦斯抽采效率得到大幅提升，煤层瓦斯抽采半径大小也扩大了许多，同样可以减少钻孔的施工量。因为5m厚度岩石段的钻孔大小为75mm，这种结果可以抑制下部煤层因钻孔扩大而诱发突出事故发生，同时这种施工加快了施工的进度，提高了效率。

扩槽钻孔的施工按照要求布置了150个，若采用常规的钻头施工则需要施工250个左右，这样极大的较少了工作量。钻孔施工完成一个立即就封孔一个进行抽放，经过紧张有序的施工，经过4天时间完成了所设计的瓦斯排放钻孔的施工，接下来的时间就等着煤层瓦斯的排放，然后根据防突效果检测来判断消突效果。

2.3 煤层组效果检验

为了有效验证防突效果，采用多种参数和手段来进行评估，以此降低评估的风险，增加安全系数。

2.3.1 煤层残余瓦斯压力

为了进行效果验证，原来测压的仪器设备没有撤去，仍留在孔内用来监测瓦斯抽排的效果。测压时为了不影响后续排放瓦斯钻孔的施工，将测压钻孔设置在围岩的边缘处，抽放瓦斯的钻孔施工时，可以在距离测压钻孔近0.5～1m位置远处施工，以保证“效果验证”措施有效。经过10多天的瓦斯抽放后，最后通过观测测压钻孔的测压仪器仪表显示结果：煤层瓦斯压力低于0.15MPa。

2.3.2 钻屑指标法

同时又测定其他突出指标，如钻屑量S、钻屑解析指标△h2、瓦斯放射初速度q值3个单项指标低于对应的临界值指标。

2.3.3 瓦斯抽采排放率

通过十余天的瓦斯抽采排放，这个过程中进行了实时监测瓦斯流量的变化，并计算出瓦斯排放量，经过计算验证瓦斯排放量达到了煤层所含瓦斯量的30%以上。

综合考虑以上各个参数，认为井筒区域煤层突出危险性已经消失，可以揭煤。

2.4 揭煤安全防护

揭煤时，先掘进到距离煤层顶板最小法向距离2m位置处，然后再施工爆破钻眼。因为这是煤层组的厚度为7～8m左右，一次性不能揭穿煤层，所以根据《防突规定》，每次的掘进施工为4m，这样可以进行分两次揭穿煤层，每次清理爆破的浮石和碎煤后，及时对筒壁进行支护，待支护后井壁的混凝土完全达到强度标准时，再向下施工进行掘进。

3 总结

针对潘一东矿副井井筒揭煤区域瓦斯地质特点和生产安全的要求，项目部严格依据“四位一体”的防突方针，采用多种新技术和新工艺进行作业。

1)首先采用了快速高压充气法测定煤层瓦斯压力。改变传统的测压工艺，先利用注浆封孔器进行注浆封堵测压钻孔周围岩石裂隙，然后再利用高压充气测压法迅速测得了煤层瓦斯压力。

2)在测压的同时，采用自行研制的取芯器实现了完整取得煤芯，然后对煤体的坚固性系数f值，放散初速度△p和煤体破坏类型等参数进行测量，综合各个指标参数，最终判定所揭煤层为突出煤层。

3)防突措施采用了扩槽钻孔排放瓦斯的新技术。通过大直径的扩槽煤体钻孔，使得瓦斯排放钻孔的工程量下降了1/3，同时提高了瓦斯排放的效率。

4)采用测定多种参数方法来验证煤层的防突效果。利用原来的测压仪器测定残余瓦斯压力，利用钻屑指标法和瓦斯排放率来评估消突效果，经鉴定为无突出危险性后，决定进行爆破揭煤作业。

通过采用这些新技术和新工艺，使得原来需要一个月左右的工程，不到20天就完成了，提前了1/3的工期，取得了经济效益和安全效益的双赢。

[1] 刘健,刘泽功.深孔预裂爆破技术在井筒揭煤中的应用研究[J].煤炭科学技术,2012，40(2):19-21.

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[13] 刘应,蒋承林.井下突出煤层取芯工艺研究[J].中国煤层气，2008,5(3)：28-30.

The key technology of uncovering coal quickly on the shaft in the outburst coal seam group with high gas

WU Ai-jun1，CHENG Guo-jun2，WANG Fa-kai3

(1.School of Environment & Resource，Southwest University of Science & Technology，Mianyang 621010,China; 2.Huai-nan Group Pan Yi-dong Mining Construction Project Department，Huainan 232082,China; 3.Shandong Energy Group Guizhou Mines Ltd，Zhijin 552100,China)

The first auxiliary shaft of Panyidong project department is served for minting area above-850m，it will cross the high gas and outburst group be made of 13-1coal and 12coal. The In order to accelerate uncovering coal safely，a number of new technology of outburst prevention were adopted by Project department：At first，the coal seam gas pressure has been rapidly determined used the method of high gas inflation；At the same time，the self-developed corer was used to achieve complete coal-core，and the specific information of coal seam were mastered. After the uncovered coal has been verified and has no outburst，large diameter drillings were constructed by the expansion slot hole and were used to speed up the gas emissions. After a series of rigorous organization and tight construction，the whole process of uncovering coal is in less than 20 days，and nearly a third of the time was shorten compared with conventional process，a win-win situation of the economic and security benefits are gained.

coal seams group；fast uncovering coal；expansion slot hole；air pressure

2014-06-05

西南科技大学博士研究基金项目资助(编号：12zx7112)

吴爱军(1976-)，男，江苏邳州人，工学博士，主要从事煤与瓦斯突出力学机理及防治方面的研究。E-mail:wuaj668@163.com。

TD713

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1004-4051(2015)05-0091-05