进风石门一巷多用快速揭煤工艺研究与应用

马利芬

(山西省煤炭建设监理有限公司,太原 030012)

我国是世界上少有的煤与瓦斯突出事故频发、灾害严重的国家。随着煤矿开采深度的不断增加,机械化开采强度的不断加大,煤与瓦斯突出治理的难度日益增大。由于煤与瓦斯突出形成机理和影响因素非常复杂,人们虽经过了大量研究,但仍未能完全攻克,对其认识不足导致了灾害的发生[1-5]。国内外专家和学者对煤与瓦斯突出问题开展了大量的研究和工程实践,并取得了显著成效[6-13]。研究成果主要针对突出机理、制约因素、防突方法等,但针对优化巷道布置实现一巷多用,减少揭煤次数,实现快速揭煤方面的研究还相对较少。本文结合工程实际优化辅助进风石门布置,实施一巷多用,实现石门巷道安全快速揭煤,同时保证巷道施工不因揭煤作业而中断,有效缩短了建井工期。

1 工程概况

某矿为煤与瓦斯突出矿井,设计开采二叠系下统山西组3#煤层,最大原煤瓦斯含量达到25 m3/t,瓦斯压力3.8 MPa。井田范围内3#煤层埋深在450 m～730 m之间,总体受蒲池背斜和潘家庄向斜控制,倾角较大,局部20°,发育有落差6 m～12 m的3条断裂构造。矿井采用综合开拓方式,主斜井、副立井和回风立井均位于井田西部工业场地内,井底车场标高为+200 m,东部盘区大巷布置在3#煤层附近岩层中,水平标高为+150 m。井底车场和盘区大巷之间采用5条石门进行联络,如图1所示。

1-a 平面图

1-b 剖面图图1 辅助进风石门一巷多用巷道布置平、剖面图Fig.1 Plan and cross-sectional view of layout of multi-purpose air-inlet cross-cut roadways

5条石门均为穿层岩巷,采用半圆拱断面,其中主运石门净宽5.2 m,净断面积18.41 m2,设计装备带式输送机担负煤炭运输及部分进风任务；辅运石门净宽5.4 m,净断面积20.09 m2,设计运行无轨胶轮车担负辅助运输及部分进风任务；辅助进风石门净宽4.5 m,净断面积15.15 m2,担负进风任务；两条回风石门净宽5.6 m,净断面积21.83 m2,担负回风任务。

2 进风石门一巷多用优化研究

为实现井筒和盘区大巷之间的连接,该矿共布置有5条东西向石门。设计优化前,辅助进风石门布置如图1剖面图中虚线所示。这样,每条石门巷道均需揭煤2次,揭煤危险性大、工期长,费用高。为了缩短建井时间,实现快速揭煤,经过研究后决定采用辅助进风石门一巷多用优化设计方案。

分析5条石门巷道布置和使用功能。主运石门设计装备带式输送机担负原煤运输任务;辅运石门设计运行无轨胶轮车担负辅助运输任务;受运输设备限制,上述2条石门只能按照一个坡度施工,不可避免揭穿3#煤层。辅助进风石门是一条专门的进风巷,其坡度不受运输设备限制,只要满足施工需要即可，因此,设计首先考虑辅助进风石门按照平行于煤层倾角的角度施工,实现自身不揭煤;其次,进风石门采用小断面快速施工至2条运输石门揭煤区域后方,提前施工石门联络巷,布置揭煤抽放钻孔提前预抽揭煤区域瓦斯,为2条运输石门揭煤争取时间;最后,利用石门联络巷作为措施巷,布置掘进队伍绕过揭煤区域提前向下施工2条运输石门,实现平行不间断施工。

其一,辅助进风石门作为专门进风巷,在满足其功能的前提下,为了避免揭煤,加快施工进度,对石门布置进行优化。设计采用分段布置方式,为保证施工安全,保持与3号煤层最小法线距离不小于10 m。石门巷道在井底车场处留设40 m平段后,沿7°倾角施工上山至+248.52 m,后,分别沿8°、21°倾角施工下山至+173.66 m。同时,为了保证施工进度,石门巷道采用小断面掘进,保证其较多的领先于2条运输石门施工。

其二,辅助进风石门作为主运石门、辅运石门和首采面顺槽揭煤的措施巷道,在预计揭煤区域布置钻孔提前对揭煤区域瓦斯进行抽采。

其三,辅助进风石门作为主运石门和辅运石门的施工措施巷,通过施工联络巷布置掘进队伍绕过揭煤区域,加快了2条石门施工进度。

3 石门快速揭煤工艺研究与应用

石门揭煤程序如图2所示。

图2 石门揭煤作业流程图Fig.2 Flow chart of uncovering coal in cross-cut roadways

根据井底巷道实测的3#煤层瓦斯资料推断,经地面井抽采后主运石门和辅运石门揭煤区域瓦斯为17 m3/t左右,远高于临界值8 m3/t,有发生突出的危险。因此,可以不进行区域预测,在探明煤层赋存情况和残余瓦斯含量的情况下,直接实施石门揭煤区域防突措施。为了提前预抽揭煤区域瓦斯,为石门揭煤创造条件,利用辅助进风石门提前施工措施巷实施区域防突措施。

3.1 区域综合防突措施

3.1.1预抽煤层瓦斯区域防突措施

根据井底车场揭煤经验,考虑揭煤区域3#煤瓦斯情况后,确定竖向钻孔的最小控制范围为石门揭煤处巷道轮廓线以外12 m,平面钻孔最小控制范围为石门巷道轮廓线以外不小于5 m。根据瓦斯含量、煤层透气性的情况和瓦斯释放初速度,确定预抽钻孔的孔底间距为4 m。钻孔Φ94 mm,所有钻孔均一次穿透煤层全厚且进入煤层底板0.5 m,同时保证钻孔在需要控制的煤层区域间均匀布置。揭煤工作面区域预抽钻孔布置如图3所示。

图3 区域防突预抽钻孔布置图Fig.3 Layout of pre-extraction boreholes for regional outburst prevention

3.1.2区域防突措施效果检验

1)效果检验孔布置。当运输石门掘进至距离煤层底板法向距离大于10 m时,布置钻孔探明煤层位置、厚度、瓦斯情况等。当掘进至法向距离大于7 m时,在掘进迎头布置钻孔进行区域防突措施效果检验。设计选用残余瓦斯含量指标对石门揭煤工作面防突措施进行效果检验,检验孔数为5个,分别位于石门的上部、中部、下部和两侧。如检验结果的各项指标都在该煤层突出危险临界值以下,且未发现其他异常情况,则措施有效;反之,判定为措施无效。效果检验孔及其控制范围如表1和图4所示。

表1 效果检验孔及其控制范围参数表Table 1 Parameters of inspection holes and its control range

图4 效果检验孔及其控制范围示意图Fig.4 Diagram of inspection holes and its control range

2)效果检验孔施工情况。效果检验孔实际施工情况及技术参数如表2所示。

表2 区域防突措施效果检验孔技术参数明细表Table 2 Inspection hole parameters for regional outburst prevention

对检验测试点所取煤样进行测定,测得各检测点的数据如表3所示。

表3 区域防突措施效果检验孔测定结果汇总表Table 3 Test results summary of inspection holes for regional outburst preventio

3)效果检验评价。通过表3可知,石门揭煤区域实际测定的最大残余瓦斯含量为7.49 m3/t,小于临界值8 m3/t,判定石门揭煤区域为无突出危险区。

3.2 局部综合防突措施

局部防突措施从运输石门施工至距离煤层法向距离5 m处开始,首先进行工作面预测或区域措施验证,若预测结果为无突出危险,则可边掘边探至距离煤层最小法向距离2 m。若预测结果为有突出危险,则应立即实施工作面防突措施,并进行效果检验,如此反复,直至效果检验为无突出危险后,方可边掘边探至距离煤层最小法向距离2 m。最后,实施揭煤前验证,验证为无突出危险的,可在采区安全防护措施的前提下,远距离爆破揭开突出煤层，否则应补充实施工作面防突措施,直至验证结果为无突出危险为止。

根据现场实施情况,主运石门和辅运石门掘进至距离煤层法向距离5 m处时各施工了5个Φ42 mm的区域验证(工作面预测)钻孔,测得最大残余瓦斯含量6.93 m3/t,小于临界值8 m3/t,说明区域防突措施起到了消突的作用。

4 实施效果

辅助进风石门作为专用进风巷,通过实施一巷多用,在不增加工程的前提下,减少巷道自身揭煤2次,节约揭煤费用约700万元;同时作为揭煤措施巷使用,为主运石门、辅运石门和首采面顺槽巷道揭煤抽放争取了时间,节约建井工期8个月;作为施工措施巷使用,保证了主运石门和辅运石门不因揭煤而停工,保障了两条石门平行不间断施工,缩短建井工期2个月。

5 结束语

文章在分析进风石门巷道布置和使用功能的前提下,按照满足进风功能和施工需要的要求,优化巷道坡度实现自身不揭煤,优化巷道断面保证风速不超限的前提下减小面积,加快施工。优化后的辅助进风石门作为主运石门、辅运石门的揭煤措施巷和施工措施巷,实现了进风石门一巷多用。在不增加工程的前提下,为主运和辅运石门揭煤抽放争取了时间,实现了石门安全快速揭煤。通过优化研究,矿井投资节约700万元,建井工期缩短10个月。

对于突出矿井而言,如何减少揭煤次数、保障施工安全、缩短建设工期是项目实施的重点和难点。突出矿井由于瓦斯含量较高、需风量大,因此都会在运输巷之外,布置有专门的进风巷,本次辅助进风石门一巷多用快速揭煤的成功经验可为今后类似布置有进风石门巷道的突出矿井建设提供有益的借鉴。