石门揭穿高瓦斯压力突出煤层组施工

摘　要　祁南矿井7煤层经分析存在煤与瓦斯突出的危险性，在施工中对7煤层的突出危险性进行了重新验证，并采取了一系列防突措施：建立独立的通风系统、打钻泄压、瓦斯监测、电器防爆管理及防突培训等。揭煤工艺采用了震动放炮导硐、小断面导硐全断面刷大掘进、水力冲孔、穿煤支护等措施。并介绍了揭煤中特殊问题的处理。
　　关键词　煤层瓦斯突出　揭煤工艺　防突措施

　　祁南矿井位于宿州市南23km，设计生产能力1.8Mt/a，立井主石门开拓，属高沼气矿井，地表标高+24m，运输水平-550m，回风水平-365m。石门开拓时，高差为38m的中央运输石门和81采区回风石门分别在-550m和-512m水平同时、同方向揭穿7煤层组。

1　煤层赋存条件及煤层特征

1.1　井田构造
　　该井田构造形成于印支—燕山期，井田区域处于宿南向斜西翼南端，为一走向接近南北转东西向西南突出、倾向东至北的单斜构造。中部及东部发育为次一级褶曲，以王楼背斜和张学屋向斜为主。石门穿煤位置处在接近王楼背斜顶部构造形成的瓦斯聚应力区，构成石门穿煤过程中煤与瓦斯突出的潜在威胁(附图)。

附图　石门及背斜位置

1.2　煤层特征
　　该井田含煤地层为二叠系7石盒子组及山西组，共含煤30余层，其中可采10层，主采3层，即3₂，7₂，10煤层，平均厚度分别为2.37，2.57和2.34m,其中，7煤层组中7₁煤和7₂煤间距较稳定，一般为5～10m，在主井及运输和回风石门范围内仅2～3m，石门揭煤处为1.0～1.6m，并向背斜顶部逐渐变薄，夹层为泥岩。
　　7煤层以亮煤为主，内生裂隙发育，属气煤，透气性差。顶板为泥岩、粉砂岩，底板为泥岩。其中，7₁煤层厚度1.6～2.3m，呈碎块、粉状，碾碎后有颗粒感，结构简单，含1层夹矸；7₂煤层厚度为2.8～3.3m，呈粉末状，破坏程度严重(达5级)，手抓即碎，碾之成面，结构复杂。
　　煤层产状：-550m水平中央运输石门揭露煤层倾角为13°；-512m水平81采区回风石门揭露的煤层倾角为4～6°，并逐渐变小。由附图可见，王楼背斜控制着煤层形态和赋存条件，并对该区域内的瓦斯赋存起到制约作用。

2　瓦斯突出预测预报和突出预兆

　　淮北矿区的高突矿井，均系在矿井建设期间，根据揭煤过程中对瓦斯赋存状况的实测以及施工中发生的突出及突出动力现象，对初步设计提供的瓦斯等级进行验证后重新确定的。煤与瓦斯突出均发生在8号煤层。而祁南井田内的8煤层为不可采煤层，7煤层做为8煤的邻界层，从精查报告提供的瓦斯含量、分布以及对石门所处的特殊地质构造位置和顶底板岩性等分析，不能排除其突出危险性，因而在施工中对7煤层的突出危险性进行了重新验证。
2.1　瓦斯压力测量
　　由于矿井地压大，巷道周边破坏严重，为测准瓦斯原始压力，在距煤垂距10m处布置测孔。孔直径75mm，尽可能垂直煤层钻进，穿透煤层全厚进入底板后终孔。采用液压封孔技术测量7煤层组压力。撤钻后立即封孔，压力仅3d即回升至稳定值，运输石门测定值为3.7MPa，是淮北地区历史上最高值；回风石门稳定值为2.6MPa。由于测得压力值为7煤层组综合压力，而其中7₁煤无突出危险，故7₂煤层实际瓦斯压力必然高于测定值。
2.2　突出危险性预测预报
　　采用WTC-3型瓦斯参数仪和MD-2型瓦斯解吸仪，用钻屑指标法测得瓦斯解吸指标K₁值和Δh₂值，分别为0.65mL/g^.min^1/2和400Pa。
2.3　突出预兆
　　(1)距煤层垂距20m之前遇有两处断层，曾发生冒顶，并伴有瓦斯溢出；在后来施工中，由于季节、天气等因素，出现巷道顶、底板大面积瓦斯涌出现象，底板积水中可见瓦斯气泡密集，轨面以上200mm处瓦斯浓度达6%～9%，顶板以下200mm处浓度达10%以上，回风流瓦斯浓度曾达6%。工作面装药时出现药卷被慢慢顶出等现象。
　　(2)打测、泄压孔施工中，钻杆一进入7₂煤层，即出现顶钻、夹钻和喷孔等动力现象，每孔必喷。右侧(近背斜顶部一侧)较左侧严重，自右向左逐渐减弱，钻进过程中和钻杆拔出后，均发生较强喷孔，钻进时水伴煤粉喷出距离最长达46m，最短4.5m，喷射时可见蓝、白色光谱。
　　(3)中央运输石门在距煤2.5m时，工作面巷道底板突然发生凸起鼓裂，巷底迅速鼓起，4h内鼓起1.6m(平均0.4m/h)，6h鼓起2m后稳定，3.7m高的巷道仅余1.7m，现场人员可明显感到脚下岩石上升，并伴有隐约的响动；靠在工作面的铁梯子被挤成“L”形，钻机被顶歪至巷道一侧。鼓起的岩石呈龟背状，宽及两帮达6m。中间自工作面左侧斜向右方延伸裂开1道200～450mm宽的纵向裂缝，深及7₂煤层，缝中瓦斯含量100%；中缝两侧裂开各5道20～200mm宽的横向裂缝，缝中可见7₂煤的粉末。底鼓前工作面瓦斯含量无变化，为0.3%；底鼓后，随着瓦斯大量涌出，回风流瓦斯浓度达10%以上，进风井口达3%，瓦斯逆流。共涌出瓦斯量近10万m³。4d后距煤垂距4.5m的回风石门也发生底鼓，长度22m，高1.92m，工作面0.5m深的积水渗漏一空，底鼓将扒矸机顶成高射炮状。断裂缝隙较小(20mm)的缝中瓦斯持续涌出达1个月，含量10%以上。
　　(4)回风石门底板鼓裂后，连续数天可听到来自底板深处的隆隆响声，初始频率为20min/次，3d后逐渐减少。该石门在距煤2.5m处打泄压钻孔时，又发生二次底鼓，将混凝土喷封的工作面底板鼓裂顶起，钻机被顶歪，钻工感到脚下振响和隐约颤动，底板瓦斯大量涌出，含量高达23%。

3　防突措施

　　根据实测的瓦斯压力值P，瓦斯解吸指标K₁和Δh₂值，上述主要突出预兆及动力现象，以及7₂煤层的破坏程度等综合指标，断定7₂煤层具有突出危险，决定对石门揭煤实施全过程的防突管理。
3.1　建立可靠的独立通风系统
　　运输石门。由主井地面设置的4-58No12D无级调速风机(风压h=4 900～3 200Pa，风机流量Q=1 100m³/min)和铺设的φ900mm/φ800mm铁风筒将石门回风直接抽排至地面；在副井马头门设双28kW局扇(TF525-1型)和双路φ600mm胶皮风筒向工作面供风。
　　回风石门。由风井井口地面设置的9-26No10D高压离心式扇风机(h=9 800～5 800Pa，Q=950～1 200m³/min)和铺设的φ900mm/φ800mm玻璃钢风筒抽排瓦斯风流；设2BKJ型轴流式通风机2台为工作面供风。
　　两石门均在其抽风口之后设两道反向风门。
3.2　打钻泄压
　　鉴于煤层倾角小，穿煤平距长，采用分段泄压排放瓦斯，分段揭穿煤层。按淮北地区泄压半径0.9m布置钻孔，其泄压范围每段超前工作面20m，巷道周边5m。
3.3　防突效果检验
　　当瓦斯压力值降至0.7MPa以下，防突效果检验K₁和Δh值低于突出临界指标后，采用震动放炮揭穿煤层。
3.4　瓦斯监测
　　局扇实行“三专(专用变压器、专用供电线路、专用开关)两闭锁(风电闭锁、瓦斯电闭锁)”，并装备瓦斯遥测自动警报断电仪。工作面和回风流设双探头，接收机设在调度室，专人值班，24h监测瓦斯变化情况。设专职瓦检员跟班，工作面设专人观察突出预兆。
3.5　建立机电防爆管理中心
　　设专人维修管理电气设备，执行分级检查、逐台验收签字制度，杜绝电器失爆。
3.6　防突培训
　　开展全员防突培训教育，执行考试合格上岗及奖罚规定。

4　揭煤工艺

　　沿巷道掘进方向水平揭穿极缓煤层，采用震动放炮不可能一次全断面揭露煤层。针对7煤而言，也只能逐步剥开保护岩柱、7₁煤层、泥岩夹层，最后揭穿7₂煤层，这在实质上是将现场人员逐步暴露在具有强烈突出危险的7₂煤层前。巷道底板的鼓裂和瓦斯的涌出说明，距煤2.5m和4.5m的保护岩柱尚未能抗拒瓦斯突出的能量，已遭破坏的7₁煤层和泥岩夹层就更不具备保护的含义。鉴于此，此次揭煤采用震动放炮导硐，全断面刷大掘进以及水力冲孔等方法。
4.1　震动放炮导硐
　　利用导硐形成的大自由面使瓦斯能量得到充分释放，一次揭开煤层全厚。
　　每次震动放炮均应尽量垂直煤层钻进，以减少孔深度。孔数5～7个，孔径φ75mm，穿透煤层全厚至7₂煤层底板。中心孔只封水不装药，其余每孔按7₁煤、泥岩夹层、7₂煤层分3段装药，中间用炮泥隔开。使用水胶炸药，每3卷1捆，共3捆9卷，用竹片绑成1组，根据孔深装入1～3组。自浅到深，用3段毫秒雷管起爆，最大不超过130ms。放炮时人员全部撤离井下，关闭反向风门，全井停电，但要一手拉闸，一手即合上起爆电闸引爆，以免停风造成瓦斯积聚。
　　放炮后如无异常，即启动地面主扇，半小时后入井自外向里检查，恢复局扇通风。按专门的瓦斯排放措施排放瓦斯。
4.2　小断面导硐，全断面刷大掘进
　　通过震动放炮导硐揭放瓦斯后，在工作面下方左中右施工3个φ42mm超前钻孔，并做防突效果检验；之后在巷道中间掘进小断面导硐。炮孔深1.2m，远距离放炮，炮后观察一小班(如有异状要加长观察时间)，待瓦斯潜能进一步释放后，进行全断面刷大；掘进5m段长后，进行下次震动放炮和一导一刷循环，直至揭开7₂煤层。
4.3　水力冲孔
　　鉴于81石门穿煤距离过长，以及施工进度要求加快等，对巷道施工设计进行了修改：改做1条20m下山直接穿透煤层后，再施工剩余回风段平巷。
　　利用巷道排水设备，采用水力冲孔方式揭开煤层。先将工作面和底板用混凝土喷封。施工φ108mm钻孔12个，沿20m下山穿透煤层全厚(共冲出煤量3.8t)；通过冲孔造成的空硐泄放瓦斯，消除了突出的潜在危险。
4.4　穿煤支护
　　自进入巷道底板距煤层2m到巷道顶板穿过煤层至7₂煤层底板2m区段，采用U型钢全封闭，加双支脚支架，密集水泥背板，加喷混凝土支护方式。其间，在7₂煤层进入石门全断面后，沿巷顶施工30～40m深的密集金属骨架支护，并对7₂煤层注入固化剂，防止煤层因过软而倾出。

5　揭煤中特殊问题的处理和分析

　　(1)祁南矿井由6个施工单位分块承包施工，施工和作业方式不同，互相制约，管理难度极大；建设单位的主管部门注重重点工程项目的施工速度，筹建单位着眼于先期出煤，施工单位要考虑工程顺序的合理性以保障施工安全。而祁南矿井在通风系统未形成时就进入了采区巷道施工，包括石门穿煤均要靠地面扇风机通过刚性风筒抽排乏风，风路长阻力大，供风量受限，容易造成局扇循环风和瓦斯风流串联等隐患；运输石门穿煤期间要进行主井安装工程，而主井筒中设有专为抽排石门瓦斯风流的铁风筒，安装时就势必要拆除，而安装期间又必然进行烧焊作业，主井筒作为回风井并通过突出煤层的回风，这对矿井安全威胁极大。上述问题虽然通过协调和努力得到解决，但也严肃地提出了在新的市场经济管理体制下，如何合理地安排工程排队，统筹管理多方施工，确保施工安全的课题。
　　(2)在高差仅38m的双石门同时揭穿同一突出煤层，又都从煤层顶板进入，并且煤层倾角小，穿煤平距长；两石门同时施工中，其中一石门放炮，另一石门受采动影响，巷道中瓦斯即大量涌出，互相干扰。要协调好各相关的施工作业，统一审批各项技术措施、方案。
　　(3)对超前突出的处理。此次揭煤，两石门均在留有相当厚度的保护岩柱时就发生强烈的超前突出动力现象，造成巷道底板鼓裂，瓦斯大量涌出，从岩石鼓起龟裂的缝隙中可观察到7₂煤层的煤粉充斥岩缝的状况，如同原始赋存状态。保护岩柱鼓裂后，实际上等于已失去保护层，为此要首先处理底鼓。处理方法：自底鼓边缘后退5m，打钻泄放鼓裂部分下面煤层的瓦斯压力。设计钻孔72个，纵横扇形布置，开孔φ108mm、孔深1.0m下管，之后改为φ75mm钻至7₂煤层底板。由于顶钻夹钻和喷孔、塌孔等而实施31个，泄放1周时间后，经效果检验达到泄放目的，清除底鼓部分，封严钻孔。
　　(4)运输石门全断面揭露7₂煤层后，在施工φ108mm泄放钻孔时，有多孔发生突煤，其中最大孔喷量达2t以上；因此，对具有强烈突出危险煤层，钻孔孔径应适当减小。
　　(5)运输石门放震动炮导硐时，曾发生强度为200t的突出，突出煤矸堆积如倾出特征，但深部的7₂煤翻到堆积的矸石上部，而浅部的7₁煤却压在下部，说明7₁煤层和泥岩夹层对7₂煤的突出起到了制约作用。

6　施工效果

　　在揭穿高瓦斯压力、具有突出危险的祁南矿井7煤层组的施工过程中，由于检测严细、措施得力，施工安全顺利，为类似的瓦斯地质煤层组施工积累了经验。

作者简介:孙宝仁，男，1945年7月生，高级工程师。1965年毕业于辽源煤矿专科学校，现任中煤三建公司安监局副局长。
作者单位：中煤第三建设公司，宿州34000