玉溪煤矿顶板巷在近水平厚煤层石门揭煤防突中的应用＊

时间：2024-07-28

刘军李晋生

（1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南省焦作市，454003；3.山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西省晋城市，048000）

1 矿井及井筒概况

玉溪煤矿为基建矿井，矿井设计采用斜井开拓，共布置主斜井、副斜井、进风立井和回风立井4个井筒。玉溪煤矿3＃煤层倾角小于8°，厚度平均为5.71m，现场实测副斜井揭露煤层地点最大原始瓦斯含量为19.92 m3／t，最大瓦斯压力为2.79 MPa，具有煤与瓦斯突出危险性。副斜井井口位于工业广场的西北部，井口标高+792.2 m，井底标高+320 m，井筒倾角-20°，设计斜长1380m，副斜井断面形状为直墙半圆拱，宽4900mm，高4550mm，面积19.7m2，预计揭露3＃煤层位置为1281m。

2 近水平厚突煤层揭煤方案

由于玉溪煤矿3＃煤层倾角小、厚度大，会导致石门揭煤段过长，出现顶钻、卡钻、喷孔等现象，最终导致钻孔无法一次性穿透煤层全厚。而《防治煤与瓦斯突出规定》中要求，揭煤工作面施工的钻孔尽可能穿透煤层全厚；当不能一次打穿煤层全厚时，可分段施工，但第一次实施的钻孔穿煤长度不得小于15m。然而分段实施防突措施会增大突出危险性，延长揭煤时间。

为了实现区域瓦斯有效治理，缩短揭煤工期，结合玉溪煤矿井田勘探地质报告和玉溪煤矿副斜井井筒工作面的实际情况，提出施工顶板巷道布置区域预抽钻孔的防突技术。结合揭煤地点煤层赋存特性，在巷道掘进至距煤层顶板法距7 m 的位置，平行于煤层顶板施工顶板巷，在顶板巷内向揭煤区域布置预抽钻孔，保证区域防突措施一次性覆盖整个揭煤区域。近水平厚煤层石门揭煤防突工艺流程见图1。

图1 近水平厚煤层石门揭煤防突工艺流程图

2.1 通过顶板巷施工区域抽采钻孔

采用传统的在掘进工作面分段施工区域预抽钻孔的方法不能一次全覆盖整个揭煤区域，即使勉强能覆盖，由于钻孔过长，无法保证钻孔按设计要求施工到位，就不能真正覆盖整个揭煤区域。而在顶板巷内施工预抽钻孔，可以保证钻孔一次覆盖整个揭煤区域。

玉溪煤矿副斜井巷道掘进至距煤层最小法距7m处停头，首先施工长18.5 m 的顶板巷，顶板巷推进时与煤层顶板平行且保持7 m 法距，顶板巷为半圆拱形断面，宽4.9m，高3m。顶板巷内施工穿层钻孔。钻孔控制范围为揭煤处巷道轮廓线外12m，同时控制范围的边缘到巷道轮廓线的最小距离不小于5m。顶板巷及区域预抽钻孔设计如图2所示。

抽采钻孔设计施工13排，共195个钻孔，开孔排间距1.4m （十三排与十四排排间距1.7m），每排开孔间距0.49 m，每个钻孔长度为17.66～57.11m，钻孔总长度为11310.5 m，其中岩孔长度6648.8m，煤孔长度4661.7m。

抽采钻孔使用两台ZDY1900S 型全液压钻机施工（施工时前后各一台进行施工，至后期撤出一台），钻孔孔径ø94 mm，瓦斯抽放孔使用ø50m PE管和聚氨酯封及棉纱进行封孔，封孔长度为6m，孔口使用ø50mm 铠装管连接至抽放系统。

2.2 冲煤扫孔

冲煤扫孔技术主要是通过两方面加速瓦斯释放，一方面冲出孔内积水，减小瓦斯向孔内流动的阻力，降低水分对煤体瓦斯的抑制解吸效应；另一方面冲出了煤体，包括孔内垮落堆积的煤体和孔周流变破坏比较严重的煤体，为后续煤体的移动变形提供空间，使集中应力深移，卸压范围增大，孔洞周围煤体的孔隙裂隙网络不断发育，增加了煤体的透气性，最终达到加速瓦斯运移的效果。

2.3 水泥砂浆灌注顶板巷底板裂隙

抽采钻孔漏气是影响瓦斯抽采效果的主要因素之一，导致漏气的原因有人为因素，没有按照要求严密封孔、抽采钻孔与巷道底板裂隙导通。解决办法是在近水平的顶板巷底板用水泥砂浆做300mm的加厚层，一方面灌注顶板巷底板裂隙，另一方面相当于封孔长度增加了300mm，实现严密封孔。

图2 顶板巷及区域预抽钻孔设计图

2.4 煤体注浆固化

利用已打好的区域预抽钻孔作为煤体注浆固化的注浆孔，采用高压注水泥砂浆的方法对所有的抽采钻孔进行注浆，固化煤体，实现一孔多用。

3 防突措施效果

2012年6月1日-8月13日，在副斜井揭煤处施工穿层钻孔进行预抽，施工区域瓦斯抽采钻孔205个，钻孔直径ø94 mm，钻孔总长度9647 m，其中岩孔4669.5m，煤孔长度4977.5m。钻孔覆盖整个揭煤区域，如图3所示。

2012年6月1日-11月5日，玉溪煤矿副斜井合计抽采瓦斯867701.92m3。

图3 区域预抽钻孔实际轨迹图

煤层残余瓦斯含量由式（1）计算：

式中：Wcy——煤的残余瓦斯含量，m3／t；

W0——煤的原始瓦斯含量，m3／t；

Q——钻孔排瓦斯总量，m3；

G——参与计算煤炭储量，t。

经计算副斜井揭煤区域煤炭储量为47044.72t，瓦斯储量为1420825.82 m3。抽采瓦斯量867701.92m3，瓦斯预抽率为61.07%。按原始瓦斯含量19.36 m3／t，副斜井揭煤区域计算残余瓦斯含量为7.53m3／t。然后采用残余瓦斯含量和残余瓦斯压力指标对副斜井揭煤地点实施区域防突措施后的瓦斯突出危险性进行区域效果检验，按要求在揭煤区域布置4个检验点，副斜井区域效果检验钻孔施工参数如表1所示，效果检验情况如表2所示。

表1 副斜井区域效果检验钻孔施工参数表

表2 副斜井揭煤区域效果检验结果

距煤层顶板法距5 m 位置，采用钻屑瓦斯解吸指标K1值进行区域验证和工作面的突出危险性预测，测定最大值是0.27 ml／g·min1／2，小于临界值0.5ml／g·min1／2。

距煤层顶板法距1.5m，采用钻屑瓦斯解吸指标K1值进行爆破前最后验证，测定最大值是0.35 ml／g·min1／2，小于临界值0.5ml／g·min1／2。

经效果检验无突出危险后，巷道穿煤过程中，采用边掘边抽和掘进工作面浅孔排放的煤巷掘进防突管理程序。穿煤后向巷道底板的煤层中施工了部分卸压排放孔，确保石门揭煤的安全。整个巷道揭煤段长度72m，揭煤过程中未出现动力现象。