袁安營(yíng)
(安徽理工大學(xué) 省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001)
我國(guó)是世界上發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故最頻繁的國(guó)家之一,隨著我國(guó)煤礦以10~25m/a的深度向下延伸,面臨的瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害事故的問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)峻[1-4]。因此,煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采后,瓦斯突出防治問(wèn)題是普遍面臨的問(wèn)題,而在深部高瓦斯礦井巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭煤尤其困難。國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了大量研究[5-13],研究成果大多采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法對(duì)高瓦斯煤層中揭煤過(guò)程進(jìn)行了研究,研究目標(biāo)多針對(duì)石門揭煤,但針對(duì)高瓦斯突出煤層大巷揭煤情況的研究還相對(duì)較少。本文主要根據(jù)具體工程實(shí)踐,首先對(duì)掘進(jìn)工作面前部煤體賦存情況進(jìn)行鉆探,其次對(duì)煤體的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè),并采用地面和井下聯(lián)合區(qū)域防突技術(shù)進(jìn)行消突,最后實(shí)現(xiàn)大巷揭煤的安全施工,以期為相似工程問(wèn)題提供研究基礎(chǔ)和新的思路。
本次試驗(yàn)的揭煤巷道為顧北礦南翼軌道大巷,該大巷采用Y型通風(fēng),巷道布置示意圖如圖1所示,巷道位于-648m水平,施工過(guò)程中遇到的巖性以4煤、砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)砂巖為主,其中,4煤共有4-1和4-2兩層煤。頂?shù)装鍘r性及厚度:4-1煤層直接頂為泥巖,厚1.39m,4-1煤層直接底為砂質(zhì)泥巖,厚6.00m,老底為花斑狀泥巖,厚2.10m;4-2煤層直接頂為泥巖,厚2.93m,老頂為細(xì)砂巖,厚8.35m,4-2煤層直接底為泥巖,厚1.39m。根據(jù)前探鉆孔資料,揭煤處4-2煤與4-1煤合并形成“煤包”,厚度為0.77~9.53m,如圖2所示。
圖1 南翼軌道大巷的布置示意圖
圖2 軌道大巷見(jiàn)4煤情況示意圖
為了更加清晰地了解大巷掘進(jìn)前方煤巖體賦存情況,為大巷掘進(jìn)揭煤提供可靠的依據(jù),在軌道大巷掘進(jìn)工作面距4煤法距15.8m處施工8個(gè)前探鉆孔,掌握前方揭4煤地質(zhì)構(gòu)造,鉆孔布置如圖3所示,鉆孔參數(shù)及見(jiàn)煤情況分別見(jiàn)表1。由表中軌道大巷前方見(jiàn)煤情況可以發(fā)現(xiàn),不同角度鉆孔大多數(shù)都發(fā)現(xiàn)了煤體,也驗(yàn)證了地質(zhì)條件中提到的存在“煤包”現(xiàn)象,即大巷掘進(jìn)前方必然存在厚度較大的煤體。
圖3 軌道大巷掘進(jìn)面至前方鉆孔布置圖
根據(jù)掘進(jìn)工作面前方煤體賦存情況鉆探結(jié)果,為了保證揭煤工作的安全開(kāi)展,消除瓦斯突出危險(xiǎn),首先要對(duì)軌道大巷前方煤體瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。在軌道大巷掘進(jìn)工作面距待揭4煤法距15.8m處施工3個(gè)測(cè)壓鉆孔,如圖3所示,測(cè)得的軌道大巷前方煤體內(nèi)瓦斯壓力和瓦斯含量結(jié)果分別為:瓦斯壓力P=0.79MPa,大于0.74MPa;瓦斯含量W=3.4m3/t,小于8m3/t。
表1 軌道大巷前探鉆孔參數(shù)與見(jiàn)煤情況
軌道大巷監(jiān)測(cè)的瓦斯壓力為0.79MPa,大于國(guó)家規(guī)定的0.74MPa的要求,綜合分析,南翼軌道大巷所揭4煤具有突出危險(xiǎn)性。因此,必須采取防突措施以保障大巷揭煤順利實(shí)現(xiàn)。
為確保顧北礦南翼軌道大巷安全揭4煤,提出在南翼軌道大巷采用地面和井下聯(lián)合區(qū)域防突技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽排,防治瓦斯突出現(xiàn)象的發(fā)生。
1)首先采取由地面施工鉆孔,鉆孔穿過(guò)巷道前方所揭4煤煤體,即軌1孔。并在隨后開(kāi)始地面掏煤,掏煤結(jié)束時(shí)掏穴直徑為2m,地面鉆孔掏出煤量約2t,從鉆孔至掏煤結(jié)束共歷時(shí)約98d。
2)其次在軌道大巷掘進(jìn)工作面處向4煤施工9個(gè)鉆孔,與地面鉆孔(軌1孔)聯(lián)通,進(jìn)行地面井下聯(lián)合洗煤,鉆孔直徑133mm,地面鉆孔(軌1孔)與井下鉆孔進(jìn)行地面井下聯(lián)合洗煤,共聯(lián)合洗煤6次,由開(kāi)始時(shí)沖出糊狀泥巖,煤泥較少情況,至重新采用鉆機(jī)進(jìn)行透孔后,共壓水洗煤16次,累計(jì)沖孔66.98h,洗出塊狀煤、煤屑、煤泥、塊狀矸石、巖粉等沉淀物57.0m3,泥巖含量相對(duì)較高。待洗煤工序結(jié)束后,將地面和井下洗煤鉆孔進(jìn)行注漿封孔,最終注漿壓力達(dá)到18MPa時(shí)結(jié)束注漿。地面和井下聯(lián)合洗煤過(guò)程中,瓦斯?jié)舛扰c瓦斯涌出量基本未發(fā)生變化。
3)最后,在大巷掘進(jìn)工作面距4煤法距13.0m迎頭和左右鉆場(chǎng)共施工99個(gè)瓦斯排放鉆孔,排放鉆孔施工過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,巷道揭煤期間將巷幫鉆場(chǎng)鉆孔均封孔,保持連續(xù)抽采。
1)采用地面和井下聯(lián)合洗煤區(qū)域防突技術(shù)施工結(jié)束后,由軌道大巷掘進(jìn)工作面至4煤法向距離10m處再次施工3個(gè)測(cè)壓鉆孔,測(cè)得煤體的瓦斯壓力和瓦斯含量分別為0.5MPa和2.58m3/t,遠(yuǎn)小于瓦斯突出的指標(biāo)值,因此確定該工作面所揭4煤目前處于無(wú)突出危險(xiǎn)狀態(tài)。
2)在掘進(jìn)工作面距4煤最小法距5m時(shí),在迎頭采用綜合指標(biāo)法和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證,驗(yàn)證孔3個(gè),其中一個(gè)鉆孔位于掘進(jìn)巷道斷面中部,并至少有1個(gè)鉆孔控制到井巷輪廓線外不少于5m位置。取煤樣化驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果為:①綜合指標(biāo)D=-1.03<0.25,且煤體強(qiáng)度K=14.28MPa<15MPa;②最大鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1=0.09<0.5(mL/g·min1/2);③驗(yàn)證時(shí)未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)均不超限,且驗(yàn)證鉆孔施工過(guò)程中無(wú)異?,F(xiàn)象,故確定軌道大巷掘進(jìn)前方煤體為無(wú)突出危險(xiǎn)煤體。
3)最后在巷道掘進(jìn)工作面距4煤法距3.0m處,采用了鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行了最后驗(yàn)證,測(cè)得最大K1=0.04mL/(g·min1/2),最大鉆屑量S=3.3kg/m,指標(biāo)均不超限,且進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)無(wú)其他異常動(dòng)力現(xiàn)象,確定巷道所揭4煤無(wú)突出危險(xiǎn)。
顧北礦南翼軌道大巷掘進(jìn)揭煤施工采用遠(yuǎn)距離放炮的方式,揭煤期間瓦斯含量和瓦斯壓力等循環(huán)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均未超標(biāo),且未出現(xiàn)其他動(dòng)力現(xiàn)象。其中,軌道大巷揭煤長(zhǎng)度為27m,歷時(shí)16d。可見(jiàn),采用地面和井下聯(lián)合洗煤區(qū)域防突技術(shù),有效地防止了煤與瓦斯突出現(xiàn)象的發(fā)生,使大巷揭煤施工順利開(kāi)展,具有較高的社會(huì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。
1)通過(guò)對(duì)大巷掘進(jìn)工作面前方煤體賦存情況進(jìn)行鉆探,獲得了掘進(jìn)工作面前方見(jiàn)煤情況,驗(yàn)證了地質(zhì)條件中提到的存在“煤包”現(xiàn)象,為大巷揭煤提供了可靠的依據(jù)。
2)由大巷掘進(jìn)工作面向煤體施工測(cè)壓孔,通過(guò)監(jiān)測(cè)瓦斯壓力和瓦斯含量及煤體強(qiáng)度的方法對(duì)煤體的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè),確定了巷道前方4煤為具有突出危險(xiǎn)性煤體。
3)提出了地面和井下聯(lián)合洗煤的區(qū)域防突技術(shù),并通過(guò)綜合指標(biāo)法、煤體強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、最大鉆屑瓦斯解析指標(biāo)及消突過(guò)程的現(xiàn)象等對(duì)區(qū)域消突效果進(jìn)行了檢驗(yàn),成功對(duì)大巷前方煤體瓦斯進(jìn)行了消突。
4)軌道大巷采用遠(yuǎn)距離放炮的方式進(jìn)行揭煤,其中軌道大巷成功揭煤長(zhǎng)度為27m,揭煤期間瓦斯含量和瓦斯壓力等循環(huán)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均未超標(biāo),且未出現(xiàn)其他動(dòng)力現(xiàn)象,成功實(shí)現(xiàn)了大巷順利揭煤。