井巷揭煤作业综合防突措施研究

赵锦刚，宋丽强，雷东记

(1.潞安矿业集团公司 通风处，山西 长治 046204； 2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

目前，我国大部分矿井的综掘进度基本上能满足生产要求，但对于高瓦斯突出危险煤层煤巷掘进来说，由于其具有煤与瓦斯突出危险性大、瓦斯涌出量高等特点，致使掘进速度放慢，严重影响矿井巷道掘进速度和安全生产[1-2]。因此，实现高瓦斯突出危险煤层煤巷安全快速掘进已成为亟待解决的关键技术难题。我国学者对此进行了相关技术研究[3-6]，苏现波等[7]采用水力强化增透技术在鹤壁矿区和焦煤矿区进行了工业性试验；冯文军[8]在焦煤中马村矿进行了水力连续冲孔快速揭穿突出煤层研究，单纯钻孔抽采效率提高了60%以上，比常规水力冲孔效率提高了20%以上，取得了丰硕的成果。但针对复杂地质条件下大埋深、高应力、高瓦斯的煤巷掘进防突技术研究相对较少。本文主要根据具体工程实践，探讨出一套适应于潞安矿区单一煤层、高地应力、高瓦斯区域条件下的井巷揭煤管理和技术模式。

1 矿井概况

潞安矿区主采3号煤层，近年来随着开采水平的不断延深，埋深逐渐增大，矿区部分矿井3号煤层已经出现明显的瓦斯动力现象，预防煤与瓦斯突出灾害成为保障安全高效生产的重要因素之一。而井巷揭煤作业又是最容易发生突出、最危险的一项作业[9-10]，更需要实施严格的过程管控。

目前，潞安矿区主体矿井的井巷揭煤防突综合体系建设尚处于起步阶段，存在生产管理部门揭煤现场信息处理不同步、揭煤管理效能低、采用技术相对落后、揭开突出危险性煤层风险性大、占用时间长、验证指标单一等问题。从A矿进风井井筒揭煤开始，已先后累计完成25次高瓦斯区域揭煤，总结近年来井巷揭煤的经验，摸索出一套适应于潞安矿区单一煤层、高地应力、高瓦斯区域条件下井巷快速安全揭煤的管理和技术模式很有必要。

2 井巷揭煤管理

2.1 潞安矿区井巷揭煤技术路线

为了在井巷揭煤作业中避免盲目性，确保有效性、提高可靠性、做到超前性，构建起揭煤防突技术和管理综合体系，对井巷揭煤作业综合防突措施严格过程管控、科学开展评判。

针对井巷揭煤作业，潞安集团层面制定了潞安矿区井巷揭煤技术路线图(图1)，为工程所需的人员、时间和设备做好规划准备，确保揭煤工作正规有序进行。

图1 井巷揭煤防突技术路线Fig.1 Roadmap of technology roadmap for uncovering coal and preventing outburst in shaft

2.2 井巷揭煤管控流程

在工程实践的基础上，建立“井巷揭煤作业双流程管控法”，包括技术流程及管理流程(图2)，在多个地点的揭煤过程中，试验了以多参数循环预测、钻孔重叠推进式隔离屏障、短掘短支浅进式穿过煤层为主要内容的揭煤模式，配套多种煤体卸压增透新技术，建立残余瓦斯压力、残余瓦斯含量[11]、K1值[12]、煤体膨胀变形量、煤层含水率、围岩变形量为主的多项效果检验指标，井巷揭煤成功率达到99%，取得了较好的技术和经济效益。

2.3 揭煤作业操作步骤

在揭煤作业过程中，要求严格执行既定工序，按设计组织施工，矿井要有统一的组织管理安排和措施，否则稍有疏忽就有可能引发煤与瓦斯突出事故；在具体工作中，各工序都要严格落实到人[13]。通过多次反复的井巷揭煤操作，规范了融合潞安管理体系的“揭煤期间正规操作流程图”，将揭煤各工序分解细化、指标量化，揭煤时将流程图分别挂设在地面调度室(指挥部)和井下现场(远距离起爆点)，一步一汇报、一步一记录，做到井上下信息同步、操作透明，切实压实各级操作人员责任，确保细枝末节把控到位、安全可靠。

3 工程质量保障

3.1 工程设计

制定设计管理流程，由设计单位编制揭煤专项设计，矿级层面进行内部审查，上报集团后组织专家会审，经集团技术负责人批准后组织实施。

图2 井巷揭煤作业双流程管控Fig.2 Two-process control diagram of uncovering coal in shafts

3.2 工程施工

(1)钻孔质量管理。每组钻孔的开孔角度进行抽检，出具“穿层钻孔施工质量抽检表”；采用钻孔测斜仪、钻孔轨迹仪等对钻孔轨迹进行抽检，从打钻源头控制钻孔覆盖预抽煤体区域不留空白区。

(2)钻孔浓度管理。制定了以钻孔浓度为主要指标的“穿层钻孔及水力冲孔施工管理制度”，钻孔验收进尺与浓度挂钩，通过进尺与工资挂钩倒逼施工队组严格钻孔施工质量。

(3)施工进度管理。引进煤体增透设备，增加钻机数量、优化施工组织，保证穿层钻孔的施工进度。

3.3 工程验收

(1)安装打钻视频监控系统，对打钻过程进行全程录像，对退钻杆进行验收。利用检查、跟班、抽检、巡查等对施工的钻孔和管路延伸进行抽查和验收。

(2)对封孔、并网、在线计量装置的安装进行多部门联合验收。

(3)开展人工测量与在线计量的相互验证，确保抽采计量的连续性和准确性。

3.4 工程评判

钻孔工程完成后，区域预抽效果评价执行“预期达标评估”和“实测指标评判”两步核准机制。

(1)揭煤区域作为独立的评价单元，按标准安装抽采在线计量装置，首先进行抽采达标预评估，编制“井巷揭煤区域治理预期达标评估报告”，评估报告必须报集团通风部门备案。

(2)预期评估达标后，进行现场实测指标评判，实测评判由集团公司层面进行现场残余瓦斯含量的实测并出具评判报告，区域措施效果检验达标后，进入下一步局部综合防突措施环节。

4 技术迭代升级

揭煤是矿井安全生产的一项十分困难且关键的工作，要实现安全快速揭煤，消除煤层突出隐患，则必须采取一定的综合防突技术，以期缩短瓦斯治理达标时间，减小矿井生产成本。综合防突措施主要体现在安全防护、远距离爆破、边探边掘等，并依据工作面效果检验，实施揭煤作业。

针对潞安矿区地质特点，制定了揭煤总体思路：煤层区域卸压→煤体区域增透抽采→掘进期间巷道轮廓线外煤体加固→严格掘进期间局部防突管控。

本文矿井综合防突措施采用的技术主要归为以下3类：①密集普钻钻孔(孔间距2 m)+PE筛管技术；②全程机械掏穴扩孔(φ260 mm)+围岩注浆技术；③水力造穴钻孔(造穴间距6 m、出煤量1 m3)+钢筛管+围岩注浆技术。

4.1 密集普通钻孔技术

密集普通钻孔技术是一种通过合理布设高密度钻孔以期实现强化煤层瓦斯抽采，另一方面该项技术能够破坏煤体结构，连通裂隙，对周边区域煤体产生卸压增透的效果。以A矿进风井第1阶段揭煤为例，揭煤区域共布置普通钻孔121个(孔间距4 m)、气相压裂钻孔31个，钻孔孔径94 mm，覆盖井筒轮廓线以外15 m。

(1)第一次组织实施揭煤作业，抽采时间过长，钻孔抽采纯量及浓度衰减过快，单纯普通孔抽采对于井筒揭煤效果欠佳，抽采钻孔衰减速度快。

(2)无论从管理上还是技术上经验欠缺，均不能保障安全高效揭煤，更不能满足矿井生产衔接需要。

4.2 机械掏穴技术

机械掏穴技术是针对突出煤层通过在钻孔内安装刀臂进行煤体切割，使煤层内部产生较大体积的孔洞，从而实现增大煤层透气性、扩大抽采半径，进而强化煤层快速抽采瓦斯。

以A矿进风井井筒第二阶段揭煤为例，先截断工作面原有121个抽放孔的封孔PE管，使用φ156 mm钢管护孔后浇注300 mm混凝土垫层。等待垫层凝固在原有钻孔的基础上重新布孔，钻孔数量44个，孔间距6 m，覆盖井筒轮廓线以外20 m，采用机械掏穴技术，煤段钻孔直径由94 mm扩至260 mm，轮廓线以外钻孔下钢筛管。

(1)进风井揭煤是该区域首次揭穿3号煤层，原岩应力未得到充分释放，揭开煤层后，由于煤层段卸压区的存在，远端瓦斯往井筒处运移，被最外圈抽采钻孔拦截抽采，运移瓦斯难以对井筒掘进造成影响。

(2)原岩应力区首次揭煤应重点关注应力的释放，应力释放优先度高于瓦斯释放及抽采，应力得到释放会促进煤层吸附瓦斯解吸。

(3)截流抽采[14]及帷幕注浆能有效抑制远端运移瓦斯对揭煤时井筒瓦斯涌出的影响；揭煤期间抽采纯量增大，说明远端煤体应力释放强度仍欠佳。

4.3 水力造穴技术

水力造穴技术是在工作面无人的情况下利用高压水射流对钻孔周围的煤体进行切割，形成一个较大尺寸的孔洞，增加煤体暴露面积，给煤层内部卸压，利用水流将切割下来的煤体带出孔外。在钻孔内部形成的孔洞使周围煤体充分卸压，瓦斯渗透率大幅度提高，煤层中的瓦斯得到解吸和释放，从而释放出瓦斯内能，降低煤体中瓦斯含量。以A矿采区进风巷(南)为例，掘进面及两侧钻场共布置84个水力造穴钻孔[15]，造穴间距6 m，相邻钻孔起始造穴位置相距2 m，覆盖巷道轮廓线左右两侧15～20 m，钻场内钻孔下金属筛管(起到金属骨架作用)、掘进面钻孔下PE筛管。依据“强—弱—强”围岩应力控制结构模型，金属骨架及围岩注浆通过内强支护结构明显控制住支护区域的应力应变环境[16]，进入揭煤作业环节采用顶帮加长注浆锚索进行围岩帷幕注浆加固，对软岩进行注浆加固时，提高锚杆预应力和增加注浆效果[17]，尤其是过断层期间严格执行超前注浆，掘一支一注一循环。

(1)采用水力造穴工艺后，揭煤区域的抽采效率明显提高，抽采达标时间平均降低2.5个月。

(2)煤体区域卸压效果明显，揭煤后未见截流抽采钻孔纯量突然增大现象。

采用“水力造穴+钢筛管+围岩注浆”组合技术，无论从抽采达标时间，还是揭煤后瓦斯涌出量变化，均好于其他2种，形成了适用于潞安矿区单一煤层条件下的揭煤技术。

5 效果检验指标

5.1 煤体残余瓦斯含量

检验指标优先采用残余瓦斯含量指标，根据现场实际，增加揭煤时回风流瓦斯浓度指标作为检验参考指标(表1)。

表1 揭煤前残余瓦斯含量及揭煤时瓦斯浓度Tab.1 Residual gas content before uncovering coal and gas concentration when uncovering coal

5.2 煤体膨胀变形量

(1)煤体膨胀变形量。采用出煤量与控制区域煤储量比值，即煤体膨胀变形量来考察煤体膨胀变形量(表2)。

表2 煤体膨胀变形量Tab.2 Scale of expansion and deformation of coal body

(2)揭煤区域水力造穴应力变化。利用钻孔应力计测试造穴钻孔周围不同距离处的相对应力变化情况，分析水力造穴的影响作用范围。随着水力造穴对周边煤体的卸压作用随着距离的增大而减小，在1.0～2.5 m处均能有较为明显的卸压作用，在3.5 m后的卸压作用则十分微弱(图3)。对不同距离处的相对应力数据进行连续的跟踪，相对应力数值随时间的变化趋势基本一致(图4)。

图3 造穴过程中不同间距处相对应力下降值Fig.3 Relative stress drop value at different intervals during the process of cavitation

图4 水力造穴后不同间距处相对应力随时间变化规律Fig.4 Relative stress at different intervals after hydraulic cavitation changes over time

在水力造穴钻孔周边2.5 m范围内，卸压持续时间长、速率快、幅度大，水力造穴的卸压效果明显；在水力造穴钻孔周边2.5～3.5 m内，卸压持续时间、速率、幅度与2.5 m范围内相比均有所降低，水力造穴虽然能产生一定的卸压效果，但相对较弱；在水力造穴钻孔周边大于3.5 m范围，水力造穴卸压效果不明显。

5.3 煤体含水率

(1)水力造穴补水范围的测量。采用水力化措施后，通过周边裂隙对煤层进行补水，可采用水分测试推算水力造穴对煤层补水范围。在水力造穴钻孔造穴里程20、50、80 m处附近，选取造穴孔的非造穴段，在钻孔周边沿水平、垂直方向，间距0.3、0.2、0.2、0.2、0.2 m各布置5个取样孔，钻孔长度2 m，取样深度2 m，取样质量3 kg，分析不同造穴里程下煤层补水范围。在测试范围内煤层平均水分由原煤的1.09%增加到3.16%，最大达到5.15%；根据各水分测试点变化规律计算，补水范围半径为2.6 m。

(2)水分对甲烷解吸速度的影响。揭煤取样并经过粉碎得到煤矿3号煤层粒度0.17～0.25 mm煤样，经过煤的自然解吸实验，观测出随着煤的含水率的增加，可以有效地防止远端或区域措施控制范围内的瓦斯突然大量解吸；随着水分的增加，瓦斯解吸速度的衰减速度不断减慢，煤中甲烷的解吸变得比较均匀，不易出现掘进时掘进区域稍遇扰动就大量释放甲烷的情况。实验结果验证了水力造穴钻孔抽采纯量衰减缓慢和巷道揭煤期间回风流瓦斯浓度低的原因，也说明水力化措施对揭煤安全有促进作用。

5.4 巷道围岩变形量

(1)监测孔的布置。揭煤前5 m处往巷道两侧各施工1个监测孔(孔径75 mm)，覆盖巷道两侧25 m，在巷道揭煤期间每掘进5 m，再次施工一组监测孔，累计施工6组共计12个监测孔。成孔后先观测钻孔孔径变化，再下变形观测管(通过变形管内的液体变化量来反映煤体变形)，连续观测随巷道掘进过程中深部围岩的变形状况。

(2)钻孔孔径变化。区域措施范围内钻孔孔径变化较小，区域措施以外钻孔孔径明显出现扩径现象，说明措施范围内卸压抽采效果明显，以外区域则存在孔壁瓦斯快速解吸造成塌孔现象(表3)。

表3 巷道一侧钻孔孔径变化Tab.3 Drilling hole diameter change on one side of roadway

巷道以外10～15 m处变形量最大，但换算到钻孔孔径形变仅6 mm。采用金属骨架及帷幕注浆后，起到抵抗远端围岩往巷道移动的作用，进而降低了远端瓦斯的快速解吸，并运移到巷道范围的可能(表4)。

表4 巷道一侧变形管最终监测数据Tab.4 Final monitoring data of deformed pipe on one side of roadway

5.5 综合效果评价

综上所述，针对A矿揭煤作业中瓦斯压力大，涌出量高的特点，采用“水力造穴+钢筛管+围岩注浆”组合技术对煤层瓦斯突出进行治理，发现水力造穴对周边煤体的卸压作用在1.0～2.5 m处卸压作用最明显，随着距离增加卸压持续时间、卸压速率、卸压幅度均有所降低，而在大于3.5 m的范围，卸压作用则十分微弱；测试范围内煤层平均水分增加，最大达到5.15%，水力造穴释放孔造穴期间对煤层补水半径在2.6 m范围内，且随着煤层含水率的增加，瓦斯解吸速度不断减慢并变得均匀，测试效果较好。因此，应用组合措施可逐步形成一套成熟的单一高瓦斯煤层揭煤技术，可有效防止揭煤作业中煤与瓦斯突出事故的发生，为矿井安全生产作业提供了有力保障。

6 结论

(1)井巷揭煤作业综合防突应做到管理与技术并重，二者不可偏颇，以问题为导向，用结果求证过程，用过程管控结果。

(2)在地质构造带附近采用内置金属骨架及围岩注浆技术，可减缓远端围岩高地应力高瓦斯传递对巷道周边的冲击。用“水力造穴钻孔+钢筛管+围岩注浆”技术，通过区域卸压、补水、围岩应力控制，三者相辅相成，实现了高效安全揭煤。

(3)效果检验指标以残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、K1值为主，也可以将煤层含水率、煤体膨胀变形量、围岩变形量作为效果检验辅助参考指标。但仍需严肃开展区域效果检验，以强化区域措施的过程管控。

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