立井井筒揭穿多层深水平突出(终版)

论文编号：1556

深立井揭穿多层突出煤层

技术研究与实践

王厚良王本忠王劲红孙宝仁魏金栋张松（中煤三建二十九工程处安徽宿州 234000）

【摘要】2007年排名全国煤炭施工企业综合实力第一的中煤二十九工程处，在淮

北桃园煤矿扩建工程新副立井井筒，揭穿多层深水平突出煤层的施工中，按照国家

新颁煤与瓦斯突出防治安全标准、消突指标、参数，6、7、8研发、创新突出煤层快速

掘进施工技术，采用探、测一体化，扫孔冲煤等新工艺，成功实现快速测报、消突，

安全顺利揭穿共10层煤，大幅缩短了揭煤工期，加快了成井速度，为该矿取得了

巨大经济和社会效益。对我国煤矿开采深度日趋加大，突破瓦斯风化带的深井瓦斯

突出防治提供了借鉴依据。

【关键词】深立井多层穿煤瓦斯突出防治快速消突技术研究实践

1 工程概况

桃园煤矿原设计为低瓦斯矿井，1995年投产时设计生产能力为90万t/a。在生产实践过程中及随着开采深度的加大，瓦斯等级逐步升级，1988年由煤科总院抚顺分院重新进行了核定，升为高瓦斯矿井；2005年由煤科总院重庆分院进行了煤与瓦斯突出危险性鉴定，升格为煤与瓦斯突出矿井，其中82煤层为煤与瓦斯突出危险煤层。新副井位于工业广场内，井筒净径6.5m，全深855.55m，是该矿用于矿井深水平的通风、提升人员与器材和延深第二水平的关键工程。立井表土段采用冻结法施工，基岩段采用普通钻爆法施工。

2 突出煤层的赋存情况

根据桃园煤矿新副井地质检查孔报告，井筒将穿过2、31、32、41、51、52、6、72、82、9十层煤，在井深742-795m将揭穿72、82、9三个突出煤层，穿煤层数多、揭煤深度大、煤层突出危险性大。虽然地质探察报告提供的72、82 煤层其各项突出单项指标预测均小于临界值，但82 煤层在桃园煤矿此前的生产实践中已证实为突出煤层，说明地质探察预测报告的局限性和可靠度。根据2005年中国矿业大学对桃园煤矿82煤层突出危险区域划分的结论，-520m以下为突出危险区，预测82煤层在埋深768.3m处的瓦斯压力为4.31mPa，瓦斯含量为13.92m3/t，佐证了井筒在穿煤段具有突出危险性。由此可鉴地质报告中给出的

瓦斯含量值偏低。地质报告中未对9煤层进行瓦斯压力测试及突出危险性预测，但其埋藏深度大，在相邻的芦岭和祁东煤矿该煤层均为强突煤层，72 煤层在邻近的祁南煤矿也为强突煤层，故该三层煤在揭煤时均严格按照突出煤层管理。

此外，受井筒周围的地面环境制约，新副井井口周围要害车间、架线电机车等设施密布，多处存在生产性火源，对地面的环境安全构成威胁。

3、揭煤施工方案的选择

3.1 防治煤与瓦斯突出措施选择鉴于井筒所穿煤层层数多，多数较薄，煤层透气性差，预先抽放的作用不大，且所需周期长，影响建井工期，因此，预抽措施在新副井井筒揭煤未被采用。为了保证揭煤的充分安全并尽量缩短工期，对于浅部（〈500m）无突出危险性的煤层，直接采用远距离震动放炮揭穿煤层；对深部（≥500m）的无突出危险煤层，采用瓦斯排放钻孔法，排放范围为井筒荒径轮廓外不小于4m；对于有突出危险性的煤层，当煤层松软、地质构造比较复杂时，采用瓦斯排放钻孔＋金属骨架＋煤体固化方法，钻孔控制范围6为井筒荒径轮廓线外8m。

3.2 井筒揭煤施工工艺流程井筒揭煤过程主要包括超前10m探测、超前5m指标预测、防突措施、效果检验和放震动炮揭煤五部分。

4 揭煤技术工艺研究与实践

4.1 突出煤层的认定井筒进入基岩段施工后，从揭穿首层煤始，历时8个月共穿煤10层。通过指标预测和穿煤实践，确认突出危险煤层2层，即72、82煤层，9煤层在本区域内待定。

4.2 72煤层探、测一体化揭煤技术工艺按照揭煤工艺流程，在距该煤层法距11m处同时进行了探煤和测压，并利用探煤孔取样测试煤层指标，省却了5m打钻测压工序和指标钻测。实测72煤厚0.9m，距离82煤层21m，煤层瓦斯压力为4.31MPa，瓦斯含量为13.77m3/t，认定72煤层具有突出危险性。在距煤垂距5m直接施工瓦斯排放钻孔。通过1个月的排放，经效果检验实现消突，成功揭穿突出煤层。

4.2.1 距煤层法距10m的施工工艺

4.2.1.1 同时对两煤层进行突出指标预测

由于72煤与82煤层间距只有21m，为节约揭煤时间，提前考察突出煤层82煤的瓦斯参数，而在距72煤11m处对两煤层的赋存和地质构造同时探测并进

钻孔平面布置图

行封孔测压及突出指标预测工作。探煤孔布置见图4-1，指标预测结果见表4-1.

图4-1 探煤孔施工布置图

表4-1探煤孔相关参数

由上表可见，虽然距离72煤层法距在10m以上、距离82煤层30m以上并测试煤样均为湿煤，但72煤层△h2值已达200Pa，K1值0.32mL/g·min1/2，4#孔内瓦斯浓度达100%；82煤层△h2值为250Pa，K1值为0.4mL/g·min1/2，中2孔内瓦斯浓度达100%。尽管竖井条件下指标测试数值偏小，但所测数据均突破临界值。此外，施工探煤孔时，井筒西部方向钻孔反复出现“涌煤”现象，在其他方向还相继探查出标高不一的煤线，（通过分析确定其为71煤），72煤顶板并存在局部构造。足以表明该两层煤在揭煤处的突出危险性很大。

4.2.1.2测压分析为考察72、82两煤层瓦斯综合压力值，提前利用探煤孔进行了压力测定，（对其他废孔及时封堵）。不仅提高了测定的准确度，并节减了工序。由于钻孔内无涌水现象，成孔较好，采用了水泥与水玻璃混合液封孔。因4#测压钻孔瓦斯压力超过了测压表的量程，在实测过程中更换了两次大量程测压表，仅一周压力即稳定在4MPa；2.1#钻孔瓦斯压力稳定值为2.2MPa。整个测压过程因封孔质量良好，压力显示了增长－平稳－衰减的完整过程，且平稳时间较长。测压时间由标准规定8的20-30d减少了二周。拆表后瓦斯钻孔内瞬间喷出少量煤水混和物后便大量喷出瓦斯。通过对82煤层工业性实验测定的瓦斯吸附常数a，按郎格缪尔方程2、4推算，下邻近层82煤层的瓦斯压力数值为4MPa以上，可以认定该数值可靠。至于82煤层的测压钻孔最后瓦斯压力值仅为0.9MPa低于计算值，对其分析认为是由于钻孔较深，实际封孔仅过72煤层底板，向下的40m封孔质量无法保证，对照此后打钻强烈喷孔等动力现象，说明此数值低于真实值。但依然已超过突出临界值0.74MPa，再结合钻屑指标测试数值大于突出临界值，故可提前确认82煤层具有较强突出危险性。

4.2.2 距煤层法距5m处施工工艺

4.2.2.1突出危险性预测情况分析因在距煤层法距11m处各项指标均已超过了突出临界值，故法距5m处指标预测工作不再进行，从而减少了钻机钻孔与测压工序及其时间。

4.2.2.2取样实验室分析。对72煤层取样进行工业分析及瓦斯吸附参数的试验，测定72煤层的瓦斯极限吸附值a为20.81m3/t，基本上反应了淮北桃园矿区72煤层的实际情况，因此予以采用。

4.2.2.3排放钻孔实施工艺。对于72煤层，由于瓦斯压力大、瓦斯含量高，煤层具有突出危险性，故采用向煤层打超前排放钻孔加金属骨架的防突方法，并保证充分的排放时间以实现安全揭煤。由于72煤层顶板存在一层71煤，因此，设计在距72煤层法距7m处（即71煤顶板）施工排放钻孔。钻孔瓦斯初速度集中反应了影响突出的主要因素：地应力、瓦斯压力、煤的破坏程度13，故采用钻孔瓦斯涌出初速度增大10%的方法9，实际考察Φ90mm钻孔有效影响半径r为1.0m设计排放钻孔，排放钻孔按均匀布孔的原则，确定钻孔直径90mm，钻孔见煤处间距2m，穿透煤层进入底板0.5m，外圈钻孔布置在煤层中厚处位置，距井筒轮廓线9m。考虑到现场钻机施工条件限制，排放孔最外圈钻孔从井壁角开孔，其他圈依次向内0.3m；井壁以内的钻孔用伞钻施工。共布置6圈钻孔，其中井筒外布置4圈，每圈钻孔见煤点间距2m。井筒内根据实际条件可多打钻孔。每圈排放钻孔数从外向内依次为40个、32个、24个、18个、10个、6个。实际共施工钻孔160个（钻机施工114个，伞钻施工16个）最外圈终孔位于井筒壁外9m范围。排放钻孔施工完毕后，最外两圈排放钻孔按“三星”布置，插入Φ75mm管壁布孔的花管作为金属骨架，金属骨架穿过煤层进入底板不小于0.5m，经过一段瓦斯排放时间后，向钻孔花管内注入玛骊散，通过管壁孔进入煤体，待其凝固后起到加固煤体的作用，从而提高煤体稳定，加大煤层的承载能力。金属骨架置于井壁荒径外，砌入井壁，不回收。

4.2.2.4冲煤扫孔工艺针对竖井排放钻孔向下容易积水无法排出的特点，采用压风冲煤扫孔技术，清除钻孔内积水，加速煤层瓦斯排放。扫孔采用4分管下到孔底，接上压风（压力为4～5MPa）对钻孔进行不间断的冲煤扫孔，对于破碎岩层塌孔严重、出现缩径的排放钻孔先采用SGZ-IB钻机进行透孔。通过长达60多天的扫孔，冲出煤与矸石共15t左右，其中冲出煤量10t以上，加速了瓦斯排放。通过进行反复扫孔“掏煤”，形成连续的卸压空间，加快了煤体吸附瓦斯解吸释放，使远处煤体瓦斯向钻孔范围内流动，钻孔附近煤层的地应力、瓦斯压力循环卸压，使煤体产生塑性变形，硬度系数增加，检验指标降低，煤体稳定性和坚固性增强，抗突阻力增大2、4，从而减弱了突出危险性，进一步加大了卸

压安全防护带。

4.2.2.5花管护孔技术在钻孔钻进过程中，由于72煤层顶板为一层泥岩，遇水膨胀，钻进中经常因塌孔或钻孔缩径而无法正常钻进，成孔率很低，研究试用了花管护孔技术，在穿煤段将花管壁上的小孔加密、孔径加大，降低其对排放造成的阻力，成功解决了成孔问题。

4.2.2.6排放效果考察

1）排放前煤层瓦斯储量按其排放影响范围为井筒外5m与15m计算。）见表4-2

表 4 -2 72煤层瓦斯储量统计计算表

2）钻孔排放瓦斯量

根据设在井筒回风中的T2探头测定数据计算资料，回风流瓦斯平均浓度为0.053%。从施工探煤孔开始，共排放瓦斯18379.44 m3。鉴于排放的瓦斯浓度系由电子监测系统测定收集，并且围岩、煤线也涌出一部分瓦斯，为保证数据的真实，给排放量添加0.9的系数核算，实际排放瓦斯量16541.496 m3，瓦斯排放率达71.1%。

3）残余瓦斯含量、压力、解析指标考察

考察钻孔选择在瓦斯压力测值大的井筒北、南部位，分别施工二个取芯实验分析残余瓦斯含量的钻孔、1个考察残余瓦斯压力的测压孔和4个取样测试钻屑解析指标的措施效果检验孔。其中测压孔位置设在煤层倾向的下方测，距井筒轮廓线12m，以考察集中应力向煤体深部转移及煤体远处吸附瓦斯解吸释放效果。各项检验指标数据见表4-3。

表4-3措施效果检验指标统计分析表

表中可见，经超前钻孔排放，当量瓦斯降至国家标准规定的8m3/t以下。瓦斯排放率、残余瓦斯压力及钻屑解析指标均降至临界值以下；现场排放钻孔喷煤、喷气现象消失，孔中的水从开始的剧烈翻滚变为间歇冒泡。通过上述参数分析及结合动力现象的消失，可以得出以下结论：即在超前排放钻孔有效控制范围内，该煤层已经消除突出危险性，在技术层面具备了揭开72突出煤层条件。

4.2.3 距煤层法距1.5m处施工工艺

经消突论证，掘进至距煤层法距不小于1.5m处，经再次效果检验有效后，采用远距离震动放炮揭煤成功，炮后半小时内瓦斯浓度最高达0.22%，平均浓度为0.14%，验证了排放钻孔的有效性，保证了井筒周围地面环境安全。

5、揭穿82 突出煤层技术工艺研究与分析

5.1 82煤层属强突煤层

5.1.182 煤层产状：穿煤后确认，82煤埋深78

6.4-771.3m，煤厚2.9m , 倾角18度，煤层软，f值0.39，无颗粒感，破坏程度Ⅴ级。顶板为砂质泥岩，致密、较硬，成分为石英，长石次之，含暗色矿物及云母片与菱铁结核，泥质胶结，透气性极差，不利于瓦斯释放。

5.1.2 在距82煤层垂距10m的一体化探、测煤过程中，频繁出现顶钻、夹钻，喷煤、喷气、声响等动力现象，喷孔高度达2-7m，实测煤层突出指标Δh2最大值250PA，K1最大值0.6m/g.min1/2(湿煤)；瓦斯压力4.31Mpa，实验分析煤层的极限吸附值a为22.57m3/t, 瓦斯含量13.92m3/t,所有指标均远高于突出临界值。

5.1.3 在距煤垂距5m处，施工第一个钻孔（最外圈）即发生强烈喷孔，孔径Φ94mm,喷煤量7t,喷孔持续时间3秒钟。造成井筒内瓦斯超限断电，回风流传感器采集瓦斯涌出量260m3(T2探头从瓦斯升高至恢复喷孔前状态)，当量瓦斯高达38m3/t。统计施工排放孔期间喷孔达13次。

82煤层在该矿及临近多对矿井均发生过突出乃至突出煤量超万吨级、突出瓦斯量超百万立方米的特大突出。综上可鉴，82煤层在本井筒揭煤处具有较强的突出危险性，不需再进行指标测试，省却5米测压及钻测指标预报环节，直接施工

排放钻孔。

5.2 瓦斯排放效果考察

5.2.1 瓦斯排放量考察见图5-1

图5-1井筒回风流T2瓦斯探头测试曲线

从T2探头测定曲线可见，施工排放钻孔时瓦斯涌出量较大，经扫孔冲煤呈跳跃式曲线，之后呈下降、平缓并维持在0.03%左右。

5.2.2 残余瓦斯压力及解析指标考察

5.2.2.1 残余瓦斯压力布孔

在喷孔严重的排放孔附近施工1个残余瓦斯压力测定钻孔，2个压力泄放考查钻孔，由于这三个孔见煤点距井壁外较远，故又补打1个距井壁外8.5m的4#残余压力考察钻孔。见表5-1

表5-1 防突措施检验表

在施工残余瓦斯压力考察钻孔时，1#、3#孔发生强烈喷孔，但由于1#孔封孔质量不好，压力表无数值，2#孔封孔一周后压力才开始显示，3#、4#孔封孔良好。表中数据可见距井壁13m外的煤体残余瓦斯压力依然很高，论证了82煤层透气性极差。从补打的4#孔压力值可知，在距井壁外8.5m处的煤层残余瓦斯压力值已远远低于临界值，说明在排放钻孔作用的范围内排放效果达到了规定标

准。

5.2.2.2效果检验孔考察

鉴于施工最外圈排放孔时喷孔强烈，故分别在最外圈东、南、西、北四个方

向各布置1个效检孔、内圈布置3个共7个。经排放后Δh2最大值降至90pa,

Ｋ1最大值降至0.03ml/g.min1/2，表明措施有效。

5.2.3 扫孔冲煤效果考察见表5-2

*注：测量时，皮管插入孔内长度为1.5m。

从表中数据可见，内圈的钻机扫孔，使钻孔周围的煤柱体瓦斯进一步解吸进入钻孔，故孔内瓦斯浓度持续居高。对最外圈冲煤扫孔，为煤体深处的吸附瓦斯提供了解吸空间，解析后的瓦斯涌入钻孔，以致孔内瓦斯浓度增高，特别是井筒北部钻孔。由此可见“扫孔冲煤”工艺，致使煤体瓦斯有效快速排放，保证了揭煤的充分安全。震动放炮揭煤后半小时内回风流瓦斯浓度最高仅为0.62%，平均浓度为0.41％,验证了排放钻孔的有效性。

结语：

1、实践证明，距煤垂距10M的探、测煤一体化工艺，不仅可行，而且提高了测定的准确度，节减了5米的测压工序及指标钻测时间。

2、扫孔冲煤工艺是立井井筒揭穿突出煤层钻孔排放措施的制胜环节

煤与瓦斯突出的流变假说认为13：突出是地应力、瓦斯、煤的物理力学性质综合作用下发生的结果，其中地应力和煤的强度是主要因素，煤的破坏程度愈高，突出可能性越大，而煤的强度又与煤体的瓦斯含量有关，随着瓦斯的放散，煤体强度也相应增高。采用钻孔排放瓦斯措施，是在突出煤层瓦斯压力的作用下使瓦斯通过钻孔排出，致使煤层深部的吸附瓦斯逐步解吸并不间断地流向钻孔排放到空气中，

瓦斯压力和含量的降低导致煤体收缩、强度增大，减低了对工作面的集中应力，消除、削弱了突出的必要条件，但排放速度缓慢，排放时间漫长，尤其透气压差的煤层。在邻近矿井揭82煤层时，钻孔排放时间长达半年以上，其排放的煤层瓦斯含量也仅为25%，而本次桃园煤矿新副立井揭82突出煤层，由于采用了扫孔冲煤工艺，仅用了48天，共冲出煤矸石80t，其中冲出煤量60 t，排放瓦斯量26493m3，排放率达66.9%。残余瓦斯含量、残余瓦斯压力及钻屑解析指标均降至临界值以下。经论证，在排放钻孔有效控制区域内82煤层已消突，具备了揭82煤的安全技术条件，大幅度的缩短了排放周期，新副立井作为扩建工程的瓶颈施工，减少了至少4.5个月的建井工期。揭煤总体节约时间按提前6个月投产，可增收数亿元。

3、除了72煤与82煤两层突出煤层外，其余8层煤经指标预测，均无煤与瓦斯突出危险，根据非突出煤层的揭煤流程，顺利快速的揭穿了这8层煤。通过对桃园煤矿新副井井筒所揭各煤层瓦斯赋存规律的研究，针对井筒揭穿的煤层层数多、揭煤处深度大、煤与瓦斯突出危险性大、井筒周围的地面安全环境严峻等特点，制定了针对性的设计和严细的措施，采用探、测一体化，扫孔冲煤，花管护孔，利用金属骨架固化等创新技术、工艺，提高了测定的准确度，并节减了工艺、时间，通过强化揭煤组织领导，产、学、研结合，保证了地面周边环境安全和揭煤工作的有序开展，遵照国家新颁防突标准，成功顺利地揭穿了共10层煤，大幅度缩短了揭煤周期，加快了建井工期，为桃园煤矿取得了巨大的经济效益和社会效益。

作者简介：王厚良，男，安徽桐城人，1965年生，1988年毕业于安徽理工大学、硕士学位、从事岩土工程二十余年，现任职中煤矿山建设（集团）总工程师、高级工程师，发表并获国家暨省部级奖论文多篇。

联系方式：0557-******* 安徽省宿州市东关中煤二十九工程处

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