某礦主皮帶斜巷過L5石灰?guī)r段瓦斯和涌水防治方案

任繼平

(呂梁市煤礦通風(fēng)與瓦斯防治中心)

山西同德礦井田面積9.827 1 km2，批準(zhǔn)開采4#～10#煤層，現(xiàn)開采4#、5#煤層，核定生產(chǎn)能力為120萬t/a。礦井水文地質(zhì)類型屬中等類型，正常涌水量39.1 m3/h，最大涌水量54 m3/h。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量37.75 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量15.55 m3/t，為高瓦斯礦井。4#、5#煤層的自燃傾向性等級(jí)均為Ⅱ級(jí)。開采煤層煤塵均具有爆炸性。礦井采用斜井開拓方式，井田內(nèi)布置有主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井4個(gè)井筒。礦井采用中央分列式通風(fēng)方式，主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。礦井建有地面固定式瓦斯抽采系統(tǒng)，分別進(jìn)行高、低負(fù)壓分源抽采。高負(fù)壓抽采泵站建在主工業(yè)廣場，站內(nèi)安裝2臺(tái)2BEC50型水環(huán)式真空泵，配套電機(jī)功率200 kW，1用1備。目前瓦斯抽采濃度39%，純瓦斯量4.07 m3/min。低負(fù)壓抽采泵站修建于康家溝工業(yè)廣場，站內(nèi)安裝2臺(tái)2BEC62型水環(huán)式真空泵，功率315 kW，1用1備。目前瓦斯抽采濃度為13%，純瓦斯量12.94 m3/min。礦井瓦斯抽采量為14.36 m3/min，礦井瓦斯抽采率為44.2%。該礦主皮帶斜巷長330 m，坡度6°49′32″，當(dāng)主皮帶斜巷掘進(jìn)至末端30 m的L5石灰?guī)r段時(shí)，瓦斯、水大量涌出，瓦斯涌出量達(dá)到12 m3/min，涌水量達(dá)到30 m3/h，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)施工。

1 瓦斯涌出來源及測定

該礦L5石灰?guī)r上下方分別有厚度為8，4 m的泥巖，泥巖具有較強(qiáng)的致密性，可以隔離瓦斯層間流動(dòng)，可見，L5石灰?guī)r絕大部分瓦斯來自其本身。對(duì)巖樣進(jìn)行分析可知，在巖石的斷裂面上也分布有海相動(dòng)物類似海百合的化石，其在地質(zhì)年代中可能形成烷烴族氣體并賦存于空隙內(nèi)，該類空隙包括構(gòu)造破壞帶以及后續(xù)水解作用形成的大量巖石空洞。L5石灰?guī)r中海相動(dòng)物化石生成瓦斯，溶洞儲(chǔ)存了瓦斯[1-3]。

盡管該巷已揭露1 a有余，但瓦斯涌出量仍保持在6～8 m3/min，按揭露的石灰?guī)r15個(gè)月共450 d、瓦斯涌出量8 m3/min計(jì)算，已經(jīng)涌出的瓦斯總量為518.4萬m3；涌水量平均按28 m3/h計(jì)算，涌水總量已達(dá)30.24萬m3。為確定瓦斯和水的噴出點(diǎn)，在L5石灰?guī)r巷道內(nèi)進(jìn)行實(shí)測，在巷道左幫，距工作面25 m范圍內(nèi)，瓦斯噴出點(diǎn)較多，并可聽到噴瓦斯的“滋滋”聲，在砌碹石縫中測定的瓦斯?jié)舛却蠖紴?0%～100%，噴水點(diǎn)大都位于巷道底板，最大一處在煤倉底部，涌水量占較大比例(表1)；巷道右?guī)屯咚節(jié)舛容^小，可見，瓦斯并非從巷道兩翼涌向揭露巷道，而是從向斜軸部涌出。

表1 L5石灰?guī)r瓦斯涌出量測定結(jié)果

綜合分析可知：該礦主皮帶斜巷末端30 m范圍內(nèi)L5石灰?guī)r段的大量瓦斯來源于向斜軸部，之所以形成大量瓦斯與水伴生儲(chǔ)存，是由于向斜軸的地質(zhì)構(gòu)造所致；該巷道傾向與向斜軸傾向相同，即隨著巷道的掘進(jìn)，越接近向斜軸深部，瓦斯與水涌出量會(huì)有増無減。根據(jù)對(duì)主皮帶斜巷末端30 m的L5石灰?guī)r段水和瓦斯涌出原因的分析，加之石灰?guī)r瓦斯噴出量將會(huì)隨著巷道深度的增加而增大，涌水量也隨之增大，僅依靠正常通風(fēng)降低風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛认喈?dāng)困難，如果直接封閉該段巷道進(jìn)行瓦斯抽放，抽放時(shí)間至少需要2 a，則會(huì)造成該段巷道無法正常掘進(jìn)施工，直接經(jīng)濟(jì)損失預(yù)計(jì)達(dá)到400多萬元。

2 防治方案

2.1 注漿封堵工藝

為確保在降低巷道瓦斯?jié)舛鹊耐瑫r(shí)，有效封堵巷道涌水，本研究采用注漿技術(shù)對(duì)該主皮帶斜巷過L5石灰?guī)r段時(shí)瓦斯和水涌出進(jìn)行治理[4-8]。

2.1.1 鉆機(jī)選型

本研究選用鉆機(jī)型號(hào)為TXU-75型油壓鉆機(jī)，鉆進(jìn)深度75 m，電機(jī)功率4 kW，外形尺寸為1 150 mm×600 mm×1 080 mm(長×寬×高)。主皮帶斜巷與L5石灰?guī)r交叉形式為斜交，相對(duì)交角為2°19′32″，該巷道在厚度為5.67 m的L5石灰?guī)r中穿過近100 m。

2.1.2 注漿孔布置

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及圍巖裂隙特征參數(shù)，可知該巷與石灰?guī)r交角較小，鉆孔應(yīng)布置于巷內(nèi)向兩側(cè)呈扇形布置，鉆孔開孔至終孔全部在L5石灰?guī)r中?？紤]到巖層較厚，采用每個(gè)鉆窩布置2個(gè)鉆孔的方法。本研究設(shè)計(jì)布置鉆孔19個(gè)，孔深20～24 m，孔徑50 mm，布置成2幫孔為主的注漿帶，注漿層為L5石灰?guī)r瓦斯涌出帶。注漿孔技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 注漿孔技術(shù)參數(shù)

注：遇6#煤層后立即停鉆，鉆孔盡可能不打入L4石灰?guī)r。

漿液在巖層中的滲透半徑R受到很多因素影響，如巖層滲透系數(shù)、注漿壓力、黏度、注漿時(shí)間等，經(jīng)計(jì)算，本研究R取4.33 m。

2.1.3 注漿設(shè)備

采用1臺(tái)2TGZ-60/210型雙液高壓注漿泵進(jìn)行注漿。該型雙液高壓注漿泵由液缸、動(dòng)力、傳動(dòng)、變速和吸排管路等部分組成。液缸部分為2套單缸的液缸，1套用于吸排水玻璃，1套用于吸排水泥液漿。動(dòng)力采用BJQ2-7.5-4型電動(dòng)機(jī)，功率7.5 kW，電壓380 V。變速采用BJ-212型變速箱，變速輸入軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，輸出軸直接與小皮帶輪連接，由三角帶傳動(dòng)。吸漿管用2根2寸半埋線管，排漿管用3/4寸鋼絲編織的高壓膠管，接頭均為快速連接頭。

2.2 注漿施工工藝

為有效控制鉆孔瓦斯噴出及掌握注漿后孔間滲透影響關(guān)系，鉆孔與注漿采用兩幫鉆注單行作業(yè)方式，鉆1個(gè)孔注1個(gè)孔。注漿材料為水玻璃，濃度為45～50 °Be′，9～15 t；525(R)硅酸鹽水泥為15～20 t。

水泥漿配比為(1～0.6)∶1(水∶水泥)，漿液配比為1.5∶1.1(水玻璃∶水泥漿)。為有利于增大擴(kuò)散半徑，按照上述配比先稀后濃的方式雙液注入。注漿初壓和洗孔時(shí)的壓力為20～30 kg/cm2，終孔時(shí)壓力為60～80 kg/cm2?？卓谥?jié){采用對(duì)接法蘭盤(閥門)直接注漿，如果效果不佳，也可采用膠圈膨脹式結(jié)構(gòu)。結(jié)合巷道圍巖裂隙情況，采用3～3.5 m長止?jié){閥，以達(dá)到封堵時(shí)不跑漿的效果[9-10]。

注漿前，當(dāng)注漿設(shè)備電源接通后，變速箱首先置于空檔，待啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，打開高壓管路上的泄壓閥，然后分別對(duì)4個(gè)檔位進(jìn)行吸清水試驗(yàn)，檢查泵的運(yùn)轉(zhuǎn)和吸排漿管路的暢通程度，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)處理[11]。特別注意的是：當(dāng)壓力表有明顯的壓力顯示時(shí)，表明高壓膠管內(nèi)有雜物堵塞，須及時(shí)處理，只有當(dāng)一切正常后，方可根據(jù)注漿孔涌水量和壓力大小，確定開始注漿的檔位，對(duì)涌水裂隙進(jìn)行壓力試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行調(diào)正水玻璃吸漿控制閥，使2個(gè)吸漿管按所需的比例吸漿[11]。

注漿過程中，一般需要6～9人，其中，現(xiàn)場指揮員1名，泄?jié){員1名，泵司機(jī)1名，水泥調(diào)整漿員2～4人，水玻璃配漿員1名。當(dāng)注漿壓力達(dá)到規(guī)定的注漿終壓時(shí)及時(shí)停泵，開泄壓閥，更換低一級(jí)速度，待電機(jī)啟動(dòng)后，關(guān)泄壓閥，繼續(xù)注漿，直至最低檔位要求的終壓為止。

為預(yù)防注漿封堵后，由于圍巖活動(dòng)造成再生裂隙以及其他原因造成的瓦斯和水涌出，在巷道掘砌過程中應(yīng)進(jìn)行抹灰處理?？紤]到灰?guī)r較堅(jiān)硬、掘進(jìn)水倉無需砌碹，可直接噴射混凝土，用噴射機(jī)將混凝土高速噴射至巖壁上，使之與巖壁緊密結(jié)合，從而凝成混凝土薄殼，既起到支撐作用，又起到封閉作用。噴射混凝土的材料配比一般為1∶2∶ 2( 水泥∶ 砂∶ 石子) ，噴側(cè)墻為1∶ 2． 0∶ ( 2． 5 ～ 2． 0) ，噴拱頂為1∶ 2. 0∶ ( 1． 5 ～ 2． 0) ，噴第 1 層時(shí)為1∶ 2∶ 1． 5 或1∶ 2． 5∶ 1． 5，噴第2 層、第3 層 時(shí)石子可適當(dāng)增加。水泥采用525( R) 普通硅酸鹽 水泥，砂子采用中粗砂，石子采用卵石( 粒徑≤20 mm) 、碎石( 粒徑≤25 mm) 均可，以卵石為佳。水灰 比一般為0． 4 ～ 0． 45，噴射混凝土厚度一般為10 ～ 15 cm，本研究取10 cm。噴射混凝土?xí)r要求全斷面 連續(xù)噴射，包括拱頂、兩幫、底板，以形成封閉圈達(dá)到 封堵瓦斯的目的。

3 結(jié) 語

對(duì)山西同德礦主皮帶斜巷過L5石灰?guī)r段時(shí)的瓦斯和水涌出的防治方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該方案的有效實(shí)施，使得巷道底板涌水量明顯減少，巷道風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冉档椭?.5%左右，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。