劉廣宇

（山西介休義棠青云煤業(yè)有限公司，山西 介休032000）

1 工程概況

山西義棠煤礦，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.80 Mt/a，隨著井田開拓向西翼延伸，礦井通風(fēng)阻力較大。為優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)將原2號(hào)回風(fēng)井延伸到下組煤。暗立井設(shè)計(jì)深度為125 m，采用反井施工工藝。反井鉆機(jī)施工的導(dǎo)硐直徑為1.4 m（半徑R=0.7 m），從上組煤向下組煤擴(kuò)掘施工，擴(kuò)井后井筒毛直徑為7 m（半徑R=3.5 m），凈直徑6 m（半徑R=3 m）。9號(hào)煤直接頂板為K2灰?guī)r，灰?guī)r內(nèi)溶洞、節(jié)理、裂隙發(fā)育，瓦斯含量高。擴(kuò)井施工接近K2石灰?guī)r時(shí)，瓦斯涌出來明顯增加，開炮后，配風(fēng)1 200 m3/min的情況下，瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超過1%。由于K2石灰?guī)r聯(lián)通性較好，瓦斯儲(chǔ)量大，暗立井?dāng)U掘過K2石灰?guī)r時(shí)，K2灰?guī)r揭露面積增大數(shù)十倍，瓦斯涌出量預(yù)計(jì)將會(huì)大大增加。因此，必須采取有效的安全技術(shù)措施，以確保施工安全和工程的順利進(jìn)行。

2 瓦斯賦存情況

石炭系上統(tǒng)太原組，為一套具明顯沉積旋回的海陸交互相含煤建造，為本區(qū)主要含煤地層之一。主要由灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰色砂巖、煤層和3～4層石灰?guī)r組成。石灰?guī)r厚度大，層位穩(wěn)定。含煤層6～10層，其中9號(hào)、10號(hào)和11號(hào)煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，5號(hào)煤層為局部可采煤層（見圖1）。該組連續(xù)沉積于本溪組之上，厚度為80.50～118.20 m，平均97.65 m。

K2石灰?guī)r位于石炭系上統(tǒng)太原組中段，是9號(hào)煤的直接頂，K2石灰?guī)r平均厚度8.71 m，圍巖分級(jí)為Ⅱ類，穩(wěn)定性較好。K2石灰?guī)r的節(jié)理、裂隙、溶洞、溶蝕十分發(fā)育，尤其是斷層附近，溶隙寬度達(dá)到350 mm，可見長(zhǎng)度19 m?？锥磧?nèi)不含水，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到60%以上。K2石灰?guī)r上部覆蓋著均厚5.91 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖，均厚7.84 m的細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，沉積穩(wěn)定、均勻，具有良好隔離效果。所以，K2石灰?guī)r是下組煤瓦斯良好的儲(chǔ)藏層，即儲(chǔ)層。瓦斯生成層為太原組9號(hào)～11號(hào)煤層。煤層在泥炭化、煤化階段生成的大量瓦斯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生成1 t煤，要伴隨生成大約1 000 m3的瓦斯。煤成氣（即瓦斯）大部分逸散到空氣中和圍巖中，因?yàn)镵2上覆厚層泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)類砂巖，蓋層相當(dāng)嚴(yán)密，起到很好的封存作用，很大一部分瓦斯被保存在K2灰?guī)r中。經(jīng)河南理工大學(xué)對(duì)煤層瓦斯賦存的參數(shù)鑒定，開采煤層位于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，絕對(duì)瓦斯涌出來均小于2.5 m3/t，下組煤煤層中瓦斯含量相對(duì)較低。因此，可以推斷，井筒擴(kuò)掘期間，瓦斯涌出的主要來源是K2灰?guī)r。針對(duì)K2灰?guī)r，制定有針對(duì)性的瓦斯防治完全技術(shù)措施，是安全擴(kuò)掘的關(guān)鍵。

3 施工方案

暗立井反井施工完成后，采取自然風(fēng)壓通風(fēng)，因井筒內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，有利于瓦斯的析出，且K2灰?guī)r節(jié)理、裂隙發(fā)育，連通性好，瓦斯補(bǔ)給豐富。單獨(dú)依靠抽放，漏風(fēng)大，瓦斯抽放效率低，不能起到很好的瓦斯治理效果。經(jīng)過對(duì)比確定，在擴(kuò)掘至距離K2灰?guī)r3 m時(shí)，首先，對(duì)井筒內(nèi)進(jìn)行工作面預(yù)注漿，控制漿液擴(kuò)散半徑，達(dá)到控制性的帷幕注漿，隔離瓦斯向井筒逸散的通道，同時(shí)，減小漏風(fēng)，起到提高瓦斯抽放效率的作用。然后，在暗立井底，向井筒周邊施工抽放鉆孔，進(jìn)行瓦斯抽放，使瓦斯向鉆孔徑向流動(dòng)，降低井筒擴(kuò)掘期間瓦斯涌出量。在抽放流場(chǎng)的保護(hù)下，使瓦斯涌出量降低到安全生成允許的范圍內(nèi)，順利進(jìn)行暗立井的安全擴(kuò)掘工作。

圖1 K2灰?guī)r頂?shù)装迕簬r層柱狀圖

4 帷幕注漿封堵瓦斯通道

4.1 帷幕注漿設(shè)計(jì)

注漿封堵瓦斯通道，在井筒周圍形成帷幕墻。注漿的作用主要是封堵瓦斯涌出的通道，防止開鑿井筒時(shí)瓦斯大量涌出。在井筒周圍2.5 m范圍內(nèi)，控制性注漿，形成內(nèi)直徑7 m（半徑R=3.5 m），厚度至少2.5 m的圓環(huán)型帷幕墻（見圖2）。通過對(duì)注漿段施工，漿液充填K2石灰?guī)r中的節(jié)理、裂隙、溶洞、溶蝕，形成堵氣、防水的環(huán)形帷幕墻，同時(shí)增強(qiáng)井筒周邊圍巖的強(qiáng)度，減小圍巖松動(dòng)范圍，對(duì)井壁起到良好的加固作用。注漿工作完成后，要打檢查孔，對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，效果不好時(shí)，要再次注漿，直到達(dá)到設(shè)計(jì)效果。注漿采用下行式注漿方式，注漿段高不超過5 m，鉆孔漏失量較大時(shí)，縮短注漿段高。

4.2 注漿孔鉆孔布置

注漿孔設(shè)計(jì)布置11個(gè)，沿井筒荒徑（D=7 m）平均布置，為使鉆孔盡可能揭露灰?guī)r中的裂隙、節(jié)理，鉆孔設(shè)計(jì)帶一定角度的切向角。注漿鉆孔孔間距為2 m，徑向角為6°，切向角為30°，單孔長(zhǎng)度為12.9 m?？卓诠苡?寸無縫鋼管加工，設(shè)計(jì)安裝長(zhǎng)度為1.5 m。

圖2 帷幕注漿設(shè)計(jì)示意圖

4.3 注漿施工設(shè)備選擇

注漿孔打鉆設(shè)備：MKQJ90/25—HT潛孔鉆機(jī)，1臺(tái)。配套直徑50 mm鉆桿20根，90型沖擊器1個(gè)，直徑127 mm、直徑89 mm鉆頭各一顆。

注漿設(shè)備：2TGZ-90/140型注漿泵，1臺(tái)；攪拌機(jī)的選擇：LJ—200防爆型水泥漿攪拌機(jī)，1臺(tái)。

4.4 注漿材料的選擇

水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；水玻璃：水玻璃模數(shù)為2.8～3.1，濃度為45°Be′以上。

4.5 漿液的選擇

封堵瓦斯不僅要堵大的裂隙，還要堵好細(xì)小裂隙以及孔隙。所以，優(yōu)先選用水灰比較大的單液水泥漿，確保注漿質(zhì)量，水泥漿水灰質(zhì)量比1∶1～2∶1。有跑漿或長(zhǎng)時(shí)間不起壓時(shí)，選用C-S（水泥和水玻璃混合）雙液漿進(jìn)行封堵。C-S雙液漿配比：水泥漿水灰比1∶1～2∶1。水玻璃模數(shù)2.8～3.1，濃度為30～40°Be′，m（C）∶m（S）=1∶（0.5～0.7）。

4.6 注漿終壓

為使?jié){液擴(kuò)散到更小的巖層裂隙中，以不破壞井筒圍巖為原則，注漿終壓選擇2～3 MPa。注漿初期，裂隙、孔洞發(fā)育，注漿終壓選擇低值。注漿后期，注入量少，注漿終壓選擇高值。

4.7 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

為保證注漿封堵和加固質(zhì)量，每孔注漿均要達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿泵調(diào)到最低擋后，注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，穩(wěn)定時(shí)間大于20 min為合格。

4.8 帷幕注漿施工

帷幕注漿歷時(shí)8 d，總計(jì)打孔11個(gè)，檢查孔3個(gè)，注入水泥43.4 t（868袋），水玻璃23 t。經(jīng)過檢驗(yàn)達(dá)到帷幕注漿設(shè)計(jì)效果，見表1注漿孔參數(shù)及注漿量。

5 打鉆孔抽放儲(chǔ)層瓦斯

在注漿帷幕墻外圍布置鉆孔，對(duì)暗立井周邊K2石灰?guī)r中的瓦斯進(jìn)行抽放，減少暗立井?dāng)U掘期間圍巖瓦斯涌出量。鉆場(chǎng)布置在暗立井下口的下組煤回風(fēng)大巷中，鉆場(chǎng)要求支護(hù)良好，擋矸設(shè)施齊全可靠，同時(shí)要便于抽放管路連接。

表1 注漿孔參數(shù)及注漿量

瓦斯抽放鉆孔的施工，選擇ZDY—4000S型液壓鉆機(jī)施工，配套直徑75 mm鉆桿50根，直徑94 mm的鉆頭5顆。

鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)施工8個(gè)鉆孔，上下兩排各4個(gè)鉆孔，鉆孔間距0.6 m，布置在鉆場(chǎng)中部，呈方形布置。終孔位置要求：1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)鉆孔打在暗立井井筒左側(cè)，5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)鉆孔打在暗立井井筒的右側(cè)。鉆孔穿透K2石灰?guī)r底板，鉆孔終孔距K2石灰?guī)r頂板2.0～6.0 m，距井筒邊緣6.0～8.0 m（井筒擴(kuò)砌后外壁直徑為7.0 m，內(nèi)徑為6.0 m），見表2鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

6 其他安全技術(shù)措施

6.1 及時(shí)對(duì)揭露的K2石灰?guī)r進(jìn)行噴漿封閉

對(duì)井筒擴(kuò)掘段及井筒周圍50 m范圍內(nèi)裸露的K2灰?guī)r進(jìn)行噴漿封閉。噴漿前要求錨網(wǎng)支護(hù)可靠，噴層厚度不低于0.1 m。噴漿起到進(jìn)一步封閉瓦斯涌出通道的作用，阻斷瓦斯運(yùn)移的通道，減少漏風(fēng)。

6.2 短掘短砌

減小循環(huán)進(jìn)度，及時(shí)進(jìn)行井壁混凝土澆筑，縮井筒內(nèi)裸露灰?guī)r，即減小瓦斯涌出的表面積。提高光面爆破的質(zhì)量，尤其是加密周邊炮眼，減小爆破震動(dòng)對(duì)井筒圍巖的松動(dòng)、破壞。井筒內(nèi)立模支護(hù)要及時(shí)，井筒澆筑滯后不得超過3 m。

6.3 臺(tái)階施工，防止瓦斯積聚

擴(kuò)孔前反井直徑為1.4 m，擴(kuò)孔后井筒毛直徑為7 m，通風(fēng)面積擴(kuò)大25倍。通風(fēng)斷面的突然擴(kuò)大，會(huì)在拐角處形成渦流，造成放炮煙塵不易排出和瓦斯積聚等問題。為更好地排出放炮煙塵，尤其防止拐角處瓦斯積聚，減少局部風(fēng)阻，采取臺(tái)階施工。逐漸擴(kuò)大通風(fēng)斷面，降低局部風(fēng)阻，防止渦流造成瓦斯積聚。第一臺(tái)階布置三圈炮眼，擴(kuò)1.8 m寬，第二臺(tái)階擴(kuò)掘到位，形成毛直徑7 m的井筒，臺(tái)階高度設(shè)計(jì)成1.5 m，見圖3井筒臺(tái)階施工示意圖。

圖3 井筒臺(tái)階施工示意圖

6.4 加強(qiáng)爆破管理

加強(qiáng)爆破管理工作，堅(jiān)持“一炮三檢”和“三人聯(lián)鎖”制度，瓦斯異常時(shí)，必須加大瓦斯檢查頻次。放炮必須使用水炮泥，炮泥封孔長(zhǎng)度符合規(guī)定要求。加強(qiáng)工作中的管理，防止電氣火花和碰撞火花的產(chǎn)生。注漿孔和檢查孔必須全部注漿封孔，防止瓦斯積聚，造成瓦斯爆炸或者爆燃事故。同時(shí)做好放炮警戒工作，放炮前，在暗立井及井口下部下組煤回風(fēng)巷內(nèi)安排專人設(shè)置警戒線。

6.5 加強(qiáng)暗立井下口支護(hù)

暗立井下部為下組煤回風(fēng)巷，巷道布置在10號(hào)煤層中，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，擴(kuò)掘施工前，需要提前對(duì)暗立井下口周圍進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，主要是補(bǔ)打錨索支護(hù)，錨索支護(hù)要求錨入K2灰?guī)r1 m以上。防止暗立井下口巷道因開炮震動(dòng)影響松動(dòng)破壞，保證施工人員作業(yè)期間的安全。

6.6 保證通風(fēng)暢通

暗立井?dāng)U掘開炮后，及時(shí)清理井筒內(nèi)及暗立井下口的矸石，防止矸石堆積，影響暗立井通風(fēng)的風(fēng)量。

7 結(jié)論

通過對(duì)瓦斯儲(chǔ)層的外堵內(nèi)抽，多措并舉，達(dá)到了瓦斯有效控制，井筒安全擴(kuò)掘的最終目的。瓦斯抽放鉆孔抽出的瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到67%，純瓦斯抽放量達(dá)到85～100 m3/min。在采取封堵隔離、瓦斯抽放等綜合措施后，井筒內(nèi)瓦斯涌出量大大降低，擴(kuò)掘期間沒有出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。通過施工進(jìn)一步驗(yàn)證了K2灰?guī)r作為下組煤的瓦斯主要存儲(chǔ)空間，瓦斯的賦存量、徑流補(bǔ)給量都相當(dāng)豐富，是礦井的主要瓦斯富集層。在控制局部注漿封堵，減小漏風(fēng)的情況下，可以提高瓦斯的抽放效率，降低生產(chǎn)成本。瓦斯的治理工作，在找到了治理的目的層后，瓦斯防治工作更有針對(duì)性。