趙錦剛,宋麗強(qiáng),雷東記
(1.潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 通風(fēng)處,山西 長(zhǎng)治 046204; 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000)
目前,我國(guó)大部分礦井的綜掘進(jìn)度基本上能滿足生產(chǎn)要求,但對(duì)于高瓦斯突出危險(xiǎn)煤層煤巷掘進(jìn)來說,由于其具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性大、瓦斯涌出量高等特點(diǎn),致使掘進(jìn)速度放慢,嚴(yán)重影響礦井巷道掘進(jìn)速度和安全生產(chǎn)[1-2]。因此,實(shí)現(xiàn)高瓦斯突出危險(xiǎn)煤層煤巷安全快速掘進(jìn)已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。我國(guó)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究[3-6],蘇現(xiàn)波等[7]采用水力強(qiáng)化增透技術(shù)在鶴壁礦區(qū)和焦煤礦區(qū)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn);馮文軍[8]在焦煤中馬村礦進(jìn)行了水力連續(xù)沖孔快速揭穿突出煤層研究,單純鉆孔抽采效率提高了60%以上,比常規(guī)水力沖孔效率提高了20%以上,取得了豐碩的成果。但針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下大埋深、高應(yīng)力、高瓦斯的煤巷掘進(jìn)防突技術(shù)研究相對(duì)較少。本文主要根據(jù)具體工程實(shí)踐,探討出一套適應(yīng)于潞安礦區(qū)單一煤層、高地應(yīng)力、高瓦斯區(qū)域條件下的井巷揭煤管理和技術(shù)模式。
潞安礦區(qū)主采3號(hào)煤層,近年來隨著開采水平的不斷延深,埋深逐漸增大,礦區(qū)部分礦井3號(hào)煤層已經(jīng)出現(xiàn)明顯的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象,預(yù)防煤與瓦斯突出災(zāi)害成為保障安全高效生產(chǎn)的重要因素之一。而井巷揭煤作業(yè)又是最容易發(fā)生突出、最危險(xiǎn)的一項(xiàng)作業(yè)[9-10],更需要實(shí)施嚴(yán)格的過程管控。
目前,潞安礦區(qū)主體礦井的井巷揭煤防突綜合體系建設(shè)尚處于起步階段,存在生產(chǎn)管理部門揭煤現(xiàn)場(chǎng)信息處理不同步、揭煤管理效能低、采用技術(shù)相對(duì)落后、揭開突出危險(xiǎn)性煤層風(fēng)險(xiǎn)性大、占用時(shí)間長(zhǎng)、驗(yàn)證指標(biāo)單一等問題。從A礦進(jìn)風(fēng)井井筒揭煤開始,已先后累計(jì)完成25次高瓦斯區(qū)域揭煤,總結(jié)近年來井巷揭煤的經(jīng)驗(yàn),摸索出一套適應(yīng)于潞安礦區(qū)單一煤層、高地應(yīng)力、高瓦斯區(qū)域條件下井巷快速安全揭煤的管理和技術(shù)模式很有必要。
為了在井巷揭煤作業(yè)中避免盲目性,確保有效性、提高可靠性、做到超前性,構(gòu)建起揭煤防突技術(shù)和管理綜合體系,對(duì)井巷揭煤作業(yè)綜合防突措施嚴(yán)格過程管控、科學(xué)開展評(píng)判。
針對(duì)井巷揭煤作業(yè),潞安集團(tuán)層面制定了潞安礦區(qū)井巷揭煤技術(shù)路線圖(圖1),為工程所需的人員、時(shí)間和設(shè)備做好規(guī)劃準(zhǔn)備,確保揭煤工作正規(guī)有序進(jìn)行。
圖1 井巷揭煤防突技術(shù)路線Fig.1 Roadmap of technology roadmap for uncovering coal and preventing outburst in shaft
在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,建立“井巷揭煤作業(yè)雙流程管控法”,包括技術(shù)流程及管理流程(圖2),在多個(gè)地點(diǎn)的揭煤過程中,試驗(yàn)了以多參數(shù)循環(huán)預(yù)測(cè)、鉆孔重疊推進(jìn)式隔離屏障、短掘短支淺進(jìn)式穿過煤層為主要內(nèi)容的揭煤模式,配套多種煤體卸壓增透新技術(shù),建立殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量[11]、K1值[12]、煤體膨脹變形量、煤層含水率、圍巖變形量為主的多項(xiàng)效果檢驗(yàn)指標(biāo),井巷揭煤成功率達(dá)到99%,取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。
在揭煤作業(yè)過程中,要求嚴(yán)格執(zhí)行既定工序,按設(shè)計(jì)組織施工,礦井要有統(tǒng)一的組織管理安排和措施,否則稍有疏忽就有可能引發(fā)煤與瓦斯突出事故;在具體工作中,各工序都要嚴(yán)格落實(shí)到人[13]。通過多次反復(fù)的井巷揭煤操作,規(guī)范了融合潞安管理體系的“揭煤期間正規(guī)操作流程圖”,將揭煤各工序分解細(xì)化、指標(biāo)量化,揭煤時(shí)將流程圖分別掛設(shè)在地面調(diào)度室(指揮部)和井下現(xiàn)場(chǎng)(遠(yuǎn)距離起爆點(diǎn)),一步一匯報(bào)、一步一記錄,做到井上下信息同步、操作透明,切實(shí)壓實(shí)各級(jí)操作人員責(zé)任,確保細(xì)枝末節(jié)把控到位、安全可靠。
制定設(shè)計(jì)管理流程,由設(shè)計(jì)單位編制揭煤專項(xiàng)設(shè)計(jì),礦級(jí)層面進(jìn)行內(nèi)部審查,上報(bào)集團(tuán)后組織專家會(huì)審,經(jīng)集團(tuán)技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后組織實(shí)施。
圖2 井巷揭煤作業(yè)雙流程管控Fig.2 Two-process control diagram of uncovering coal in shafts
(1)鉆孔質(zhì)量管理。每組鉆孔的開孔角度進(jìn)行抽檢,出具“穿層鉆孔施工質(zhì)量抽檢表”;采用鉆孔測(cè)斜儀、鉆孔軌跡儀等對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行抽檢,從打鉆源頭控制鉆孔覆蓋預(yù)抽煤體區(qū)域不留空白區(qū)。
(2)鉆孔濃度管理。制定了以鉆孔濃度為主要指標(biāo)的“穿層鉆孔及水力沖孔施工管理制度”,鉆孔驗(yàn)收進(jìn)尺與濃度掛鉤,通過進(jìn)尺與工資掛鉤倒逼施工隊(duì)組嚴(yán)格鉆孔施工質(zhì)量。
(3)施工進(jìn)度管理。引進(jìn)煤體增透設(shè)備,增加鉆機(jī)數(shù)量、優(yōu)化施工組織,保證穿層鉆孔的施工進(jìn)度。
(1)安裝打鉆視頻監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)打鉆過程進(jìn)行全程錄像,對(duì)退鉆桿進(jìn)行驗(yàn)收。利用檢查、跟班、抽檢、巡查等對(duì)施工的鉆孔和管路延伸進(jìn)行抽查和驗(yàn)收。
(2)對(duì)封孔、并網(wǎng)、在線計(jì)量裝置的安裝進(jìn)行多部門聯(lián)合驗(yàn)收。
(3)開展人工測(cè)量與在線計(jì)量的相互驗(yàn)證,確保抽采計(jì)量的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。
鉆孔工程完成后,區(qū)域預(yù)抽效果評(píng)價(jià)執(zhí)行“預(yù)期達(dá)標(biāo)評(píng)估”和“實(shí)測(cè)指標(biāo)評(píng)判”兩步核準(zhǔn)機(jī)制。
(1)揭煤區(qū)域作為獨(dú)立的評(píng)價(jià)單元,按標(biāo)準(zhǔn)安裝抽采在線計(jì)量裝置,首先進(jìn)行抽采達(dá)標(biāo)預(yù)評(píng)估,編制“井巷揭煤區(qū)域治理預(yù)期達(dá)標(biāo)評(píng)估報(bào)告”,評(píng)估報(bào)告必須報(bào)集團(tuán)通風(fēng)部門備案。
(2)預(yù)期評(píng)估達(dá)標(biāo)后,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)指標(biāo)評(píng)判,實(shí)測(cè)評(píng)判由集團(tuán)公司層面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)殘余瓦斯含量的實(shí)測(cè)并出具評(píng)判報(bào)告,區(qū)域措施效果檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)后,進(jìn)入下一步局部綜合防突措施環(huán)節(jié)。
揭煤是礦井安全生產(chǎn)的一項(xiàng)十分困難且關(guān)鍵的工作,要實(shí)現(xiàn)安全快速揭煤,消除煤層突出隱患,則必須采取一定的綜合防突技術(shù),以期縮短瓦斯治理達(dá)標(biāo)時(shí)間,減小礦井生產(chǎn)成本。綜合防突措施主要體現(xiàn)在安全防護(hù)、遠(yuǎn)距離爆破、邊探邊掘等,并依據(jù)工作面效果檢驗(yàn),實(shí)施揭煤作業(yè)。
針對(duì)潞安礦區(qū)地質(zhì)特點(diǎn),制定了揭煤總體思路:煤層區(qū)域卸壓→煤體區(qū)域增透抽采→掘進(jìn)期間巷道輪廓線外煤體加固→嚴(yán)格掘進(jìn)期間局部防突管控。
本文礦井綜合防突措施采用的技術(shù)主要?dú)w為以下3類:①密集普鉆鉆孔(孔間距2 m)+PE篩管技術(shù);②全程機(jī)械掏穴擴(kuò)孔(φ260 mm)+圍巖注漿技術(shù);③水力造穴鉆孔(造穴間距6 m、出煤量1 m3)+鋼篩管+圍巖注漿技術(shù)。
密集普通鉆孔技術(shù)是一種通過合理布設(shè)高密度鉆孔以期實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化煤層瓦斯抽采,另一方面該項(xiàng)技術(shù)能夠破壞煤體結(jié)構(gòu),連通裂隙,對(duì)周邊區(qū)域煤體產(chǎn)生卸壓增透的效果。以A礦進(jìn)風(fēng)井第1階段揭煤為例,揭煤區(qū)域共布置普通鉆孔121個(gè)(孔間距4 m)、氣相壓裂鉆孔31個(gè),鉆孔孔徑94 mm,覆蓋井筒輪廓線以外15 m。
(1)第一次組織實(shí)施揭煤作業(yè),抽采時(shí)間過長(zhǎng),鉆孔抽采純量及濃度衰減過快,單純普通孔抽采對(duì)于井筒揭煤效果欠佳,抽采鉆孔衰減速度快。
(2)無論從管理上還是技術(shù)上經(jīng)驗(yàn)欠缺,均不能保障安全高效揭煤,更不能滿足礦井生產(chǎn)銜接需要。
機(jī)械掏穴技術(shù)是針對(duì)突出煤層通過在鉆孔內(nèi)安裝刀臂進(jìn)行煤體切割,使煤層內(nèi)部產(chǎn)生較大體積的孔洞,從而實(shí)現(xiàn)增大煤層透氣性、擴(kuò)大抽采半徑,進(jìn)而強(qiáng)化煤層快速抽采瓦斯。
以A礦進(jìn)風(fēng)井井筒第二階段揭煤為例,先截?cái)喙ぷ髅嬖?21個(gè)抽放孔的封孔PE管,使用φ156 mm鋼管護(hù)孔后澆注300 mm混凝土墊層。等待墊層凝固在原有鉆孔的基礎(chǔ)上重新布孔,鉆孔數(shù)量44個(gè),孔間距6 m,覆蓋井筒輪廓線以外20 m,采用機(jī)械掏穴技術(shù),煤段鉆孔直徑由94 mm擴(kuò)至260 mm,輪廓線以外鉆孔下鋼篩管。
(1)進(jìn)風(fēng)井揭煤是該區(qū)域首次揭穿3號(hào)煤層,原巖應(yīng)力未得到充分釋放,揭開煤層后,由于煤層段卸壓區(qū)的存在,遠(yuǎn)端瓦斯往井筒處運(yùn)移,被最外圈抽采鉆孔攔截抽采,運(yùn)移瓦斯難以對(duì)井筒掘進(jìn)造成影響。
(2)原巖應(yīng)力區(qū)首次揭煤應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力的釋放,應(yīng)力釋放優(yōu)先度高于瓦斯釋放及抽采,應(yīng)力得到釋放會(huì)促進(jìn)煤層吸附瓦斯解吸。
(3)截流抽采[14]及帷幕注漿能有效抑制遠(yuǎn)端運(yùn)移瓦斯對(duì)揭煤時(shí)井筒瓦斯涌出的影響;揭煤期間抽采純量增大,說明遠(yuǎn)端煤體應(yīng)力釋放強(qiáng)度仍欠佳。
水力造穴技術(shù)是在工作面無人的情況下利用高壓水射流對(duì)鉆孔周圍的煤體進(jìn)行切割,形成一個(gè)較大尺寸的孔洞,增加煤體暴露面積,給煤層內(nèi)部卸壓,利用水流將切割下來的煤體帶出孔外。在鉆孔內(nèi)部形成的孔洞使周圍煤體充分卸壓,瓦斯?jié)B透率大幅度提高,煤層中的瓦斯得到解吸和釋放,從而釋放出瓦斯內(nèi)能,降低煤體中瓦斯含量。以A礦采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷(南)為例,掘進(jìn)面及兩側(cè)鉆場(chǎng)共布置84個(gè)水力造穴鉆孔[15],造穴間距6 m,相鄰鉆孔起始造穴位置相距2 m,覆蓋巷道輪廓線左右兩側(cè)15~20 m,鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔下金屬篩管(起到金屬骨架作用)、掘進(jìn)面鉆孔下PE篩管。依據(jù)“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”圍巖應(yīng)力控制結(jié)構(gòu)模型,金屬骨架及圍巖注漿通過內(nèi)強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)明顯控制住支護(hù)區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變環(huán)境[16],進(jìn)入揭煤作業(yè)環(huán)節(jié)采用頂幫加長(zhǎng)注漿錨索進(jìn)行圍巖帷幕注漿加固,對(duì)軟巖進(jìn)行注漿加固時(shí),提高錨桿預(yù)應(yīng)力和增加注漿效果[17],尤其是過斷層期間嚴(yán)格執(zhí)行超前注漿,掘一支一注一循環(huán)。
(1)采用水力造穴工藝后,揭煤區(qū)域的抽采效率明顯提高,抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間平均降低2.5個(gè)月。
(2)煤體區(qū)域卸壓效果明顯,揭煤后未見截流抽采鉆孔純量突然增大現(xiàn)象。
采用“水力造穴+鋼篩管+圍巖注漿”組合技術(shù),無論從抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間,還是揭煤后瓦斯涌出量變化,均好于其他2種,形成了適用于潞安礦區(qū)單一煤層條件下的揭煤技術(shù)。
檢驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)先采用殘余瓦斯含量指標(biāo),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,增加揭煤時(shí)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)作為檢驗(yàn)參考指標(biāo)(表1)。
表1 揭煤前殘余瓦斯含量及揭煤時(shí)瓦斯?jié)舛萒ab.1 Residual gas content before uncovering coal and gas concentration when uncovering coal
(1)煤體膨脹變形量。采用出煤量與控制區(qū)域煤儲(chǔ)量比值,即煤體膨脹變形量來考察煤體膨脹變形量(表2)。
表2 煤體膨脹變形量Tab.2 Scale of expansion and deformation of coal body
(2)揭煤區(qū)域水力造穴應(yīng)力變化。利用鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)試造穴鉆孔周圍不同距離處的相對(duì)應(yīng)力變化情況,分析水力造穴的影響作用范圍。隨著水力造穴對(duì)周邊煤體的卸壓作用隨著距離的增大而減小,在1.0~2.5 m處均能有較為明顯的卸壓作用,在3.5 m后的卸壓作用則十分微弱(圖3)。對(duì)不同距離處的相對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的跟蹤,相對(duì)應(yīng)力數(shù)值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致(圖4)。
圖3 造穴過程中不同間距處相對(duì)應(yīng)力下降值Fig.3 Relative stress drop value at different intervals during the process of cavitation
圖4 水力造穴后不同間距處相對(duì)應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.4 Relative stress at different intervals after hydraulic cavitation changes over time
在水力造穴鉆孔周邊2.5 m范圍內(nèi),卸壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、速率快、幅度大,水力造穴的卸壓效果明顯;在水力造穴鉆孔周邊2.5~3.5 m內(nèi),卸壓持續(xù)時(shí)間、速率、幅度與2.5 m范圍內(nèi)相比均有所降低,水力造穴雖然能產(chǎn)生一定的卸壓效果,但相對(duì)較弱;在水力造穴鉆孔周邊大于3.5 m范圍,水力造穴卸壓效果不明顯。
(1)水力造穴補(bǔ)水范圍的測(cè)量。采用水力化措施后,通過周邊裂隙對(duì)煤層進(jìn)行補(bǔ)水,可采用水分測(cè)試推算水力造穴對(duì)煤層補(bǔ)水范圍。在水力造穴鉆孔造穴里程20、50、80 m處附近,選取造穴孔的非造穴段,在鉆孔周邊沿水平、垂直方向,間距0.3、0.2、0.2、0.2、0.2 m各布置5個(gè)取樣孔,鉆孔長(zhǎng)度2 m,取樣深度2 m,取樣質(zhì)量3 kg,分析不同造穴里程下煤層補(bǔ)水范圍。在測(cè)試范圍內(nèi)煤層平均水分由原煤的1.09%增加到3.16%,最大達(dá)到5.15%;根據(jù)各水分測(cè)試點(diǎn)變化規(guī)律計(jì)算,補(bǔ)水范圍半徑為2.6 m。
(2)水分對(duì)甲烷解吸速度的影響。揭煤取樣并經(jīng)過粉碎得到煤礦3號(hào)煤層粒度0.17~0.25 mm煤樣,經(jīng)過煤的自然解吸實(shí)驗(yàn),觀測(cè)出隨著煤的含水率的增加,可以有效地防止遠(yuǎn)端或區(qū)域措施控制范圍內(nèi)的瓦斯突然大量解吸;隨著水分的增加,瓦斯解吸速度的衰減速度不斷減慢,煤中甲烷的解吸變得比較均勻,不易出現(xiàn)掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)區(qū)域稍遇擾動(dòng)就大量釋放甲烷的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了水力造穴鉆孔抽采純量衰減緩慢和巷道揭煤期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊偷脑?,也說明水力化措施對(duì)揭煤安全有促進(jìn)作用。
(1)監(jiān)測(cè)孔的布置。揭煤前5 m處往巷道兩側(cè)各施工1個(gè)監(jiān)測(cè)孔(孔徑75 mm),覆蓋巷道兩側(cè)25 m,在巷道揭煤期間每掘進(jìn)5 m,再次施工一組監(jiān)測(cè)孔,累計(jì)施工6組共計(jì)12個(gè)監(jiān)測(cè)孔。成孔后先觀測(cè)鉆孔孔徑變化,再下變形觀測(cè)管(通過變形管內(nèi)的液體變化量來反映煤體變形),連續(xù)觀測(cè)隨巷道掘進(jìn)過程中深部圍巖的變形狀況。
(2)鉆孔孔徑變化。區(qū)域措施范圍內(nèi)鉆孔孔徑變化較小,區(qū)域措施以外鉆孔孔徑明顯出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象,說明措施范圍內(nèi)卸壓抽采效果明顯,以外區(qū)域則存在孔壁瓦斯快速解吸造成塌孔現(xiàn)象(表3)。
表3 巷道一側(cè)鉆孔孔徑變化Tab.3 Drilling hole diameter change on one side of roadway
巷道以外10~15 m處變形量最大,但換算到鉆孔孔徑形變僅6 mm。采用金屬骨架及帷幕注漿后,起到抵抗遠(yuǎn)端圍巖往巷道移動(dòng)的作用,進(jìn)而降低了遠(yuǎn)端瓦斯的快速解吸,并運(yùn)移到巷道范圍的可能(表4)。
表4 巷道一側(cè)變形管最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.4 Final monitoring data of deformed pipe on one side of roadway
綜上所述,針對(duì)A礦揭煤作業(yè)中瓦斯壓力大,涌出量高的特點(diǎn),采用“水力造穴+鋼篩管+圍巖注漿”組合技術(shù)對(duì)煤層瓦斯突出進(jìn)行治理,發(fā)現(xiàn)水力造穴對(duì)周邊煤體的卸壓作用在1.0~2.5 m處卸壓作用最明顯,隨著距離增加卸壓持續(xù)時(shí)間、卸壓速率、卸壓幅度均有所降低,而在大于3.5 m的范圍,卸壓作用則十分微弱;測(cè)試范圍內(nèi)煤層平均水分增加,最大達(dá)到5.15%,水力造穴釋放孔造穴期間對(duì)煤層補(bǔ)水半徑在2.6 m范圍內(nèi),且隨著煤層含水率的增加,瓦斯解吸速度不斷減慢并變得均勻,測(cè)試效果較好。因此,應(yīng)用組合措施可逐步形成一套成熟的單一高瓦斯煤層揭煤技術(shù),可有效防止揭煤作業(yè)中煤與瓦斯突出事故的發(fā)生,為礦井安全生產(chǎn)作業(yè)提供了有力保障。
(1)井巷揭煤作業(yè)綜合防突應(yīng)做到管理與技術(shù)并重,二者不可偏頗,以問題為導(dǎo)向,用結(jié)果求證過程,用過程管控結(jié)果。
(2)在地質(zhì)構(gòu)造帶附近采用內(nèi)置金屬骨架及圍巖注漿技術(shù),可減緩遠(yuǎn)端圍巖高地應(yīng)力高瓦斯傳遞對(duì)巷道周邊的沖擊。用“水力造穴鉆孔+鋼篩管+圍巖注漿”技術(shù),通過區(qū)域卸壓、補(bǔ)水、圍巖應(yīng)力控制,三者相輔相成,實(shí)現(xiàn)了高效安全揭煤。
(3)效果檢驗(yàn)指標(biāo)以殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力、K1值為主,也可以將煤層含水率、煤體膨脹變形量、圍巖變形量作為效果檢驗(yàn)輔助參考指標(biāo)。但仍需嚴(yán)肅開展區(qū)域效果檢驗(yàn),以強(qiáng)化區(qū)域措施的過程管控。
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