论文部分内容阅读
[摘 要] 三矿新副井是河南省近年来揭露最深煤层也是全国揭露最深煤层之一，煤层赋存深，埋深963.5m，是鹤壁矿区首次揭露最深的煤层，煤层厚，垂深达9.8m，井筒断面大，过煤时间长，危险性大。通过超前探测法、钻屑解析指标测试法对该地区进行突出危险性预测，采取了区域综合防突措施和局部综合防突措施，经过效果检验，进行了区域防突评定。
[关键词] 突出危险性 突出危险区 超前探测法 钻屑解吸指标测试法
三矿新副井揭露的二1煤层埋深963.5m，绝对标高-745m，煤厚9.8m，是河南省近年来揭露最深煤层也是全国揭露最深煤层之一。根据对煤层瓦斯压力、含量的检测其压力1.4Mpa、含量为16m3/t，具有煤与瓦斯突出危险性。此次揭煤具有以下特点：1、煤层赋存深，埋深963.5m属于深井揭煤范畴，是鹤壁矿区首次揭露最深的煤层。2、瓦斯参数不清，地质报告中，瓦斯取样不成功，只是按矿井瓦斯梯度资料推算的瓦斯相对涌出量。3、煤层厚，垂深达9.8m，井筒断面大，过煤时间长，危险性大。4、位于大的向斜折曲地质构造带,属于应力集中异常地带，极易造成煤与瓦斯突出。5、井筒与—550水平马头门贯通，防护难度大。6、井深井筒淋水大，施工环境差，打钻、抽放瓦斯难度大。根据这些特点我们采取了工作面穿层钻孔预抽、深孔松动预裂爆破增加透气性、金属骨架、煤体固化和穿煤期间井筒外圈截流抽放等国内先进的新技术、新工艺。较好解决深立井揭煤难题。
1.工程概况
三矿新副井位于鹤壁地区北部，石林乡胡家沟村东北200m，紧邻鹤台线，交通便利,地区属于北温带大陆性气候。井筒中心坐标为：X=3980160.000Y=38517750.000。井筒全深1038.5m，井筒净直径7.0m，净断面38.5m2,掘进断面52.8m2。采用钢筋混凝土支护。混凝土强度C50。基岩段748.5m，采用素混凝土支护，混凝土强度C50。-550m和-800m水平设有马头门。
2.防突方案制定的依据
鹤壁煤电股份公司三矿为高瓦斯矿井，全矿绝对瓦斯涌出量约50 m3/min。目前开采水平为－550m以上，新副井设计井深1038.5米，是河南省境内目前最深的井筒，揭煤位置距地表深度为953m。
鹤煤三矿新副井揭煤施工方案依据国家安全生产监督管理总局颁布《防治煤与瓦斯突出规定》，以区域综合防突措施综合治理为主，局部综合防突措施为辅助补充的原则，以不掘突出头为指导思想制定本施工方案。
2.1 突出危险性预测
2.1.1 突出危险性区域预测
新水平、新采区开拓前，当预测区域的煤层缺少或者没有井下实测瓦斯参数时，可以主要依据地质勘探资料、上水平及邻近区域的实测和生产资料等进行开拓前区域预测。开拓前区域预测结果仅用于指导新水平、新采区的设计和新水平、新采区开拓工程的揭煤作业。
根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法应当按照下列要求进行：
① 煤层瓦斯风化带为无突出危险区域；
② 根据已开采区域确切掌握的煤层赋存特征、地质构造条件、突出分布的规律和对预测区域煤层地质构造的探测、预测结果，采用瓦斯地质分析的方法划分出突出危险区域。
根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值
2.1.2突出危险性预测
第六十一条 石门和立井、斜井揭穿突出煤层前，必须准确控制煤层层位，掌握煤层的赋存位置、形态。在揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离10m之前，应当至少打两个穿透煤层全厚且进入顶（底）板不小于0.5m的前探取芯钻孔，并详细记录岩芯资料。当需要测定瓦斯压力时，前探钻孔可用作测定钻孔；若二者不能共用时，则测定钻孔应布置在该区域各钻孔见煤点间距最大的位置。在地质构造复杂、岩石破碎的区域，揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离20m之前必须布置一定数量的前探钻孔，以保证能确切掌握煤层厚度、倾角变化、地质构造和瓦斯情况。也可用物探等手段探测煤层的层位、赋存形态和底（顶）板岩石致密性等情况。
第七十三条：采用钻屑瓦斯解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性时，由工作面向煤层的适当位置至少打3个钻孔，在钻孔钻进到煤层时每钻进1m采集一次孔口排出的粒径1～3mm的煤钻屑，测定其瓦斯解吸指标K1或△h2值。测定时，应考虑不同钻进工艺条件下的排渣速度。
各煤层石门揭煤工作面钻屑瓦斯解吸指标的临界值应根据试验考察确定，在确定前可暂按下表中所列的指标临界值预测突出危险性。
如果所有实测的指标值均小于临界值，并且未发现其他异常情况，则该工作面为无突出危险工作面；否则，为突出危险工作面。
钻屑瓦斯解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性的参考临界值
第八十四条：规定石门和立井揭煤工作面金属骨架措施一般在石门上部和两侧或立井周边外0.5～1.0m范围内布置骨架孔。骨架钻孔应穿过煤层并进入煤层顶（底）板至少0.5m，当钻孔不能一次施工至煤层顶板时，则进入煤层的深度不应小于15m。钻孔间距一般不大于0.3m，对于松软煤层要架两排金属骨架，钻孔间距应小于0.2m。骨架材料可选用8kg/m的钢轨、型钢或直径不小于50mm钢管，其伸出孔外端用金属框架支撑或砌入碹内。插入骨架材料后，应向孔内灌注水泥砂浆等不燃性固化材料。
揭开煤层后，严禁拆除金属骨架。
3.突出危险性预测
由于鹤煤三矿新副井揭煤深度954.20m，是目前河南境内最深的矿井。根据三矿钻孔瓦斯含量统计结果和煤层瓦斯含量分布规律，预测新副井揭煤水平煤层瓦斯含量为22m3/t，瓦斯压力预测值1.2MPa。揭煤区域位于向斜轴部，三矿开采情况表明向斜轴部瓦斯涌出量明显大于两翼，瓦斯涌出量随远离向斜轴部大致呈线形关系递减。
依据国内深井严重突出厚煤层揭煤经验，采用防突措施主要包括：穿层钻孔预抽、深孔松动爆破预裂增加透气性、金属骨架＋煤体固化和穿煤期间井筒外圈截流抽放等综合措施。
1）突出危险性预测
①超前探测：考虑井检孔一次成孔深度超过千米，钻孔偏差较大，需要在距煤层最小法距20m（即－713m）施工一个钻孔作为第一次超前探测煤层位置钻孔，钻孔参数位于井筒中心，垂直孔，钻孔进入煤层2m后结束，预计钻孔深度26m。
井筒延伸距二1煤层最小法距10m（即－724m），施工四个进入底板1m的前探取芯钻孔，探明煤层相对位置、煤层结构变化和顶底板岩性，判断煤层是否具有软分层和煤的破坏类型，利用前探钻孔测试煤层瓦斯压力，取样测试瓦斯放散初速度、煤层瓦斯含量、吸附常数和煤的坚固性系数，依据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十三条（表2）规定煤层瓦斯压力或瓦斯含量临界值进行区域突出危险性预测。
②钻屑解吸指标测试：井筒延伸距煤层最小法距7m（即－728m）处，施工测试钻孔4个钻孔，分别测试钻屑解吸指标值。
如果区域预测指标和钻屑解吸指标均不超标，依据《防治煤与瓦斯突出规定》第十八条规定采取局部综合措施并经效果检验继续掘进至距煤层最小法线距离2m（-733.5m）处，重新采用钻屑解吸指标法再次检验预测结果。若经验证仍为无突出危险工作面时，则在采取安全防护措施的条件下采用远距离爆破揭穿煤层；否则，必须采取或补充局部防突措施。
穿煤期间须对井筒煤壁四周进行钻屑解吸指标测试，判断是否具有突出危险性。
2）防突措施
① 区域综合防突措施
如果区域临界值指标（瓦斯压力或含量）超过临界值，采用区域防突措施（抽放＋金属骨架固化＋揭、穿煤期间截流抽放），钻孔控制井筒轮廓线外12m，并经效果检验后延伸至距煤层最小法线距5m进行区域验证，并在距离煤层最小法线距离2m停头再次进行区域验证。依据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十三条规定，距煤层最小法线距离5m外区域验证采用4个钻孔测试煤层残余瓦斯含量，距煤层最小法线距离2m处外区域验证采用4个钻孔分别测试煤层钻屑解吸指标和残余瓦斯含量。
② 局部综合防突措施
在－728m（距煤层最小法距7m）处采用区域综合防突并经区域防突效果检验有效，井筒继续延伸至距煤层最小法距2m（－733.5m）处施工5个钻孔进行区域验证，测试钻屑瓦斯解吸指标。如果经验证有单项指标超标，需要补充井筒揭煤局部综合防突措施。
如果区域预测指标没有超标，距煤层最小法向距离5m（－730m）处采用局部综合防突措施，钻孔控制井筒轮廓线外5m，并经效果检验有效后，边掘边探保证工作面到煤层的最小法向距离不小于2m。并在井筒延伸至远距离放炮揭煤处（距煤层法距2m）重新检验防突效果。如果有单指标超标，需要补充井筒揭煤局部综合防突措施
3）远距离放炮揭煤和穿煤
井筒距煤层法距2m，采用远距离放炮揭开煤层；揭煤采用远距离放炮匀速施工，首次穿煤前执行一次小直径浅孔排放防治局部防突措施，执行防突措施后正常穿煤。穿煤期间匀速施工，每天一个循环，每个循环控制进尺1.2m。
4.效果检验
通过瓦斯抽放，计算结果达到了规程规定，根据方案要求，对瓦斯管路拆除，清理工作面，施工效果检验孔。效果检验孔施工4个（68m），施工效果检验孔采用ZQS100型潜孔钻机，岩孔采用冲击器钻进，配备直径75mm和94mm钻头。1#、3#孔测瓦斯压力，钻孔直径75mm，按设计深度施工成孔后，在孔内安装测压装置进行测定压力，连续观测7天，确定煤层瓦斯压力。煤层压力为0.1Mpa。2#、4#孔取煤样，采用钻孔直径为94mm，按设计深度钻进使用取煤器取煤样。煤样经过在实验室试验测定，煤层瓦斯含量为6.47m3/t。
5.区域防突评定
通过抽放钻孔的施工、深孔预裂爆破、瓦斯抽放、数据的汇总计算、效果检验等工作，抽放量达到了赋存总量的48%，符合煤矿安全规定（抽放量达到赋存总量的30%）。效果检验煤层瓦斯压力降到了0.1Mpa，煤层瓦斯含量降到了6.47m3/t。符合防突规定（压力不超过0.74Mpa，瓦斯含量不超过8m3/t）。根据抽放瓦斯量及效果检验瓦斯参数均符合规程规定，为此经过鹤煤公司、富昌公司、建设单位、焦作理工、监理单位共同分析研究，认为可以直接进入距煤层法线2m段进行局部防突阶段。
作者简介：
王家坤（1981.11），男，河南民权县人，助理工程师，2002年毕业于河南理工大学，现任河南煤化鹤煤公司三矿计划科副科长。
张志伟（1983.2）男，河南安阳县人，2010年12月毕业于河南理工大学，硕士学位，现任河南煤化鹤煤公司三矿开拓科副科长。
孙忠厚（1984.6）男，河南民权县人，河南煤化鹤煤公司三矿开拓科。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
[关键词] 突出危险性 突出危险区 超前探测法 钻屑解吸指标测试法
三矿新副井揭露的二1煤层埋深963.5m，绝对标高-745m，煤厚9.8m，是河南省近年来揭露最深煤层也是全国揭露最深煤层之一。根据对煤层瓦斯压力、含量的检测其压力1.4Mpa、含量为16m3/t，具有煤与瓦斯突出危险性。此次揭煤具有以下特点：1、煤层赋存深，埋深963.5m属于深井揭煤范畴，是鹤壁矿区首次揭露最深的煤层。2、瓦斯参数不清，地质报告中，瓦斯取样不成功，只是按矿井瓦斯梯度资料推算的瓦斯相对涌出量。3、煤层厚，垂深达9.8m，井筒断面大，过煤时间长，危险性大。4、位于大的向斜折曲地质构造带,属于应力集中异常地带，极易造成煤与瓦斯突出。5、井筒与—550水平马头门贯通，防护难度大。6、井深井筒淋水大，施工环境差，打钻、抽放瓦斯难度大。根据这些特点我们采取了工作面穿层钻孔预抽、深孔松动预裂爆破增加透气性、金属骨架、煤体固化和穿煤期间井筒外圈截流抽放等国内先进的新技术、新工艺。较好解决深立井揭煤难题。
1.工程概况
三矿新副井位于鹤壁地区北部，石林乡胡家沟村东北200m，紧邻鹤台线，交通便利,地区属于北温带大陆性气候。井筒中心坐标为：X=3980160.000Y=38517750.000。井筒全深1038.5m，井筒净直径7.0m，净断面38.5m2,掘进断面52.8m2。采用钢筋混凝土支护。混凝土强度C50。基岩段748.5m，采用素混凝土支护，混凝土强度C50。-550m和-800m水平设有马头门。
2.防突方案制定的依据
鹤壁煤电股份公司三矿为高瓦斯矿井，全矿绝对瓦斯涌出量约50 m3/min。目前开采水平为－550m以上，新副井设计井深1038.5米，是河南省境内目前最深的井筒，揭煤位置距地表深度为953m。
鹤煤三矿新副井揭煤施工方案依据国家安全生产监督管理总局颁布《防治煤与瓦斯突出规定》，以区域综合防突措施综合治理为主，局部综合防突措施为辅助补充的原则，以不掘突出头为指导思想制定本施工方案。
2.1 突出危险性预测
2.1.1 突出危险性区域预测
新水平、新采区开拓前，当预测区域的煤层缺少或者没有井下实测瓦斯参数时，可以主要依据地质勘探资料、上水平及邻近区域的实测和生产资料等进行开拓前区域预测。开拓前区域预测结果仅用于指导新水平、新采区的设计和新水平、新采区开拓工程的揭煤作业。
根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法应当按照下列要求进行：
① 煤层瓦斯风化带为无突出危险区域；
② 根据已开采区域确切掌握的煤层赋存特征、地质构造条件、突出分布的规律和对预测区域煤层地质构造的探测、预测结果，采用瓦斯地质分析的方法划分出突出危险区域。
根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值
2.1.2突出危险性预测
第六十一条 石门和立井、斜井揭穿突出煤层前，必须准确控制煤层层位，掌握煤层的赋存位置、形态。在揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离10m之前，应当至少打两个穿透煤层全厚且进入顶（底）板不小于0.5m的前探取芯钻孔，并详细记录岩芯资料。当需要测定瓦斯压力时，前探钻孔可用作测定钻孔；若二者不能共用时，则测定钻孔应布置在该区域各钻孔见煤点间距最大的位置。在地质构造复杂、岩石破碎的区域，揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离20m之前必须布置一定数量的前探钻孔，以保证能确切掌握煤层厚度、倾角变化、地质构造和瓦斯情况。也可用物探等手段探测煤层的层位、赋存形态和底（顶）板岩石致密性等情况。
第七十三条：采用钻屑瓦斯解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性时，由工作面向煤层的适当位置至少打3个钻孔，在钻孔钻进到煤层时每钻进1m采集一次孔口排出的粒径1～3mm的煤钻屑，测定其瓦斯解吸指标K1或△h2值。测定时，应考虑不同钻进工艺条件下的排渣速度。
各煤层石门揭煤工作面钻屑瓦斯解吸指标的临界值应根据试验考察确定，在确定前可暂按下表中所列的指标临界值预测突出危险性。
如果所有实测的指标值均小于临界值，并且未发现其他异常情况，则该工作面为无突出危险工作面；否则，为突出危险工作面。
钻屑瓦斯解吸指标法预测石门揭煤工作面突出危险性的参考临界值
第八十四条：规定石门和立井揭煤工作面金属骨架措施一般在石门上部和两侧或立井周边外0.5～1.0m范围内布置骨架孔。骨架钻孔应穿过煤层并进入煤层顶（底）板至少0.5m，当钻孔不能一次施工至煤层顶板时，则进入煤层的深度不应小于15m。钻孔间距一般不大于0.3m，对于松软煤层要架两排金属骨架，钻孔间距应小于0.2m。骨架材料可选用8kg/m的钢轨、型钢或直径不小于50mm钢管，其伸出孔外端用金属框架支撑或砌入碹内。插入骨架材料后，应向孔内灌注水泥砂浆等不燃性固化材料。
揭开煤层后，严禁拆除金属骨架。
3.突出危险性预测
由于鹤煤三矿新副井揭煤深度954.20m，是目前河南境内最深的矿井。根据三矿钻孔瓦斯含量统计结果和煤层瓦斯含量分布规律，预测新副井揭煤水平煤层瓦斯含量为22m3/t，瓦斯压力预测值1.2MPa。揭煤区域位于向斜轴部，三矿开采情况表明向斜轴部瓦斯涌出量明显大于两翼，瓦斯涌出量随远离向斜轴部大致呈线形关系递减。
依据国内深井严重突出厚煤层揭煤经验，采用防突措施主要包括：穿层钻孔预抽、深孔松动爆破预裂增加透气性、金属骨架＋煤体固化和穿煤期间井筒外圈截流抽放等综合措施。
1）突出危险性预测
①超前探测：考虑井检孔一次成孔深度超过千米，钻孔偏差较大，需要在距煤层最小法距20m（即－713m）施工一个钻孔作为第一次超前探测煤层位置钻孔，钻孔参数位于井筒中心，垂直孔，钻孔进入煤层2m后结束，预计钻孔深度26m。
井筒延伸距二1煤层最小法距10m（即－724m），施工四个进入底板1m的前探取芯钻孔，探明煤层相对位置、煤层结构变化和顶底板岩性，判断煤层是否具有软分层和煤的破坏类型，利用前探钻孔测试煤层瓦斯压力，取样测试瓦斯放散初速度、煤层瓦斯含量、吸附常数和煤的坚固性系数，依据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十三条（表2）规定煤层瓦斯压力或瓦斯含量临界值进行区域突出危险性预测。
②钻屑解吸指标测试：井筒延伸距煤层最小法距7m（即－728m）处，施工测试钻孔4个钻孔，分别测试钻屑解吸指标值。
如果区域预测指标和钻屑解吸指标均不超标，依据《防治煤与瓦斯突出规定》第十八条规定采取局部综合措施并经效果检验继续掘进至距煤层最小法线距离2m（-733.5m）处，重新采用钻屑解吸指标法再次检验预测结果。若经验证仍为无突出危险工作面时，则在采取安全防护措施的条件下采用远距离爆破揭穿煤层；否则，必须采取或补充局部防突措施。
穿煤期间须对井筒煤壁四周进行钻屑解吸指标测试，判断是否具有突出危险性。
2）防突措施
① 区域综合防突措施
如果区域临界值指标（瓦斯压力或含量）超过临界值，采用区域防突措施（抽放＋金属骨架固化＋揭、穿煤期间截流抽放），钻孔控制井筒轮廓线外12m，并经效果检验后延伸至距煤层最小法线距5m进行区域验证，并在距离煤层最小法线距离2m停头再次进行区域验证。依据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十三条规定，距煤层最小法线距离5m外区域验证采用4个钻孔测试煤层残余瓦斯含量，距煤层最小法线距离2m处外区域验证采用4个钻孔分别测试煤层钻屑解吸指标和残余瓦斯含量。
② 局部综合防突措施
在－728m（距煤层最小法距7m）处采用区域综合防突并经区域防突效果检验有效，井筒继续延伸至距煤层最小法距2m（－733.5m）处施工5个钻孔进行区域验证，测试钻屑瓦斯解吸指标。如果经验证有单项指标超标，需要补充井筒揭煤局部综合防突措施。
如果区域预测指标没有超标，距煤层最小法向距离5m（－730m）处采用局部综合防突措施，钻孔控制井筒轮廓线外5m，并经效果检验有效后，边掘边探保证工作面到煤层的最小法向距离不小于2m。并在井筒延伸至远距离放炮揭煤处（距煤层法距2m）重新检验防突效果。如果有单指标超标，需要补充井筒揭煤局部综合防突措施
3）远距离放炮揭煤和穿煤
井筒距煤层法距2m，采用远距离放炮揭开煤层；揭煤采用远距离放炮匀速施工，首次穿煤前执行一次小直径浅孔排放防治局部防突措施，执行防突措施后正常穿煤。穿煤期间匀速施工，每天一个循环，每个循环控制进尺1.2m。
4.效果检验
通过瓦斯抽放，计算结果达到了规程规定，根据方案要求，对瓦斯管路拆除，清理工作面，施工效果检验孔。效果检验孔施工4个（68m），施工效果检验孔采用ZQS100型潜孔钻机，岩孔采用冲击器钻进，配备直径75mm和94mm钻头。1#、3#孔测瓦斯压力，钻孔直径75mm，按设计深度施工成孔后，在孔内安装测压装置进行测定压力，连续观测7天，确定煤层瓦斯压力。煤层压力为0.1Mpa。2#、4#孔取煤样，采用钻孔直径为94mm，按设计深度钻进使用取煤器取煤样。煤样经过在实验室试验测定，煤层瓦斯含量为6.47m3/t。
5.区域防突评定
通过抽放钻孔的施工、深孔预裂爆破、瓦斯抽放、数据的汇总计算、效果检验等工作，抽放量达到了赋存总量的48%，符合煤矿安全规定（抽放量达到赋存总量的30%）。效果检验煤层瓦斯压力降到了0.1Mpa，煤层瓦斯含量降到了6.47m3/t。符合防突规定（压力不超过0.74Mpa，瓦斯含量不超过8m3/t）。根据抽放瓦斯量及效果检验瓦斯参数均符合规程规定，为此经过鹤煤公司、富昌公司、建设单位、焦作理工、监理单位共同分析研究，认为可以直接进入距煤层法线2m段进行局部防突阶段。
作者简介：
王家坤（1981.11），男，河南民权县人，助理工程师，2002年毕业于河南理工大学，现任河南煤化鹤煤公司三矿计划科副科长。
张志伟（1983.2）男，河南安阳县人，2010年12月毕业于河南理工大学，硕士学位，现任河南煤化鹤煤公司三矿开拓科副科长。
孙忠厚（1984.6）男，河南民权县人，河南煤化鹤煤公司三矿开拓科。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文