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《建井技術》2017年第3期

摘要：常規的穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施，抽采瓦斯速度較慢，抽采效果較差，揭煤工期較長，且安全保障程度較低。五陽煤礦擴區進風立井揭煤施工中，運用CO2氣相壓裂增透技術，安全高效地揭穿了深厚突出煤層，為同類工程施工提供了經驗。

關鍵詞：立井揭煤；CO2氣相壓裂增透；突出煤層；煤體加固

1工程及地質概況

山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內，設計生產能力4．0Mt／a，為高瓦斯礦井。該礦擴區進風立井凈直徑8．8m，設計深度804．3m。井筒沖積層段采用凍結法施工，凍結深度220．5m，雙層鋼筋混凝土復合井壁；凍結段以下基巖段采取普通法施工。基巖段井壁結構：220．50～736．3m段為素混凝土雙層井壁，外壁厚度350mm，內壁厚度450mm；736．3～804．3m段為素混凝土單層井壁，厚度450mm，混凝土強度等級均為C45。井筒檢查孔報告及前探鉆孔探測情況均顯示，主采3號煤層位于井深728．40～734．20m處，厚度5．80m，位于山西組地層中下部，煤層結構簡單，以亮煤為主，次為暗煤。煤層下部含夾矸1層，厚度0．80m，為泥巖或炭質泥巖。煤層頂板為泥巖，灰黑色，中厚層狀，性脆，貝殼狀斷口，含植物化石；底板為泥巖，深灰黑色，塊狀，斷口平坦。區域預測鉆孔實測瓦斯原始壓力介于2．23～3．72MPa之間，瓦斯含量20．13m3／t。測壓孔施工中，有明顯的噴孔頂鉆瓦斯動力現象，故須將該煤層視為突出煤層管理。

2區域防突措施

2．1探煤

井筒掘進至距3號煤層頂板20m（即井深708．4m）時，施工了4個探煤鉆孔，對稱布置于井筒工作面。鉆孔穿透煤層，進入底板0．5m，準確探測出了煤層賦存形態、產狀。

2．2區域綜合防突

2．2．1區域突出危險性預測

按照探煤時獲取的里程數據，井筒工作面施工至距3號煤層頂板法向距離10m時，施工了4個測壓鉆孔，穿透煤層，進入煤層底板0．5m，實測了瓦斯壓力及瓦斯含量。

2．2．2區域綜合防突措施

根據對煤層突出危險性預測結果，區域綜合防突采取CO2氣相壓裂增透＋穿層鉆孔預抽煤層瓦斯快速消突措施［2］。

（1）CO2氣相壓裂增透CO2氣相壓裂增透技術是利用化學加熱壓裂管中充填的液態CO2，使其迅速轉化成高能量氣體，瞬間作用于煤層，將煤層震松，產生大量裂隙，使控制范圍內煤體中可能存在的聚積瓦斯均勻分布并通過鉆孔快速擴散，從而起到消突作用［3］。CO2氣相壓裂設備型號C－74，壓裂桿直徑67mm，單根壓裂桿長度2m，液態CO2質量（1．5±0．2）kg／根，液態CO2膨脹體積1∶600，反應時間約20～40ms，壓力60～270MPa，封孔長度1m。氣相壓裂在擴區進風立井工作面距煤層頂板法向距離8m處實施。共施工氣相壓裂孔31個，每個壓裂孔內布置3根壓裂桿（見圖1）。壓裂桿之間串聯，每個壓裂桿頭均有1個起爆裝置。壓裂桿全部裝填完成后，進行氣相壓裂施工。

（2）穿層鉆孔預抽煤層瓦斯消突根據礦上提供的資料，該礦揭煤區域抽采鉆孔終孔間距為5m，設計預抽區域防突措施鉆孔總數為112個，在距煤層頂板法向距離8m處施工。鉆孔均穿過煤層，進入煤層底板0．5m。在地面距進風立井井口50m以外安裝1臺2BE1355－1BD3型水環真空泵。在井筒內懸吊1趟159mm無縫鋼管作為抽放干管；抽放管支管選用60mmPVC管，采用聚氨酯材料封孔。井筒工作面每個鉆孔施工完成后，立即接入抽放管路，不得自然排放，以避免瓦斯超限，直到鉆孔全部施工結束，并網完畢。每個抽放支管均安設閘閥，以便隨時觀察和控制單孔抽放量。

2．3區域防突措施效果檢驗

區域防突措施效果檢驗指標主要采用瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標（Δh2或K1值）。按照《防治煤與瓦斯突出規定》，進行效果檢驗鉆孔設計。在區域措施鉆孔施工密度最小、施工時間最晚的措施鉆孔附近，施工4個效果檢驗鉆孔，測定鉆孔取出的濕煤樣。實測煤層殘余瓦斯含量為6m3／t，Δh2為120Pa，K1為0．2mL／（g•min1／2），據此確定可掘進至距煤層頂板法向距離5m前。

2．4區域驗證區域驗證與工作面

突出危險性預測方法相同。在距煤層頂板法向距離5m前，施工4個驗證鉆孔，實測各項指標均符合防突要求，確認煤層無突出危險性，可進行下一步局部綜合防突施工。

3局部綜合防突措施

（1）鋼筋混凝土骨架煤體加固技術在井筒工作面距煤層頂板法向距離5m前，實施鋼筋混凝土骨架煤體加固措施。煤體加固鉆孔平面徑向布置，孔徑75mm，開孔位置距井壁0．5m（布置圈徑7．8m），外扎角12°，共布置25個，孔間距1m。鉆孔穿過煤層，深入煤層底板0．5m，終孔位置超出荒徑2m。鉆孔施工完畢，孔內放置20mm×11m螺紋鋼筋后，注入水灰比為1∶1的P•O42．5水泥漿液。漿液凝固后，與煤體固結，形成結石體帷幕，增加井筒周邊煤體強度，防止煤層突出［5］。

（2）區域驗證煤體加固結束后，井筒掘進至距煤層頂板法向距離2m處后，進行區域驗證。該處區域驗證方法與工作面突出危險性預測相同，驗證鉆孔為5個，驗證指標與距煤層頂板法向距離5m前一致。經驗證，工作面無突出危險性［6］。

4遠距離爆破揭煤施工

采取CO2氣相壓裂增透＋穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施和鋼筋混凝土骨架煤體加固技術后，經區域防突效果驗證，防突措施有效，確定在距煤層頂板法向距離2m前，采用遠距離爆破方法，揭開煤層，施工安全順利。

5施工效果

經測算，采用常規抽采方式揭穿該煤層，工期需128d；而采用該項技術，工期共80d（探煤3d，測壓7d，井筒掘進支護10d，CO2氣相壓裂10d，瓦斯抽放46d，準備及收尾4d），比常規方法提前工期48d。實踐證明，采用該項技術，可大大縮短揭煤工期，解決立井揭穿深厚突出煤層預抽瓦斯時間過長、抽放效果不佳等問題，節省揭煤施工期間的各項費用，取得可觀的經濟效益，并且施工安全，是立井揭穿深厚突出煤層的經濟可行的有效方法。

參考文獻：

［1］宋顯鋒．掘進面迎頭CO2氣相壓裂卸壓增透技術研究［J］．現代礦業，2017（2）：186－187．

［2］張為民，秦續峰．薄基巖厚煤層立井凍結掘砌施工［J］．建井技術，2016，37（4）：1－3．

［3］張超杰，蔣承林．多立井揭煤聯合區域防突措施的實踐與探索［J］．煤炭技術，2015，34（5）：144－146．

［4］姚再峰，何富連，王文博．氣相壓裂技術提高綜放面初采的研究［J］．煤炭技術，2015，34（4）：28－30．

［5］孫仕元，李翔．淮南礦區立井揭煤段井筒加固技術［J］．建井技術，2016，37（5）：21－24．

［6］穆朝云，鄧中，張明．深立井井筒揭穿低透氣性突出煤層綜合防突技術［J］．江西煤炭科技，2014（4）：1－4.

作者：韓曉東 單位：中煤第一建設有限公司