极复杂地质条件下石门揭煤方法

摘要

极复杂地质条件下石门揭煤方法，包括以下步骤：（1）对地质进行情况分析：判断该地质是否属于极复杂煤层，然后将极复杂煤层划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类等级，并对应设计施工方案；（2）对冲孔标准设计：Ⅰ类等级、Ⅱ类等级和Ⅲ类等级设计冲孔出煤体积分别占总控制体积的2%、3%和4%；（3）概算水力冲孔参数；（4）对极复杂地质条件下煤层进行石门揭煤作业；本发明通过对石门实施钻孔、水力冲孔、孔洞充填等措施解决了现有技术无法解决的极复杂地质情况下石门揭煤周期长，危险性高揭煤困难等问题，避免了冲孔孔洞内瓦斯积聚、煤层应力失衡，大大的降低了瓦斯灾害发生概率，实现了技术可行、安全可靠、快速有效的揭煤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石门揭煤方法，尤其涉及一种极复杂地质条件下石门揭煤方法。

背景技术

在全国煤矿所发生的各类突出事故中，石门揭煤工作面所发生的平均突出强度最大，高达316t/次；在我国发生的突出吨数达到千吨以上的特大型突出事故中，石门揭煤工作面所发生的突出比例高达77%。由于石门揭煤突出强度大，波及范围广，造成的破坏严重，能给矿井带来毁灭性的灾难，石门揭煤已经成为煤矿安全生产过程中的难点和采掘部署的瓶颈工程。

目前我国石门揭煤工程主要存在两大难题:一个是传统揭煤技术侧重于安全角度而存在揭煤速度慢，揭煤时间长的问题；另一个是防治措施不到位而导致安全性不足。由于揭煤过程复杂，揭煤过程需要的时间长，平均揭煤时间达到110～257天。目前石门揭煤方法都是基于地应力、瓦斯压力和煤岩强度综合作用突出机理出发,提出诸多石门揭煤防突方法在煤层卸压增透方面主要有水力冲孔、松动爆破和水力割缝等措施,在煤体加固方面主要有金属骨架和注浆加固等措施,这些措施在防突工作中取得了一定成效,但也存在很大的局限性。水力割缝等措施能有效卸除地应力和瓦斯压力,但同时破坏了煤体完整性,煤岩整体强度降低，甚至在煤层中形成较大孔洞，形成“瓦斯包”，形成潜在的瓦斯爆炸源，因此，迫切需要一种技术可行、安全可靠、快速有效的揭煤技术，既能提高揭煤速度、减少措施工程量、缩短工期，又能节约成本、缓解安全投入的压力。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种技术可行、安全可靠、快速有效的极复杂地质条件下石门揭煤方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：极复杂地质条件下石门揭煤方法，包括以下步骤：

（1）对地质进行情况分析：判断该地质是否属于极复杂煤层，然后将极复杂煤层划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类等级，并对应设计施工方案；

（2）对冲孔标准设计：Ⅰ类等级、Ⅱ类等级和Ⅲ类等级设计冲孔出煤体积分别占总控制体积的2%、3%和4%；

（3）概算水力冲孔参数；

（4）对极复杂地质条件下煤层进行石门揭煤作业。

所述步骤（4）的具体步骤如下：

a在煤矿井下的底板抽采巷施工穿层钻孔，进行水力冲孔作业，并记录钻孔深度、煤层厚度以及冲出煤量；

b使用封孔管对钻孔进行探孔作业，探孔作业时发现有塌孔位置，利用钻机将塌孔位置通透顺孔；

c根据钻孔深度及煤层厚度设计并安装充填装置的长度、上排气孔位置、下排气孔位置以及充填注料位置；

d将预先安装好的混合搅拌装置以及黑料注入管和白料注入管的充填装置安装到钻孔设定位置；

e安装完成后，检查注入管路与双液注浆泵是否完好；

f使用注水泥浆对钻孔进行封孔；

g根据冲出煤量计算固特捷黑料和固特捷白料的用量，利用双液注浆泵将固特捷黑料和固特捷白料分别经黑料注入管和白料注入管进入混合搅拌装置后注入钻孔的孔洞中；

h注料完成后，拆下黑料注入管和白料注入管，用清水清洗双液注浆泵、黑料注入管和白料注入管；

i重复步骤（2）到步骤h进行下一钻孔的施工，并在钻孔周围施工抽采钻孔，将抽采钻孔封孔并进行联抽作业。

所述的地质评价等级的划分如表一所示：

所述的构造复杂指数,其中：K_倾为煤层倾角复杂指数，，为煤层最小倾角和最大倾角；K_褶为褶皱复杂程度系数，为石门区域内某等高线的长度，为该等高线在该区间的两端距离，n为统计的等高线个数；K_断为断层复杂程度系数，，断层落差，L为断层延伸长度，S为统计面积。

概算水力冲孔数目包括预测单孔出煤体积V₁和推算总冲孔数目M，，式中h为平均煤厚，b为冲孔孔洞椭球体短半轴，冲孔孔洞的形状为椭球体，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤分别取3d、3.5d、4d，d为钻孔直径；，V为控制煤总体积；a为冲孔出煤标准，a的取值在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤分别取2%、3%、4%。

填装置包括封孔管、黑料注入管、白料注入管、混合搅拌装置和双液注浆泵，黑料注入管、白料注入管和混合搅拌装置均设在封孔管内部，双液注浆泵的两个出料口分别与黑料注入管和白料注入管的进料口连接，黑料注入管和白料注入管的出料口均与混合搅拌装置的进料口连接，封孔管上部自上而下依次分别设有上排气孔、充填注料孔和下排气孔。

计算固特捷黑料和固特捷白料用量利用下面公式计算：,式中V_料为固特捷黑料及固特捷白料用量之和，M_煤为水力冲孔出煤量，为煤的视密度，K为注浆料反应后膨胀系数，K取值20。

混合搅拌装置包括三通管和搅拌器，三通管的两个分支管分别连接黑料注入管和白料注入管，搅拌器设在三通管的主管内部，搅拌器由搅拌轴和设在搅拌轴上的螺旋叶片组成，三通管的主管通过充填注料孔伸入到冲孔孔洞内。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：通过对石门实施钻孔、水力冲孔、孔洞充填等措施解决了现有技术无法解决的极复杂地质情况下石门揭煤周期长，危险性高揭煤困难等问题，避免了冲孔孔洞内瓦斯积聚、煤层应力失衡，大大的降低了瓦斯灾害发生概率，实现了技术可行、安全可靠、快速有效的揭煤。另外，黑料注入管和白料注入管严禁混合使用，防止在管内发生反应堵塞管路。

综上所述，本发明结构简单、操作方便、技术可行、安全可靠和快速有效。

附图说明

图1是本发明施工的结构示意图；

图2是图1中充填装置的放大图；

图3是涂2中混合搅拌装置示意图；

图中附图标记分别为:1为钻孔；2为封孔管；3为上排气孔；4为下排气孔；5为充填注料孔；6为冲孔孔洞；7为白料注入管；8为黑料注入管；9为注水泥浆封孔段；10为注浆管；11为双液注浆泵；12为固特捷封孔段；13为混合搅拌装置；14为三通管；15为搅拌器；16为抽采筛管；17为抽采钻孔；18为抽采管；19为底板抽采巷；20为已掘石门巷道；21为未掘石门巷道；22为煤层；23为固特捷充填体；24为充填装置。

具体实施方式

下面结合附图1~3所示对极复杂地质条件下石门揭煤方法进行进一步说明，本实例中煤层22埋深700m，已掘石门巷道20已经掘进到距离煤层22十五米处，勘探数据表明该处有褶曲，且小断层发育，构造复杂指数K=0.13，煤层22厚度变异系数为73%，属于极不稳定煤层，瓦斯含量为在13.94～27.18m³/t之间，瓦斯压力为1.35MPa，属于煤与瓦斯突出危险区，为实现快速揭煤，本发明采用如下步骤：

（1）对地质进行情况分析，根据勘探结果与瓦斯赋存情况确定该处为Ⅱ类极复杂煤层，设计冲孔出煤占控制煤总体积的3%，约为40.5m³，钻孔1直径为0.1m；

（2）在底板抽采巷19中的未掘石门巷道21向上施工穿层冲孔钻孔1，进行水力冲孔作业，形成冲孔孔洞6并记录钻孔1长度25m、煤段长度3.2m以及冲出煤量5t；冲孔孔洞6为椭球体形状，冲孔孔洞6短半轴b为0.35m，单孔预测出煤量为1.5m³，计算水力冲孔钻孔1数目m=26个；

（3）使用封孔管2对钻孔1进行探孔作业，探孔作业时发现有塌孔位置，利用钻机将塌孔位置通透顺孔；

（4）根据钻孔1的深度及煤层22的厚度设计充填装置24，并根据设计在充填装置24中的封孔管2上部自上而下依次开设上排气孔3、充填注料孔5和下排气孔4；充填装置24包括封孔管2、黑料注入管8、白料注入管7、混合搅拌装置13和双液注浆泵11，黑料注入管8、白料注入管7和混合搅拌装置13均设在封孔管2内部，双液注浆泵11的两个出料口分别与黑料注入管8和白料注入管7的进料口连接，黑料注入管8和白料注入管7的出料口均与混合搅拌装置13的进料口连接；

（5）将搅拌器15安装到混合搅拌装置13中，并将白料注入管7和黑料注入管8连接到混合搅拌装置13上，然后将混合搅拌装置13的三通管14的主管设在充填注料孔5处，利用封孔管2将混合搅拌装置13安装到设定位置；混合搅拌装置13包括三通管14和搅拌器15，三通管14的两个分支管分别连接黑料注入管8和白料注入管7，搅拌器15设在三通管14的主管内部，搅拌器15由搅拌轴和设在搅拌轴上的螺旋叶片组成；

（6）安装完成后，先用清水对黑料注入管8和白料注入管7进行试注浆，检验管路是否畅通，并对双液注浆泵11进行全面检查，确定双液注浆泵11各部件完好无缺，并联风试泵，管内水渣吹净；

（7）检查完毕，用固特捷黑料和固特捷白料混合而成的固特捷复合材料（固特捷复合材料为现有成熟技术）在钻孔1孔口进行简易封堵，形成固特捷封孔段12，在固特捷封孔段12处穿入注浆管10连接一般的注浆泵进行注水泥浆封孔，封孔管2与钻孔1之间的环形空腔中的空气通过上排气孔3和下排气孔4排出，待浆液到达下排气孔4处时，浆液进入封孔管2中，封孔管2与钻孔1之间的环形空腔中形成注水泥浆封孔段9，封孔管2内开始反浆，注浆完成；

（8）根据冲孔出煤量计算固特捷黑料和固特捷白料的用量，计算固特捷黑料和固特捷白料用下面公式计算：

式中V_料为固特捷黑料及固特捷白料的用量之和，M_煤为水力冲孔出煤量，ρ_煤为煤的视密度1.51t/m³，K为注浆料反应后膨胀系数，K取值20,计算得V_料=0.165m³，然后用双液注浆泵11将称量好的固特捷黑料及固特捷白料分别经黑料注入管8和白料注入管7进入混合搅拌装置13后注入冲孔孔洞6中，冲孔孔洞6中气体经上排气孔3进入封孔排出，注入完毕后，固特捷复合材料发泡膨胀，充满整个冲孔孔洞6形成完整的固特捷充填体23；

（9）注料完成后，拆下黑料注入管8和白料注入管7，用清水清洗双液注浆泵11及黑料注入管8和白料注入管7以备下一钻孔1使用；

（10）在钻孔1周围施工抽采钻孔17，并在煤层段下入抽采筛管16，岩段下入抽采管18,进行“一堵一注”封孔后，将抽采管18接入抽采管路进行联抽，本组施工完毕重复步骤（2）到（9）进行下一钻孔1的施工，直至抽采钻孔17全部施工完毕，覆盖整个揭煤区域。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。