一种井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法

摘要

本发明提供了一种井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法，涉及煤矿施工技术领域；该施工方法的步骤包括井筒掘进、揭穿煤层和煤岩渣运输。在施工作业过程中，钻机在第一作业面由下至上进行开挖作业，不采用爆破方式，降低施工危险性；而且施工人员始终在井筒上部作业，与突出煤层之间有上部岩层隔离，即使在揭煤过程中发生突出，煤岩层在重力作用下也只会突向下部巷道，不会造成人员伤亡事故，保证了上部作业人员的安全；另外，施工过程中产生的煤岩渣依靠自重落入到巷道内的输送设备上进行对外输送，无需在井筒内进行出渣作业，并且可以实现作业的无人化，在提高出渣效率的同时，进一步确保了人员的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿施工技术领域，具体而言，涉及一种井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法。

背景技术

煤与瓦斯突出(以下简称突出)是破碎的煤、岩和瓦斯在地应力和瓦斯的共同作用下，由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的动力现象，是煤矿井下最严重的灾害之一。

揭穿突出煤层的井筒揭煤是一项危险性较大的工程，目前常规的井筒揭煤施工还多采用钻眼-爆破法，需要人工在井筒中进行钻眼、装药、出渣、支护等作业，效率低下且存在很大的危险性，虽然突出矿井井筒揭煤前必须实施防突措施并进行效果检验和验证，但受限于现有技术水平，还很难保证防突措施的绝对有效，突出煤层的井筒揭煤过程中突出事故的发生概率较高，没有得到明显的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法，以解决现有的施工方法效率低下且危险性大的问题。

为解决上述问题，本发明首先提供了一种井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法，包括以下步骤：

掘进井筒，对突出煤层上部岩层进行掘进，形成与所述突出煤层的顶板具有第一预设距离的第一作业面；

揭穿煤层，在所述第一作业面，利用钻机打通所述井筒和位于所述下部岩层下方的巷道，然后再利用钻机由所述突出煤层的下部岩层的底板向上进行开挖作业；

运输煤岩渣，在所述突出煤层开挖过程中，利用所述巷道内的输送设备对煤岩渣进行收集，并输送至所述指定工位。

进一步的，在掘进形成所述第一作业面之前，掘进形成与所述突出煤层的顶板具有第二预设距离的第二作业面，并在所述第二作业面和/或所述第二作业面向所述第一作业面掘进过程中进行第一防突措施，所述第二预设距离大于等于两倍的所述第一预设距离。

进一步的，所述第二预设距离为10-20m。

进一步的，所述第一防突措施包括第一防突检测，所述第一防突检测包括：测定煤层残余瓦斯含量或者残余瓦斯压力，若测定的所述煤层残余瓦斯含量均小于第一预设值和/或所述煤层残余瓦斯压力小于第二预设值时，井筒继续掘进。

进一步的，所述井筒掘进步骤还包括：在掘进至所述第一作业面时和/或在由所述第一作业面向下掘进过程中进行第二防突措施。

进一步的，所述第二防突措施包括第二防突检测，所述第二防突检测包括：钻设多个检验孔，对多个所述检验孔采用钻屑瓦斯解吸指标法进行检测，当检测结果合格后，井筒继续掘进。

进一步的，所述突出煤层开挖包括：导向孔施工，在所述钻机的钻杆上安装导向钻头，利用所述导向钻头由上至下施工形成导向孔；扩孔施工，拆卸所述导向钻头，并在位于所述导向孔内的所述钻杆上安装扩孔钻头，利用所述钻机由下至上施工形成所述扩孔。

进一步的，所述导向孔施工还包括：在所述导向钻头钻进过程中进行泥浆护壁。

进一步的，所述导向孔的径向尺寸为216-350mm，和/或，所述扩孔的径向尺寸为1m-10m。

进一步的，所述突出煤层开挖还包括：在所述扩孔施工后扩大所述扩孔的径向尺寸，直至所述扩孔的径向尺寸与所述井筒的径向尺寸相等。

根据本发明提供的井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法，在井筒开挖过程中形成第一作业面，钻机在第一作业面由下至上进行开挖作业，不采用爆破方式，降低施工危险性；而且施工人员始终在井筒上部作业，与突出煤层之间有上部岩层隔离，即使在揭煤过程中发生突出，煤岩层在重力作用下也只会突向下部巷道，不会造成人员伤亡事故，保证了上部作业人员的安全；另外，施工过程中产生的煤岩渣依靠自重落入到巷道内的输送设备上进行对外输送，无需在井筒内进行出渣作业，并且可以实现作业的无人化，在提高出渣效率的同时，进一步确保了人员的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法在施工导向孔时的状态示意图；

图3为本发明实施例提供的井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法在施工扩孔时的状态示意图。

附图标记说明：

1-井筒；2-突出煤层；3-上部岩层；4-第一作业面；5-钻机；6-下部岩层；7-巷道；8-输送设备；9-导向孔；10-扩孔；11-导向钻头；12-扩孔钻头；13-缓冲挡渣装置。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有揭穿突出煤层2的作业始终需要作业人员在井筒1内进行，作业中的具体操作包括钻眼、装药、出渣和支护等，即需要作业人员将炸药装填于钻眼中，然后进行爆破，爆破后还需要人工或者人工操作设备进行出渣，整个施工过程不仅效率低下，而且在爆破作用下对岩层的扰动导致井筒1内处于容易发生坍塌等事故的危险状态下，容易发生安全事故，造成施工人员的伤亡。

有鉴于此，本实施例提供了一种井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法，该施工方法的设计原理在于，现有的井筒1施工过程中一般在井筒1下方具有巷道7，或可以通过调整井巷施工顺序实现井筒1下部具有一定作业空间的巷道7，这样就可以充分利用下部有巷道7的条件，采用反井钻机5等设备进行揭煤施工，一方面可以提高施工效率，另一方面可以使得施工人员在井筒1上部作业，与突出煤层2之间有上部岩层3隔离，保证了上部作业人员的安全；而揭煤和出渣依靠渣矸自重落到下部巷道7，下部巷道7可采用皮带机、刮板输送机等输送设备8出渣，实现巷道7内的作业无人化，这样即使在揭煤过程中发生突出，也只会突向下部巷道7，不会造成人员伤亡事故，有效提升井筒1揭煤工作的安全性。

首先，结合附图1所示，本实施例提供的包括井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法包括以下基本步骤：

掘进井筒1，对突出煤层2上部岩层3进行掘进，形成与所述突出煤层2的顶板具有第一预设距离的第一作业面4；

揭穿煤层，在所述第一作业面4，利用钻机5打通所述井筒1和位于所述下部岩层6下方的巷道7，然后再利用钻机由所述突出煤层2的下部岩层6的底板向上进行开挖作业；

运输煤岩渣，在所述突出煤层2开挖过程中，利用所述巷道7内的输送设备8对煤岩渣进行收集，并输送至所述指定工位。

在上述的井筒1掘进步骤中，掘进所采用的工法一般为现有井筒1的施工工法，因此本实施例不对此处进行过多描述，在井筒1掘进至一定深度时，井筒1形成位于突出煤层2上方的第二作业面(图中未标识)，本实施例的第二作业面位于第一作业面4上方，第二作业面与突出煤层2的顶板具有第二预设距离，第二预设距离大于等于两倍的第一预设距离。

其中，本实施例中的第二预设距离可选为10-20m，例如，在地质构造较为简单的情况下第二预设距离可以为10m，在地质构造较为复杂时，该第二预设距离可以为20m，为了确保继续开挖的安全性，本实施例的井筒1掘进步骤还包括在第二作业面以及在第二作业面向下开挖过程中进行第一防突措施，第一防突措施包括第一防突检测，第一防突检测过程包括测定煤层残余瓦斯含量或者残余瓦斯压力，若测定的煤层残余瓦斯含量均小于第一预设值或者煤层残余瓦斯压力小于第二预设值时，井筒1掘进至所述第一作业面4，其中，第一预设值为8m

具体的，本实施例的第一防突措施为“区域综合防突措施”，其具体包括：区域突出危险性预测、预抽煤层瓦斯区域防突措施、区域措施效果检验和区域验证，其中，区域突出危险性预测一般根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的方法进行，其中煤层瓦斯参数为煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量，煤层瓦斯参数的临界值应当根据试验考察确定，在确定前可按瓦斯压力的临界值为是否小于0.74MPa，瓦斯含量的临界值是否小于8m

进一步的，由于随着井筒1掘进的进行，距离突出煤层2的距离越来越近，上部岩层3对突出危险的隔离作用逐渐减小，因此为了确保后续煤层开挖作业的安全性，本实施例的井筒1掘进步骤还包括在掘进至第一作业面4时进行第二防突措施，第二防突措施包括第二防突检测。

具体的，本实施例的第二防突措施也是“局部综合防突措施”，其具体包括工作面突出危险性预测(即第二防突检测)、工作面防突措施、工作面防突措施效果检验和安全防护措施，井巷揭煤工作面的突出危险性预测选用钻屑解吸指标法或其他经试验证实有效的方法进行，采用钻屑瓦斯解吸指标法预测井巷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施工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K

在经过工作面防突措施、工作面防突措施效果检验后，当判断各检验钻孔的钻屑瓦斯解吸指标值均小于临界值，并且没有喷孔、顶钻等异常现象发生时，说明突出危险性较小，在采取安全防护措施后可以进行下一步突出煤层2开挖作业，安全防护措施为避难硐室、反向风门、压风自救装置、隔离式自救器、远距离爆破等。

结合附图2所示，本实施例上述中的突出煤层2开挖步骤具体包括导向孔9施工和扩孔10施工步骤，导向孔9施工步骤包括在井筒1中安装钻机5，钻机5为现有的反井钻机5，关于反井钻机5的具体作业原理和结构本实施例不进行说明，并且在此过程中需要提前将扩孔钻头12运输至下部巷道7内备用，然后在钻机5的钻杆上安装导向钻头11，利用导向钻头11由上至下施工形成图2中所示的导向孔9。

结合附图3所示，在导向孔9打通井筒1和巷道7后，拆卸掉导向钻头11，并在位于导向孔9内的钻杆上安装扩孔钻头12，利用钻机5的扩孔钻头12由下至上施工形成扩孔10。

在扩孔10施工前，需要在下部巷道7中安装出渣用的输送设备8，输送设备8可以是皮带输送机或刮板输送机等，并在扩孔钻头12钻割落渣处与皮带输送机或刮板输送机之间安设缓冲挡渣装置13，保证扩孔10施工时落下的煤岩渣正好落在皮带输送机或刮板输送机上。

在扩孔10的施工过程中，启动钻机5由下向上施工扩孔10，并且扩孔10施工至突出煤层2时进行揭煤作业，同时启动下部巷道7中的皮带输送机或刮板输送机，揭煤过程中切割下来的煤岩渣通过下部巷道7中安设的皮带输送机或刮板输送机运出，直到完成下部巷道7至井筒1工作面间全段的施工作业后拆除反井钻机5。

再结合附图2所示，为了在导向孔9施工过程中确保施工安全和成孔质量，防止出现塌孔等现象发生，本实施例还在导向孔9施工过程中进行泥浆护壁，具体的，是从上向下施工导向孔9时，由钻机5的钻杆的中心自上而下压入泥浆，泥浆压至导向钻头11部位后携带破碎的煤岩渣从钻杆周边的环形空间向上排至井筒1掘进工作面的泥浆池中，经沉淀泥浆复用，泥浆的具体循环线路如图2中的箭头所示。

另外，在导向孔9的成孔过程中，为了确保成孔质量，在导向孔9施工过程中，每钻进50m，要用测斜仪测量钻孔的偏斜度，如果偏斜度超过5‰，要用螺杆钻具及时进行纠偏，保证成孔偏斜率小于1％。

可选的，本实施例成型的导向孔9的径向尺寸为216-350mm，便于成型而且不会对岩层造成过多扰动，当然，具体的尺寸可以根据现场反井钻机5的钻头尺寸确定，本实施例的扩孔10的径向尺寸为1m-10m，扩孔10尺寸与井筒1尺寸相同，因为揭穿突出煤层2的过程属于井筒1施工的一部分，或者说扩孔10为井筒1的一部分，因此对于揭穿突出煤层2的扩孔10尺寸需要与上部的井筒1尺寸相同，需要说明的是，本段中的“尺寸相同”指的是大致相同，不要求扩孔和井筒在任意高度上的内壁的径向尺寸相同，因为在开挖施工过程中无法保证孔的壁面是光滑整齐的，也就无法保证沿竖直方向孔径向尺寸的一致性。

但是，受限于扩孔钻头12的尺寸，容易出现扩孔10尺寸小于井筒1尺寸的情况，因此，本实施例的突出煤层2开挖还可以包括：在扩孔10施工后扩大扩孔10的径向尺寸，直至扩孔10的径向尺寸与井筒1的径向尺寸相等。另外，由于开挖过程中的误差，也容易出现井筒1的掘进尺寸小于设计尺寸的情况，因此，可以通过施工对扩孔10或井筒1的尺寸进行扩大。

具体的，是利用打钻爆破等扩大扩孔10的直径，爆破后的煤岩渣同样落至下部巷道7中的皮带输送机或刮板输送机上运出，直至井筒1和扩孔10的断面直径达到设计尺寸。

在上述扩孔10揭穿突出煤层2的施工过程中，下部巷道7必须形成独立的通风系统(图中未示出)，且必须切断下部巷道7井巷对接贯通处下风侧的全部非本安型电器设备的电源，“非本安型电器设备”指的是不是本安型电器设备，本安型电器设备就是“本质安全型电气设备”的简称。并且，在施工扩孔10揭穿突出煤层2的过程中，为了保证人员安全，下部巷道7的井巷对接贯通处下风侧及上风侧500m内的人员必须全部撤出，而且需要在巷道口处设置栅栏警标，起到警示作用，防止人员误入。

结合对本实施例的井筒施工中揭穿突出煤层的施工方法的说明可知，本实施例提供利用井筒1开挖形成第一作业面4，钻机5在第一作业面4进行突出煤层2的开挖，无需人工在井筒1内进行装填炸药和出渣，提高了施工效率；而且施工人员始终在井筒1上部作业，与突出煤层2直接有岩层隔离，即使在揭煤过程中发生突出，也只会突向下部巷道7，不会造成人员伤亡事故，保证了上部作业人员的安全；另外，施工过程中产生的煤岩渣依靠自重落入到巷道7内的输送设备8上进行对外输送，可以实现作业的无人化，进一步确保了人员的安全性。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。