国投新集能源公司板集矿副井揭煤设计

国投新集能源公司板集矿副井
揭穿9-2、9-1、8、7-2、7-1、6-2、6-1、5、4-2、4-1等煤层防突设计说明书
煤炭科学研究总院抚顺分院
二〇〇八年一月
事故，对现场作业人员构成极大的威胁。

2005年12月7日，安徽淮南矿业集团公司望峰岗煤矿（基建矿井）主井井筒掘进到标高-923 m处（距C13煤层5 m）时，测定瓦斯压力1.8 MPa，打了139个直径105 mm的泄压钻孔。

2006年1月3日煤层全部揭开，1月5日13：58井筒进入煤层3 m时，发生一起特大煤与瓦斯突出事故，造成12人死亡，突出煤量2831t，涌出瓦斯量为29.27万m3。

直接经济损失483万元。

2006年7月29日7：45，义马煤业（集团）有限责任公司孟津煤矿（基建矿井），在副井井底水窝震动放炮安全揭开二1煤层后，在进入煤层2m时发生一起大型煤与瓦斯突出。

突出煤量828 t，突出瓦斯量86 906 m3，并造成8人死亡。

以上两起事故的主要原因是揭煤地点复杂的瓦斯地质因素和煤层所受的高应力状态造成的煤与瓦斯突出。

其次就是施工单位所打的排放钻孔控制范围较小，煤层卸压、释放瓦斯范围较小，卸压不充分造成的。

调查组认定是重大责任事故。

煤炭科学研究总院抚顺分院受国投新集能源股份有限公司板集矿的委托，于2007年6月开始分别对在建中的板集矿三个立井井筒(中央风井、主井、副井)揭穿9-2、9-1、8、7-2、7-1、6-2、6-1、5、4-2等九个煤层安全技术措施进行了设计，并针对各煤层井筒的地质条件和瓦斯赋存状况，分别编制“板集矿中央风井、主、副井井筒揭穿9-2、9-1、8、7-2、7-1、6-2、6-1、5、4-2、4-1煤层防突设计说明书”，“板集矿主、副、中央风井揭穿9-2、9-1、8、7-2、7-1、6-2、6-1、5、4-2、4-1煤层震动放炮设计说明书”等技术措施。

••• 工作人员：孙晓军工程师
张劲松工程师
石永生工程师
王辉跃工程师
技术审核：王魁军研究员院总工程师
霍中刚研究员科研管理部主任
姜文忠高级工程师瓦斯所所长技术审定：罗海珠研究员副院长
板集井田位于安徽省阜阳市、利辛县和颍上县的交界处，行政区划隶属利辛县胡集镇管辖。

该井田北距利辛县城约25km，南距颍上县城30km 左右。

地理坐标介于东经116°09′00″～116°30′00″和北纬32°51′45″～32°56′15″之间。

淮阜铁路从井田南部经过；井田附近有多条公路可通往凤台、利辛、颍上、阜阳和淮南等地。

交通十分方便。

本井田北与展沟井田相连，南与口孜东井田相邻，在其东南、西南分别有刘庄矿井和口孜西井田。

1．2地形与河流
本井田地处淮河冲积平原，地形平坦，地面标高一般在+24.00～+26.00m左右。

井田内沟渠纵横交错，主要有南部的苏沟和中部的乌江。

井田外的南部和北部分别有济河和茨淮新河，水位标高为+15～+20m，最高洪水位标高为+25.63m（1954.7.29.）。

1．3气候与气象
本井田所在地属季风暖温带半湿润性气候，四季分明，冬冷夏热。

该地区每年春、夏季多东南风，秋、冬季多东北风及西北风，一般风速在2.8～3.6m/s；年均气温15.1℃，最高气温41.4℃，最低气温-21.7℃；年均降雨893.74mm，雨期多集中在6、7、8三个月；雪期一般为72～127天；土壤的冻结深度一般为4～12cm。

1．4地震烈度
根据《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》的有关规定，本井田所在地的抗震设防烈度为6度。

本井田为全隐蔽含煤区，钻探所及地层由老到新依次有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界。

2.2构造
本井田位于淮南煤田陈桥背斜的北翼西段，总体构造形态为一轴向北西西的复式向斜。

地层倾角仅向斜南翼的浅部露头部位和F101与F104二断层之间的局部地段较陡，一般在20°左右，其余均较平缓，多在5°～15°之间。

井田的东部和北部边缘发育有小褶曲和缓波状起伏。

井田内共发现断层87条，其中正断层84条，逆断层3条。

若按断层的最大落差大小来分，其中大于等于100m的8条，小于100m而大于等于50m 的11条，小于50m而大于等于20m的31条，小于20m的37条，另有落差分别为5m和10m的孤立断点各1个。

断层的展布方向主要为近东西向和北东向，北西向较少。

按勘查控制程度划分，分别有查明断层70条，基本查明断层15条，查出断层2条，查明断层占断层总数的80%以上。

本井田未见岩浆岩和陷落柱。

总体来看，本井田的构造复杂程度为中等。

2.3煤系与煤层
本井田的含煤地层为华北型石炭、二叠系，其中二叠系的山西组与上、下石盒子组为主要含煤层段。

淮南煤田二叠系的山西组与上、下石盒子组自下而上一般可分为7个含煤段，但本井田上部的六、七含煤段已被剥蚀殆尽，仅存的第一、二、
三、四含煤段和部分第五含煤段总厚约467m，含煤19层，煤层平均总厚
28.04m，含煤系数为6.0%。

主井煤系地层综合柱状图1。

图1 副井煤系地层柱状图
11-2、8、5和1，平均可采总厚14.79m；次要可采煤层有9、7-2、7-1、6-1和4-2、4-1，平均可采总厚5.90m；13-1煤层尽管平均厚度达4.51m，但受剥蚀严重，保存面积小，又位于煤系的浅部，因而，开采价值极小。

本井田可采煤层以大部可采～全区可采的中厚～厚煤层为主，煤层结构简单～较简单，煤层的稳定性属稳定～较稳定型。

本井田各可采煤层对比可靠。

2.4煤质与煤的用途
本井田各煤层均以黑色为主，少量灰黑～褐黑色；主要具弱玻璃～玻璃光泽、沥青和强沥青光泽，少量油脂光泽；以粉状、小块状为主，少量块状及片状；断口一般为参差状、平坦状和粗糙状；性脆易碎，内生裂隙发育，且多为黄铁矿膜充填。

本井田可采煤层为低中灰～中灰、特低～低硫、特低～低磷、中高～高挥发份、富油、中～中高热值的气煤和1/3焦煤，其中精煤为理想的炼焦配煤，中煤和原煤可作动力用煤。

本井田煤层风氧化带深度为自基岩顶界面向下垂深30m。

2.5水文地质
⑴主要含水层水文地质特征
①新生界
本井田新生界松散层厚度介于547.65～713.50m之间，总体变化趋势为北厚南薄。

按照沉积物的组合特征和含、隔水情况，可将新生界松散层自上而下大致分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含计4个含水层（组）和3个隔水层（组）。

三隔主要由粘土、砂质粘土和薄层细砂等组成，粘土土质细、纯，可塑性较强，具膨胀性，厚度大（平均近142m），但分布不稳定，不能构成稳定的隔水层（组）。

四含厚度介于39.80～
等，全井田均有分布，且大部分与基岩直接接触，是基岩含水层的重要补给水源。

此外，在井田的西部和中北部尚分布三块厚度小、范围有限的下第三系砂砾岩，其富水性弱，正常情况下对矿井充水无影响。

②二叠系
本井田二叠纪煤系砂岩裂隙含水层（组）位于可采煤层与泥岩之间，按其与可采煤层的相对关系和对矿井充水的影响程度，大致可分为13-1～11-2煤间含水层（段）和8～4-2煤层间含水层（段）。

砂岩裂隙含水层（段）岩性、厚度变化均比较大，分布不稳定，一般以中、细砂岩为主，局部为粗砂岩和石英砂岩，是矿井开采的直接充水含水层。

但因其主要与砂岩裂隙的发育程度、开启大小和延展长度密切相关，故富水性不均一，且以储存量为主。

③石炭系
据区域资料，本井田所在地的石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水组总厚约100～110m，由灰岩与其间的泥岩、粉砂岩和薄煤层组成，其中含自上而下编号的灰岩13层，除3、4和12灰较厚以外，其余均较薄，一般灰岩岩溶裂隙发育不均，且多为方解石充填，富水性弱。

该含水组上部的1～4灰是1煤层底板直接充水含水层，其上距1煤层14.60～40.70m，平均26.21m，如果直接开采1煤层，很可能因灰岩水压过高而引发底板突水事故。

④断层带
本井田断层在钻探过程中虽未出现严重漏水现象，且部分断层抽水结果也表明其富水性弱，但当断层切割了坚硬的脆性岩层时，将会造成围岩裂隙发育，尤其是在灰岩与煤层对口部位，极易引发严重突水事故。

综上所述，本井田的新生界四含孔隙水、二叠纪煤系砂岩裂隙水和石
煤层开采构成大的威胁。

这样，二叠纪煤系砂岩裂隙水和石炭系太灰岩溶裂隙水便成为本矿井开采的主要充水因素。

本矿井在留设必要的防水煤柱的前提下，开采11-2～4-2煤层时主要充水因素为二叠纪煤系砂岩裂隙水，水文地质条件简单；后期开采1煤层时主要充水因素为石炭系太灰岩溶裂隙水，因其水压大，很可能以底板突水的方式进入矿坑，故水文地质条件中等。

⑵矿井涌水量
根据《安徽省亳州市板集煤矿地质报告汇编（2006.3.）》（以下简称地质报告汇编）提供的资料，本矿井一水平（-735m）以浅开采11-2～4-2煤层（面积为9.17km²）时正常涌水量为578m3/h，最大涌水量为794m3/h。

1煤层开采时太灰的正常涌水量为565m3/h，突水量为3630m3/h。

3．其它开采技术条件
3.1煤层顶、底板岩石工程地质特征
本井田可采煤层顶板以泥岩、砂质泥岩为主，其次为粉砂岩和炭质泥岩，局部为细、中砂岩；底板以泥岩为主，其次为粉砂岩和砂质泥岩，个别为细砂岩。

一般情况下，砂岩的抗压强度为42.70～144.10MPa，单向抗拉强度为1.85～9.03MPa，力学强度较高，岩石坚硬致密，稳定性好，工程地质条件良好；粉砂岩的平均抗压强度为20.20～57.00MPa，单向抗拉强度为1.24～4.01MPa，力学强度次之；泥岩和砂质泥岩的抗压强度为19.60～58.70MPa，单向抗拉强度为0.80～2.23MPa，力学强度相对较低，多属软岩，易坍塌冒落；基岩风化带和断层带均属软弱岩体，工程地质条件不良。

总体来看，本矿井的煤矿床属以碎屑岩为主的坚硬～半坚硬层状岩类矿床，工程地质条件中等。

3.2瓦斯
处。

根据实测资料分析，本井田煤层中瓦斯成分分带不明显，基本属于CO2-N2带和N2-CH4带的混合带，尚未发现CH4带。

总体来看，本井田各可采煤层瓦斯含量普遍较低，绝大多数煤层瓦斯含量小于1m3/t，仅4个样品大于1m3/t，而6-1煤层尚有1个点达7.33m3/t （CH4+C2H6）。

就现有资料来看，本井田-735m以浅未见含量大于1m3/t 的样点。

尽管如此，但并不排除井田内局部有瓦斯富集的可能。

3.3煤尘与煤的自燃
本井田各可采煤层的自燃倾向性介于不自燃～很易自燃之间，并以不易自燃和不自燃为主。

其中11-2、7-1、6-1、5和1煤层为不自燃～不易自燃，7-2煤层为不易自燃，9、8煤层为不自燃～很易自燃，4-2煤层为不自燃～易自燃。

本井田各煤层的煤尘爆炸指数（K值）均大于15，表明各可采煤层均有煤尘爆炸危险。

3.4地温
根据淮南九龙岗矿长观孔资料，本井田所在地的恒温带深度为自地表向下垂深30m，相应的温度为16.8℃。

本井田的地温梯度介于2.2～3.8℃/hm，其中仅5个孔大于3.0℃/hm，其余均小于3.0℃/hm，因此，本井田属于局部有地温异常的地温正常区。

根据报告汇编提供的主要可采煤层底板温度与煤层埋深之间的回归方程计算，本井田-735m水平地温介于35.76～36.81℃之间，处于一级高温区但接近二级高温区。

副井为立井。

副井位于板集矿工业广场西部，井筒总深度为795.5m，井筒基岩净直径为7.0m，基岩荒断面（掘凿断面）为50.24m2。

井筒分别穿过9-2、9-1、8、7-2、7-1、6-2、6-1、5、4-2、4-1等煤层。

井筒的基岩段井壁采用现浇混凝土，强度等级C30。

副井井筒640m以上为钻井法施工，基岩段为凿井法施工。

4.2通风
井筒掘进在过基岩段采用压入式通风，副井井筒内布置一路Φ800mm 的强力胶质风筒，井口附近安设二台FBD-7.1/2×30型风机（一台备用)
5.煤层突出危险性评价
煤层是否具备煤与瓦斯突出的地质环境和瓦斯条件，仅研究板集矿井田现有资料很难得出正确的结论。

基于这种情况，研究范围必须扩大到相邻的淮南潘谢矿区，通过对矿区瓦斯地质规律和各种瓦斯参数的研究相比较，板集矿瓦斯地质条件与其它突出矿井相比，存在相同点和差异性。

5.1 邻近矿区煤与瓦斯突出概况
据（88）中煤总基字第107号文件，在关于淮南潘二矿按煤与瓦斯突出矿并修改设计的批复中，确定潘二矿为煤与瓦斯突出矿井，相对瓦斯涌出量为27.66 m3/t。

新集矿区及淮南的潘谢矿区生产建设以来，据统计，截止2006年12月底，共发生了45次煤与瓦斯动力现象，其中属突出的8次、压出和倾出的21次。

按突出强度分：1000吨以上的特大型突出1次；101～500吨的次大型突出7次；50～100吨的中型突出6次；50吨以下的突出15次。

按突出矿井分；潘一矿8次；潘二矿16次；潘三矿5次。

按突出煤
望峰岗矿井主井井筒工作面在揭开C13煤层后继续施工作业过程中，发生了一起造成12名井下作业人员全部遇难的特大型煤与瓦斯突出事故，计算突出煤量2831吨、涌出瓦斯29.27万m3。

表1 瓦斯动力现象统计表
从新集矿区及淮南的潘谢矿区突出资料的统计结果比较来看，经分析研究，上述矿井发生的动力现象主要以倾出、压出为主，突出强度为中、小型，一般为-420m（距基岩面深度182m•左右）以下深处。

5.2本矿区煤与瓦斯突出概况
本井田在井筒检查孔做了瓦斯突出危险性测试，测试指标及评价见表2。

从测试资料看，井田内各煤层都具有突出危险性。

由于煤层赋存较深及测定煤层瓦斯含量方法是基于500m以上井田建立的，故本井田瓦斯含量测定普遍较低，根据相邻矿井情况推断该井田存在局部富集的可能，根据井筒检查孔煤样测定各煤层均具有瓦斯突出危险性。

因此，在以后的实际生产中仍应做好瓦斯预测预报工作，防止瓦斯突出。

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6.井筒揭煤防突措施工艺流程
揭煤防突措施工艺流程图见图2。

•6.1前探钻孔
•根据检查孔资料，副井井筒施工分别在垂深675.95（0.80m）、682.55
758.85(0.55)m处揭穿9-2、9-1、8、7-2、7-1、6-2、6-1、5、4-2、4-1煤层。

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图2 揭煤防突措施工艺流程图
根据距离150m处风井揭煤情况，风井所揭各煤层与井筒检查孔所控层位基本一致。

为此，仅需要在副井井筒工作面施工到距煤层垂距5m之前，分别在670.95m（9-2）、（9-1）、691.35m（8）、（7-2）、（7-1）、714.10m （6-2）、（6-1）、731.95m（5）、（4-2）、（4-1）位置停头打钻。

设计前探钻孔三个兼做测压孔（倾向方向3个），钻孔布置见图3，钻孔见煤点布置在井筒荒断面（掘凿断面）轮廓线2.20m以外范围，钻孔施工参数见表3。

其中二个孔为取芯孔，采用75型或150型钻机，钻孔直径73mm。

钻孔
其中探8、7-2、7-1煤层的钻孔要穿过707.3处的无名煤层，并且进入该煤层底版0.5m。

表3副井揭煤前探钻孔参数表
6.2预测钻孔布置及封孔要求
根据《煤矿安全规程》第二百条第㈠项、第㈡项和《防止煤与瓦斯突出细则》第60条第1项、第3项要求，不再另行施工测压钻孔，前探孔探2、探3兼作测压钻孔。

前探孔探1探煤后用水泥等封孔材料充填封实，防止漏气。

⑴测压孔必须布置在岩层比较完整的地方。

⑵三个超前钻孔见煤点彼此之间的间距不得小于5m。

⑶钻孔要穿透煤层全厚且进入煤层底板不小于0.5m。

⑷钻孔见煤后，干煤芯管取样，煤样重量3.5～4㎏，不得使用循环水取芯，为确保井筒施工进度，尽量减少路途送样时间，煤样可直接送煤
•
图3 副井前探钻孔示意图
处。

6.3前探钻孔同时兼作综合指标法预测孔
煤层瓦斯压力测定方法见附录。

突出危险性预测方法：根据现场井筒涌水量较大具体情况，无法采用钻屑指标法和钻孔瓦斯涌出初速度法进行测试。

所以现场主要采用单项指标法——既瓦斯压力指标和实验室测定的煤的瓦斯放散初速度指标（△P）与煤的坚固性系数（f值）。

6.4突出危险临界值
因该矿目前尚无实际的明确指标，故按《突出细则》中规定的临界值执行。

根据单项指标值确定测定地点煤层的突出危险性。

临界指标：瓦斯压力（P）0.74Mpa；
瓦斯放散初速度指标（△P）10；
煤的坚固性系数（f）0.5。

7.揭煤措施
7.1效果检验方法
预测煤层具有突出危险性，根据现场实际情况决定采用打排放钻孔作为主要防突措施。

效果检验根据现场具体情况，由于井筒涌水量较大无法采用钻屑指标法和钻孔瓦斯涌出初速度法进行测试。

所以现场采用瓦斯压力法，既在施工排放钻孔前，在井筒工作面施工到距煤层垂距3m岩柱处向煤层打4个瓦斯压力测试孔（采用统一规格压力表），测试孔布置在排放孔之间，且距排放孔距离不小于1m，检验孔位置见排放钻孔设计图4。

效果检验指标：瓦斯压力小于0.74Mpa。

防突措施效果检验的工艺及指标采用相对瓦斯压力法，当检验的指标低于突出危险临界值，防突措施有效。

否则，表明煤层突出危险尚未消除，尚需采取补救措施，如补打排放孔或增加排放时间等，直至突出危险完全
排放钻孔在距离煤层3m处岩层内布置，排放钻孔有效控制范围为井筒轮廓线外8m。

钻孔一次穿透全煤层，钻孔直径91mm，钻孔间距0.5m×0.5m，在控制面内呈放射状均匀布孔。

排放钻孔参数见表4，布置见图4。

7.3钻孔施工
（1）因井筒断面较大，为节约打钻时间，安排2台钻机（75型或150型）同时施工。

（2）为保证施工质量，施工单位必须严格按设计施工，施工过程中，应严格控制见煤深度、钻孔深度，喷孔情况及实际钻孔参数，以确定煤层位置、产状和有无地质构造。

并根据实际钻孔参数，重新作图，若控制范围不够或钻孔间距过大，应及时补充钻孔。

（3）建立安全可靠的独立通风系统，在井筒施工中，在揭穿突出煤层的全部作业过程中，与此有关的其它工作都必须停止。

（4）从打前探钻孔开始，为防备意外揭开煤层使瓦斯喷出或发生瓦斯突出，必须保证通风机对工作面不间断供风，（风量不少于628m3/min）打钻时应经常检测瓦斯浓度，若打钻时有喷孔，使风流中瓦斯浓度超限，需停止作业，将所有施工人员撤离至地面，切断工作面范围内除扇风机以外所有电源。

表4 副井揭煤排放钻孔参数设计表
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图4 副井井筒瓦斯排放措施孔平、剖面布置图
（6）作业人员必须携带本安型矿灯和隔离式自救器。

（7）工作面安装瓦斯遥测仪，T1探头悬挂在迎头5m处，报警值为0.8%，断电值为1.2%，T2探头悬挂在井筒保护盘下回风流中，报警值为0.8%，断电值为0.8%，断电范围为井筒附近20m以内除扇风机以外所有电源。

（8）在整个揭煤过程中，必须安排专职瓦斯检查员随时测定瓦斯浓度并做好记录。

7.4瓦斯排放量考察
根据T2探头及回风量所测数据计算瓦斯排放量，以分析瓦斯排放效果。

7.5震动放炮
设计采用远距离震动放炮措施，放炮器采用大功率放炮器。

具体措施见震动爆破设计。

直接测压法的关键是钻孔封闭的质量。

直接测压的封孔方法可分为填料法和封孔器法两类。

根据封孔器的结构特点，封孔器又可分为胶圈、胶囊和胶圈—粘液等几种类型。

根据井筒施工下向钻孔的特点和尽量减少测定施工时间，测定井筒煤层瓦斯压力的方法采用水泥砂浆封孔主动测压法。

⑴测压钻孔内插入尾端带有压力表接头的1/2″镀锌铁管（长度3m），为缩短测压时间，测压室长度与煤层厚度吻合，测压管总长度要进入目标煤层内，1/2″镀锌铁管在孔口外端安设三通阀门，测压铁管每节长度视巷道宽度而定，为保证其气密性，管接头部分采用密封胶带缠绕,测压室管段焊有直径略小于钻孔直径1～2mm厚的垫板，安装时测压管端头用80目的细铜纱网包裹，以防煤屑及杂物进入堵塞管路。

⑵为防止封孔料进入孔底，待测压管安装至孔内煤层位置后，先向孔内注入聚氨酯，其容量控制在钻孔深度1m左右。

之后再向孔内注入封孔材料（采用525#硅酸盐水泥、膨胀水泥、早强剂等，水泥砂浆比1：1），经充分搅拌均匀成粘稠状，可直接注入孔内（早强剂待孔封至空口1m左右适量添加，该项工作必须指定专人负责）,并捣实。

封孔深度控制在煤层顶板岩石段内。

⑶经24h水泥浆凝固后，安上压力表（采用2.6MPa规格），为缩短测压时间向孔内注入氮气至2MPa，并详细记录压力上升与时间的关系，直到压力稳定为止（瓦斯压力值稳定在3天以上不再变化），稳定后的压力即为煤层瓦斯压力。

钻机：钻进能力75~150m （150型或200型钻机）2台；
钻具：直径42mm或直径50mm钻杆40m；
直径73mm或直径93mm钻头10个；
氮气: 2瓶(12MPa、5m3以上)
水泥：525#硅酸盐水泥 1.0t；
膨胀剂：50kg；
速凝剂：20kg；
镀锌管：1/2″管500m，管箍1/2″：200个；
压力表：3块（2.6Mpa）；
密封胶带（生料带）：30卷；
真空三通阀门：4´18个；
紫铜管：直径4mm 4m；
压力表接头：12个（加工）；
①打钻用专用工具及必要的机加工能力等。

②配备钻孔工程等的工程施工人员。

③人员配备
成立项目领导小组，组织协调项目的实施；配备2名以上的通风、地质等方面的技术人员参与项目的实施和进行部分参数的观测、记录和收集整理工作。