瓦斯突出隧道特厚煤层中安全快速揭煤施工工法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及瓦斯突出隧道特厚煤层中安全快速揭煤施工工法。

背景技术

随着国家加大对基础设施建设的投入，我国公路建设得到了迅猛的发展，目前我国高速公路建设正在向西部偏远区域腹地深入，在施工中需要穿越煤系地层的隧道也越来越多，而在煤系地层的煤层中，特别是特厚煤层，其自稳能力极差，增加了施工难度。

在目前的超前支护方法中，主要有超前锚杆、超前小导管注浆。超前锚杆和超前小导管注浆具有施工便捷、技术易掌握、机械化配套程度要求不高等优点，但支护长度小，锚杆或小导管伸入工作面前端滑动线内距离短，开挖循环进尺受限制，循环次数增加，工序交换频繁。尤其在特厚煤层中，由于煤层具有软弱易碎的特点，很容易在受外力作用时失稳冒落，而无法为锚杆和导管前端提供超前支撑作用，极易造成工作面失稳。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供瓦斯突出隧道特厚煤层中安全快速揭煤施工工法，其采用洞内管棚超前支护技术进行加固，以确保瓦斯隧道特厚煤层安全快速揭煤。具体如下：

本发明通过下述技术方案实现：

瓦斯突出隧道特厚煤层中安全快速揭煤施工工法，包括以下步骤：

步骤1，在洞内隧道揭煤工作面位置，利用潜孔钻机沿隧道断面轮廓线顶部外围环向施工中管棚导向孔；

步骤2，沿管棚导向孔推送中管棚并注浆，中管棚采用扇形布置；

步骤3，以洞外爆破的方式揭开煤层。

进一步的，所述步骤3具体包括：

管棚采用分区间施工，先钻孔施作奇数空位管棚，待注浆完成后再施工偶数孔位管棚；

其中，注浆采用分段注浆。

进一步的，浆液扩散半径不小于0.7δ，δ为相邻两根管棚的中心距离。

优选地，中管棚外插角3°。

进一步的，中管棚环向间距0.4m。

进一步优选地，管棚长度为20m，纵向两组管棚的搭接长度为5m。

优选地，所述中管棚设计参数为：

钢管规格：Φ89*6mm热轧无缝钢管，节长1m、1.5m，两端接头处为长45mm内螺纹母扣；

接头规格：Φ89*6mm热轧无缝钢管，节长150mm，两端接头处为长45mm外螺纹公扣。

进一步的，管棚采用钻机推送，送管过程中隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻管棚的接头错开0.5m。

优选地，所述潜孔钻机为JH130E型潜孔钻机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、常规管棚施工为洞口支护，保证隧道开口进洞安全，本发明基于现有洞口管棚技术，形成了一套完整的洞内超前支护工艺，解决了特厚煤层（极软弱围岩）开挖时的安全问题；

2、本发明采用潜孔钻机配套冲击器进行管棚钻进，能保证钻孔方向的精度，避免终孔出现孔斜或超出设计允许偏差，引发严重后果；

3、本发明采用压风做动力源，不需要进行防爆改装，而且体积小，重量轻，方便灵活，结合脚手架搭设可以扩大施工范围，适合于大、中型钻机无法进行作业的场所；

4、管棚材料强度高、分节安装、长度长，结合扇形骨架钻孔布置方式，可以在特厚煤层大面积暴露时形成高强度支撑屏障，防止特厚煤层（极软弱围岩）因自重而引发突出，保障多煤层安全顺利揭开。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是本发明工法的流程图；

图2是本发明的潜孔钻机的示意图；

图3是冲击器的装配图；

图4是冲击器的分解图；

图5是脚手架的示意图；

图6是洞内管棚超前支护布置的主视图；

图7是洞内管棚超前支护布置的侧视图；

图8是天城坝隧道进口左线C8煤层管棚位置关系的右帮剖面图；

图9是天城坝隧道进口左线C8煤层管棚位置关系的平面图；

图中：2-冲击器、3-定位套、4-钎杆过渡接头、6-减速器、7-支腿组件、8-电动机、9-滑架、12-升降操纵手柄、13-冲击器操纵手柄、14-倒顺开关、15-电器箱、201-外套管、202-导向套、203-前接头、204-钎头、205-后接头、206-顶头、207-逆止阀、208-弹簧、209-垫圈、210-胶圈、211-阀盖、212-阀片、213-导向管、214-阀座、215-活塞、216-气缸。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

针对揭穿瓦斯隧道特厚煤层时，煤层暴露面积大，会因为自重影响造成煤体垮冒，从而诱发煤与瓦斯突出，引发安全事故。本申请利用管棚管径大、强度高、支护效果好的特点，优化形成扇形骨架钻孔布置方式，进行超前长距离支护，构建大面积、高强度安全屏障，以防范特厚煤层诱导突出引发事故。

如图1所示，本发明公开的瓦斯突出隧道特厚煤层中安全快速揭煤施工工法，包括以下步骤：

S1，脚手架搭设。

在掌子面搭设脚手架施工平台，用于安放潜孔钻机。脚手架设扫地杆、竖立杆，逐根竖立杆并与扫地杆扣紧，安装大横杆，并与立杆扣紧，架设剪刀撑，立杆高出作业面，铺设脚手板。

S2，钻机选型。

本实施方式中采用潜孔钻机凿孔形成管棚导向孔。潜孔钻机应用冲击回转式钻进技术，即依靠高压介质往复推动活塞高速向下运动冲击钻头破碎岩石，使钻孔成孔平直，为高强度、低曲率的管棚材料提供良好的进入通道。

如图2所示，本实施方式的潜孔钻机包括回转机构、推进机构、操纵机构、冲击凿岩机构和钻架。

钻架包括滑架9和支腿组件7，支腿组件7包括至少两根伸缩支腿，伸缩支腿的上端与滑架9转动连接，使得二者之间的角度可调。在滑架9下端有供冲击器2穿过的定位套3。

回转机构：用于实现钎杆回转的部件。回转机构包括电动机8和减速箱6，电动机8与减速箱6直连，通过三级齿轮传动，最后由空心主轴传递动力，通过钎杆带动冲击器2旋转实现凿岩作业。

推进机构：用于实现钎杆的推进和提升。推进机构包括推进气缸，推进气缸固定安装在滑架9上，减速箱6和电动机8安装在滑板上，滑板与滑架9滑动连接，由推进气缸的活塞杆与滑板连接，继而可带动减速箱6、电动机8、钎杆等在滑架9上作上下往复运动从而实现钻杆4的推进和提升。

操纵机构：本发明在工作过程中的推进、提升和转钎等模式的选择和切换是通过操纵机构来完成的。

操纵机构包括操作台以及设置在操作台上的升降操纵手柄12、冲击器操纵手柄13、倒顺开关14、电器箱15等部件。

其中，升降操纵手柄12通过控制气阀的动作来控制推进机构的往复运动， 升降操纵手柄12有进、退、停三个位置。

冲击器操纵手柄13控制冲击器2的开停，通过控制气阀的动作来控制冲击器2的运动，有开和关两个位置。

电动机8正反转由倒顺开关14控制接触器进行。

冲击凿岩机构：冲击凿岩是由冲击器2来完成的， 冲击器是潜孔钻机钻进中的关键组成部分，用于提供轴向往复碎岩冲击力。

空气压缩机压缩的空气由输气管道进人操纵台气管，并经控制气阀、空气胶管和钎杆等进人冲击器2内部，推动活塞作往复运动，钎头204破碎岩石，而冲击器的废气则从钎头缺口处喷射出来，并将岩渣从孔底排出孔外。在回转机构的带动下，钎头204不断旋转更换角度，从而在岩石上凿出圆形爆破孔，同时在推进机构的作用下，爆破孔不断向下延伸。

本实施方式的潜孔钻机可配用CIR65、80、90、110型冲击器，钻凿直径为 68-130mm的爆破孔。如图3、图4所示，90A型的冲击器2包括外套管201、导向套202、前接头203、钎头204、后接头205、顶头206、逆止阀207、弹簧208、垫圈209、胶圈210、阀盖211、阀片212、导向管213、阀座214、活塞215、气缸216等。值得一提的是，图3虽为分解图但并未示出冲击器2的所有零部件。冲击器2是现有的，此处不再对冲击器2的结构进行赘述。

其中，冲击器2的工作原理是：依靠高压气体往复推动活塞209高速向下运动冲击钎头204破碎岩石。首先，高压气体通过后接头205的中心孔推开逆止阀207以后分为两路，一路通过调气塞进入配气座中心孔，再沿气缸216内孔、活塞内孔、钎头2内孔到达钻孔孔底，实现吹渣，使岩渣排出孔外；另一路即高压气体的主要部分通过配气座的轴向孔、气缸216的进气孔进入外套管201与气缸216之间的间隙。高压气体进入前部由活塞215、导向管213、钎头204、外套管201等共同形成的回程气室，再由回程气室内的高压气体推动活塞209向后运动（后接头205一端为后，前接头203一端为前）。当活塞209运动到大端内孔与钎头204上的钎尾管脱离时，高压气体通过钎尾管、钎头204中心孔到达孔底，与从调气塞过来的高压气体汇合，共同完成吹渣作用。此时、气体压力迅速下降，而与此同时，由于活塞209回程运动关闭了回程进气通道，活塞209靠惯性力继续回程运动，直到活塞215的惯性力与活塞215进气压力形成的冲程力平衡时，活塞215才停止返程运动，在冲程压力作用下进行冲程运动打击钻头而做功，完成破岩工作。当冲程运动快要接近钎头204时，则回程进气通道打开、又开始活塞215的回程准备工作，如此住复，完成潜孔钻机的钻进工作。

S3，潜孔钻机安装。

如图5所示，利用手拉葫芦将潜孔钻机提起，按所需角度固定在脚手架上，然后调整钻机的孔向。

S4，凿孔作业。

为保证顺利管棚跟进施工，确保管棚安装位置准确，对设计管棚孔位进行首次不小于管棚直径的导向孔施工。作用为保证顺利管棚跟进施工，确保管棚安装位置准确；在钻头后端安装导向钻杆，确保导向孔位置及角度精确。

施工时，在钻头后端安装导向钻杆，确保导向孔位置及角度精确。

凿孔前应对掌子面采取喷浆或其它有效的方式进行加固，还应保证风量满足要求，确保瓦斯浓度低于0.5%，保证供水压力0.8~1.2MPa，供风压力0.5~0.8 MPa。钻眼深度一般为20m，钻眼直径100mm。

开孔时，先打开空气压缩机，待转运正常后扳动升降操纵手柄12，使其得到适当的推进力，然后再扳动冲击器操纵手柄13到工作位置。

在另一个实施例中，冲击器2还连接有水管，水管可通过三通接入气管，水管上安装有水阀，凿岩工作以后，打开水阀和气阀，使气水混合物保持在有适当的比例，一般以出水呈雾化状即可，然后进行正常的凿岩工作。

当推进工作使钎杆过渡接头4移动到与定位套3相碰时，为钻完一根钎杆。此时，停止电动机8运转和停止给冲击器送气、送水，把叉子插到定位套3的钻杆槽中，使滑板后退，使接头与钻杆脱开，再接第二根钻杆，按此步骤循环连续工作。

本发明采用潜孔钻机，应用冲击回转式钻进技术，即依靠高压气体往复推动活塞高速向下运动冲击钻头破碎岩石，使钻孔成孔平直，为高强度、低曲率的管棚材料提供良好的进入通道，形成高强度、大面积保护屏障后，再进行煤层增透快速揭穿煤层。

S5，中管棚选型。

本实施例中的中管棚设计参数：

（1）钢管规格：Φ89*6mm热轧无缝钢管，节长1m、1.5m的两种长度钢管，两端接头处为长45mm内螺纹母扣；

（2）接头规格：Φ89*6mm热轧无缝钢管，节长150mm，两端接头处为长45mm外螺纹公扣。

本发明中的管棚材料分节为十字空心带入钻头，1m、1.5m两种长度套管，中间采用螺纹丝扣连接。特点是简单快捷，便于安装，管棚长度可根据地质情况自行调节。

S6，超前支护。

管棚施作前，预先对待揭煤体采取水力压裂增透抽采消除煤体突出危险。

如图6、图7所示，本实施例中的管棚采用扇形布置，外插角取3°，环向间距取0.4m，管棚长度为20m，纵向两组管棚的搭接长度为5m。

管棚采用分区间施工，先钻孔施作奇数孔位管棚，待注浆完成后再施工偶数孔位管棚，以便检查奇偶数孔位注浆效果。注浆采用分段注浆，浆液扩散半径不小于0.7δ（δ为相邻两根钢管中心距离）。管棚注浆采用水泥浆液(添加水泥浆液体积5％的水玻璃)，水泥浆水灰比1:1，水玻璃浓度35波美度，水玻璃模数2.4，注浆压力为初压0.5～1.0MPa、终压2.0MPa。

管棚采用钻机推送，送管过程中隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管的接头须错开0.5m。

注浆结束后及时清除管内浆液，并用M30水泥砂浆密匙填充，以增强管棚的刚度和强度。

S7，快速揭煤。

待管棚施工结束后，撤出洞内人员，切断洞内电源，以洞外爆破的方式揭开煤层。

其中，钻机就位、安装必须水平，钻机就位后经检验钻头对位情况，合格后，才可开钻。钻头在使用前，应检验钻头直径及焊缝，以确保成孔直径满足设计要求。管棚钻眼允许偏差-0.1m，管棚安装接头错距允许偏差±0.1m。

成孔过程中，应认真执行操作规程，并根据钻渣的变化判断地层，根据地层状况调整泥浆的性能，保证成孔速度和质量。

本发明的社会效益：本发明解决了超厚煤层揭露时，由于暴露面积大，因自重垮落引发煤与瓦斯突出等重大瓦斯灾害的难题，能有效防止煤与瓦斯突出事故的发生，实现安全生产，保护人员生命财产安全，利于企业和谐稳定可持续发展；同时本发明具有技术先进性，施工过程安全性、机械化程度较高、揭煤防突过程控制准确的优点，将隧道超厚煤层防突作业推向了一个新的高度，也为进一步树立企业的品牌形象，起到良好的推动作用。

本发明的经济效益：本发明钻孔作业过程中岩层钻进采用潜孔钻机钻进相对普通冲击钻施工作业，工效较高，节省工期，且成孔质量较优；采用中管棚支护长度大，增大了开挖循环进尺，减少了循环次数，节省了工序交换时间。

安全才是本发明最大的效益，采用本发明方法施工能够最大限度的保证隧道特厚煤层揭煤施工安全。当然，本发明同样广泛适用于极软弱围岩洞内开挖施工、洞内塌方、冒顶等事故处理。

应用实例与效果验证

本发明成功应用于天城坝隧道特厚煤层揭煤施工。

天城坝隧道为煤与瓦斯突出隧道，按左、右线分离式设计，共需穿越9～13层煤，左线煤系地层范围ZK110+286.5~ZK110+485，含煤9~13层，自上而下编号为C5、C6、C7（含C7-1、C7-2、C7-3）、C8（含C8-1a、C8-1b、C8-2）、C11和C12。根据超前钻勘探资料分析，C8-1a煤层真厚2.49m，C8-1b煤层真厚0.31m，C8-2煤层真厚11.19m，C8煤层总厚13.99m，隧道洞身需穿越C8煤层达到了30m以上如图8、图9所示。揭C8煤层作业段范围围岩类别属Ⅳ类围岩，岩性为灰~灰褐色薄层状泥岩、砂质泥岩、砂岩，黑色炭质页岩，由于岩性为薄层状砂泥岩，岩石强度较低。目前超前锚杆、超前小导管支护方法对施工造成了巨大困难。

根据天城坝隧道进口左线C8煤层揭煤作业段工程地质情况，本次洞内管棚采用扇形布置，扇形中心角125°左右。

外插角取3°，环向间距取0.4m，管棚长度为20m，纵向两组管棚的搭接长度为5m。

洞内管棚选用Φ89*6mm热轧无缝钢管，节长1m、1.5m，两端为长45mm内螺纹母扣，采用两端为长45mm外螺纹公扣的接头连接，隧道纵向同一横断面的接头数不大于50％。

本实例主要的机械设备配置如表1所示。

表1：机械设备配置表

JH130E型潜孔钻机适用于中小型矿山及国防、水利、筑路、石方工程中的凿岩作业，是一种新型、高效、半机械化的凿岩设备。有结构简单、使用轻便、辅助时间短、重量轻、造价低等特点。

洞内管棚于2020年8月6日开始施工，8月20日施工完成，共计注入水泥362包，竣工参数如表2所示。

表2：天城坝隧道进口左线C8煤层洞内管棚竣工参数表

左线C8煤层通过采用中管棚超前支护技术于2020年9月15日顺利揭开，截止2020年9月30日已顺利揭穿洞身方向C8煤层11.2m，掌子面里程为ZK110+358.8m。

天城坝隧道左洞揭煤长度49m，右洞揭煤长度42m，合计91m.

传统工艺施工每天进尺1循环0.6m，开挖共用时间152天（5个月）；

采用本发明方法施工可达到2天进尺3循环，每循环0.6m，开挖共用时间101天（3.3个月）；

工期投入成本降低：（5-3.3）×650=1105（万元）

管棚施工总延米：4680m；管棚施工单价：170元/m；管棚材料：130元/m。

施工成本增加：4680×（170+130）=140.4万元；

节约成本：1105-140.4=964.6万元。

本发明工法相比常规瓦斯治理技术，可缩短工期1.7个月，按平均每月投入生产成本650万元计算，可节约964.6万元元生产成本。

通过现场应用表明，洞内管棚超前支护技术在天成坝隧道特厚煤层揭煤中是适用的、可行的，有效地防止了因煤层自重影响而造成煤体垮冒从而诱发突出，杜绝了事故的发生，消灭了安全隐患。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。