煤与瓦斯突出矿井石门揭煤综合防突技术与全流程安全控制：区域验证指标测定、金属骨架固砂与远距离震动放炮指南

适用读者： 煤矿矿长、总工程师、防突副总、通风副总、防突科长、打钻工程队负责人、安监科长

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持

一、石门揭煤地质力学灾变机理与重大风险研判

石门揭穿突出煤层是井巷开拓工程中诱发特大瓦斯动力灾害的核心高危作业面。在巷道掘进至煤层法向距离不足 $5\text{ m}$ 时，由于工作面顶底板和前方坚硬岩柱的约束作用被逐步削弱，前方煤体承受的原岩应力与构造应力迅速在石门迎头集中，应力集中系数往往高达 $2.5 \sim 3.5$。

[石门迎头逐步逼近煤层] 
         ↓ (保留法向距离逐步减小，前缘坚硬岩壳产生剪切扰动)
[高集中支承应力向煤体前沿传递] 
         ↓ (煤体发生塑性屈服与微裂隙急剧发育，吸附瓦斯瞬态解吸)
[游离瓦斯高压形成巨大孔隙压力梯度] 
         ↓ (前驱岩柱抗剪强度达到极限，产生贯通性剪切滑移破坏)
[高压瓦斯膨胀能猛烈释放] 
         ↓ (破碎煤体被高速瓦斯流流态化抛出，形成特大石门揭煤突出灾害)

在突出形成过程中，地应力是诱发初始破坏的引擎，而赋存在微孔隙中的高压瓦斯膨胀能则是粉碎煤体并将其喷射抛出的主动力源。根据弹性力学与瓦斯动力学理论，煤体发生失稳破坏的极限平衡方程可表述为：

其中 $\sigma_1$ 和 $\sigma_3$ 分别为迎头煤岩主应力，$C$ 为煤体黏聚力，$\varphi$ 为煤体内摩擦角，$p$ 为煤层游离瓦斯孔隙压力。随着石门迎头逐步推进，$p$ 的存在显著降低了有效正应力，导致煤岩剪切破坏极限急剧降低。如果未采取严格的抽采卸压与围岩加固措施，一旦爆破破坏了剩余岩柱，受高压瓦斯包围的松软煤体将瞬间发生连续剥离破坏，造成数百甚至数千吨煤炭及数十万立方米高浓度瓦斯逆风流喷出，严重威胁全矿井生命财产安全。

二、揭煤前地质精细探查与突出危险性预测模型

2.1 超前探煤钻孔群立体设计规范

石门在掘进至距离煤层法向距离 $10\text{ m}$（地质构造复杂、煤层厚度变化大时为 $20\text{ m}$）之前，必须停止掘进并构筑止浆防突防爆墙，施工前瞻性地质探查钻孔。

探煤钻孔必须呈放射状扇形布置，严格控制不少于 3 个探孔穿透煤层全厚并进入顶（底）板岩层 $0.5\text{ m}$ 以上：

• 中心孔 1#：沿巷道轴线水平前打，精确测定迎头与煤层底板（顶板）的垂向及法向距离；
• 左帮孔 2# 与 右帮孔 3#：分别偏向巷道轮廓线外 $5\text{ m} \sim 8\text{ m}$，探明煤层走向、倾向、倾角变化及断层落差。

2.2 突出危险性多指标联合预测与临界判据

在保留足够安全岩柱的条件下，必须在石门迎头施工预测孔测定瓦斯压力及煤体物理力学参数：

其中 $\Delta h_2$ 为钻孔解吸指标（$\text{Pa}$），$K_1$ 为钻屑瓦斯解吸衰减系数（$\text{mL}/(\text{g}\cdot\min^{0.5})$），$P_{res}$ 为残余瓦斯压力（$\text{MPa}$），$f$ 为煤的坚固性系数。

三、区域与局部综合防突工程体系与固砂加固工艺

3.1 密布交叉网状预抽钻孔设计与高效增透

当石门揭煤预测具有突出危险性时，必须实施区域预抽煤层瓦斯防突措施。预抽钻孔必须覆盖石门轮廓线外至少 $12\text{ m}$（薄及中厚煤层）或 $20\text{ m}$（厚煤层）的控制范围。

预抽钻孔设计关键控制要素：

1. 钻孔孔径与排距：主抽孔孔径 $\Phi 113\text{ mm} \sim \Phi 133\text{ mm}$，孔间距控制在 $1.0\text{ m} \sim 1.5\text{ m}$，呈梅花形交叉布置；
2. 水力割缝复合增透：在极松软、低透气性煤层中，采用超高压脉冲水射流进行定点旋转割缝（切缝压力 $40 \sim 50\text{ MPa}$，单刀割缝时间 $15\text{ min}$），使钻孔单孔瓦斯抽采纯量提升 $3.5 \sim 5.0$ 倍；
3. 带压密封与高负压抽采：封孔段长度不得小于 $8.0\text{ m}$，采用“两堵一注”微膨胀水泥注浆封孔工艺，抽采管路接入矿井高负压抽采干管（孔口负压 $\ge 25\text{ kPa}$），抽采考核达标周期一般不小于 $30 \sim 60$ 天。

3.2 超前金属骨架与高压渗透注浆固砂固结

在松软破碎煤层（$f \le 0.5$）石门揭煤过程中，为防止煤体在爆破扰动下发生冒落和诱导突出，必须实施“金属骨架 + 高压渗透注浆”联合固结工程。

                       【石门巷道顶部】
   ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
   │ 金属骨架无缝钢管 (Φ89mm, 壁厚6mm, 内插钢筋笼并高压注浆)  │
   │ ═══════════════════════════════════════════════════════ │
   │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ 超前固结化学/无机微膨胀浆液固砂体 ▓▓▓▓▓▓▓▓ │
   │                                                         │
   │            【石门迎头待揭突出煤层工作面】               │
   │                                                         │
   │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ 底部防滑移反压锚固托架 ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ │
   │ ═══════════════════════════════════════════════════════ │
   └─────────────────────────────────────────────────────────┘
                       【石门巷道底板】

#### 金属骨架施工与注浆技术参数对照表

四、远距离震动爆破安全揭穿与全断面爆破设计 SOP

当区域防突效果检验全部达标、金属骨架与注浆固结龄期满足设计要求后，最后揭开煤层必须采用远距离全断面震动爆破一次揭穿。

4.1 震动放炮药量计算与炮孔参数设计

震动爆破的物理本质是通过高能炸药诱发的强动载应力波，一次性震碎迎头剩余岩柱并震动煤体，若仍有局部残余突出隐患则迫使其在无人状态下诱导释放，确保人员与系统本质安全。

总装药量计算公式：

其中：

• $Q_{total}$：全断面一次震动起爆总装药量（$\text{kg}$）；
• $K_{ind}$：震动放炮超量系数（一般取 $1.5 \sim 2.2$）；
• $V_{rock}, V_{coal}$：分别为爆破破除的岩石体积与揭入煤层体积（$\text{m}^3$）；
• $q_0, q_c$：岩石与煤层的单位单耗（硬岩取 $1.2 \sim 1.6\text{ kg/m}^3$，煤层取 $0.8 \sim 1.1\text{ kg/m}^3$）。

#### 炮孔布置与延期起爆时序

[掏槽眼 (中心垂直掏槽, 1段毫秒雷管, 装药系数 70%)] 
         ↓ (爆破瞬间形成核心自由面)
[辅助扩槽眼 (2~3段毫秒雷管, 装药系数 60%)] 
         ↓ (向周边均匀扩展粉碎岩柱)
[周边光面眼 (4段毫秒雷管, 严格控制线装药密度)] 
         ↓ (形成平整巷道轮廓，避免超挖与顶板扰动)
[深部探煤震动眼 (5段毫秒雷管, 深入煤层内部 1.0~1.5m)] 
         ↓ (剧烈震动深部煤体，彻底完成全断面一次爆破揭全厚)]

4.2 震动爆破安全保障与全流程 SOP 控制

【SOP 步骤 1：系统风流调控与气体隔离】
- 开启石门揭煤专用独立回风巷道，回风系统严禁人员作业；
- 检查并闭锁 2 道防突反向风门（正反向风门间距 ≥ 5.0m，门扇耐压 ≥ 0.2MPa）；
- 启动风门自动气幕装置，确保回风瓦斯不串入进风系统。

【SOP 步骤 2：全井人员撤离与警戒布设】
- 全矿井受石门揭煤影响区域（进风流、回风流及相邻采区）全部断电撤人；
- 地面及井下设置 4 道警戒线，爆破地点与起爆点直线距离 ≥ 1000m（或设于地面调度室）；
- 井下避险人员全部进入压风自救避难硐室，严禁在回风侧停留。

【SOP 步骤 3：起爆与瓦斯连续监测】
- 采用专用高能起爆器在地面或安全起爆站实施远程网络起爆；
- 连续监测石门迎头、回风巷及回风井筒瓦斯传感器读数；
- 爆破后等待时间不少于 30 分钟，且瓦斯浓度降至 0.8% 以下方可派救护队进风侦察。

【SOP 步骤 4：专业救护队侦察与现场验收】
- 矿山救护队员佩戴正压氧气呼吸器进入石门迎头，检查通风、支护及冒落情况；
- 确认无突出、无残炮、顶板稳定后，逐步恢复动力电源与现场常规作业。

五、典型突出矿井石门揭煤工程实践与效果对账

5.1 工程背景与地质条件

某高瓦斯突出矿井新建东翼轨道石门（断面 $18.6\text{ m}^2$），在埋深 $680\text{ m}$ 处穿过 3# 突出煤层。该煤层平均厚度 $4.8\text{ m}$，倾角 $16^\circ$，煤层原始瓦斯压力 $2.1\text{ MPa}$，原始瓦斯含量 $16.8\text{ m}^3/\text{t}$，煤体破坏类型为 IV 类极软构造煤（坚固性系数 $f = 0.32$），具有极高突出危险性。

5.2 实施成效与定量参数对账

项目严格实施“前瞻探测 → 大直径水力割缝抽采 → 超前金属骨架注浆 → 远距离震动爆破”全流程控制。

#### 石门揭煤治理前后关键防突指标对比表

六、石门揭煤全流程资料清单与迎检自查台账

6.1 专项报批与施工技术资料清单

• 《石门揭穿突出煤层专项防突设计方案》（经集团公司总工程师及外部专家组联合签字批复）
• 测压钻孔施工日志、主动注浆测压曲线与连续 7 天压力稳定台账
• 探煤孔测斜记录表、孔内窥视全景视频与煤岩层空间三维剖面图
• 抽采钻孔施工档案、割缝作业参数表及单孔高负压抽采纯量监测曲线
• 区域效果检验孔检测报告（含 $K_1$、$\Delta h_2$、$S$、$f$ 原始检测单）
• 金属骨架加工合格证、注浆材料出厂化验单与高压注浆终压记录表
• 震动爆破专项安全技术措施及火工品领退审批单
• 全矿井反向防突风门耐压检测报告与独立回风系统风量核算书

6.2 迎检现场自查与异常处置标准表

检查要点	规范标准要求	常见违规缺陷	现场立即整改措施
岩柱厚度控制	最小法向距离 $\ge 5.0\text{ m}$ 且必须有探孔验证	仅凭单孔推断距离，未测斜	立即停掘，补打 3 个测斜探孔精准定位
效果检验取样	检验孔必须均匀分布在抽采盲区与薄弱区	检验孔打在抽采孔附近弄虚作假	重新在最不利几何间距中心布设检验孔
骨架注浆封堵	必须压注微膨胀结石体，无跑浆漏浆	仅插钢管不注浆或常压注浆跑浆	补打超前注浆管，采用双液快凝高压复注
反向风门闭锁	爆破时 2 道反向风门必须严密关闭并闭锁	风门漏风、门框未掏槽生根	重新浇筑混凝土门框，密封胶条全断面更换

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七、常见问题 FAQ

Q1：石门揭煤过程中，为什么即使瓦斯抽采达标了，还必须打金属骨架和注浆？

答： 瓦斯抽采达标（$P < 0.74\text{ MPa}$、$W < 8\text{ m}^3/\text{t}$）仅消除了瓦斯内能膨胀的主动力，但对于松软破碎煤层（$f \le 0.5$），在石门卸压爆破过程中，前方煤体在上覆高地应力作用下极易发生大面积机械垮落与片帮。一旦发生冒顶，上部高浓度瓦斯积聚区暴露并与新鲜风流混合，仍可能引发次生瓦斯超限或冲击。金属骨架与高压注浆能将松散煤体胶结成整体“人造硬壳”，有效支撑顶底板围岩，阻断煤岩垮落连锁反应。

Q2：震动爆破一次揭全厚和分次揭煤各有什么优缺点？

答： 国家《防治煤与瓦斯突出细则》明确提倡全断面震动爆破一次揭穿煤层全厚。一次揭全厚能将所有爆破扰动与潜在诱导突出集中在全井无人撤离状态下完成，杜绝了分次爆破时人员反复进入残余危险区造成的巨大风险。分次揭煤仅适用于特厚煤层无法一次穿透的特殊情况，且每次爆破前必须重新进行区域验证与安全防护。

Q3：测压钻孔由于岩层裂隙漏气导致瓦斯压力测不准怎么办？

答： 传统机械充气胶囊封孔极易因周边围岩微裂隙发生漏气。必须采用“主动式双囊袋带压注浆封孔工艺”，使用高标号超细膨胀水泥浆，在囊袋膨胀隔离后以高于预计瓦斯压力 $1.5 \sim 2.0\text{ MPa}$ 的注浆压力向两囊袋间注入浆液，强行劈裂并充填钻孔周围所有岩石微裂隙，形成致密的人造阻气屏障，确保测压数据绝对真实可靠。

Q4：石门揭煤远距离爆破时，起爆地点选在地面还是井下避难硐室更安全？

答： 在智能化矿山建设体系下，首选地面调度室远程电控起爆。地面起爆彻底实现了人员全流程撤离至井口安全区，消除了井下冲击波、有害气体及通风系统反向对人员生命的威胁。若条件受限必须在井下起爆，起爆地点必须位于进风主流中的坚固反向风门外、距离爆破地点 $\ge 1000\text{ m}$ 的压风自救避难硐室内。

Q5：如何精准判断石门揭煤是否成功，后续掘进何时可以恢复常规作业？

答： 震动爆破后经专业救护队侦察，确认工作面巷道轮廓完整成形、无残炮、顶底板支护良好、瓦斯浓度稳定在安全范围内，且巷道两帮及迎头煤体法向已完全露出顶（底）板坚硬岩石 $0.5\text{ m}$ 以上。随后施工 2 组验证孔测定残余指标均无异常，方可经矿总工程师现场验收签字后恢复正常支护与采掘循环。

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参考依据

1. 《煤矿安全规程》（国家矿山安全监察局 2024 年最新修订版）
2. 《防治煤与瓦斯突出细则》（应急管理部令第 3 号）
3. GB 50471-2018《煤矿封孔注浆技术规范》
4. AQ 1024-2016《煤矿瓦斯抽采基本指标及评判方法》
5. MT/T 1070-2008《煤与瓦斯突出矿井石门揭煤综合防突技术规范》

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关于作者

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司，矿山智能化与重大灾害防治解决方案高级专家。长期深耕陕北神木、榆林、山西及内蒙古等煤矿一线，专注于煤与瓦斯突出综合防治、石门揭煤全流程技术把控、大直径定向钻孔抽采设计与矿山灾害智能预警体系搭建。技术设计与工程验证依托中国矿业大学科研团队权威支持。

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下一步行动指南

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声明：文中工程数据与技术参数根据真实矿区工程案例脱敏整理，具体矿井工程实施需结合矿井实测瓦斯地质及力学参数进行专项设计。