突出煤層掘進(jìn)防突技術(shù)研究1前言

煤與瓦斯突出（以下簡(jiǎn)稱(chēng)突出）是煤礦井下采掘生產(chǎn)過(guò)程中一種極其簡(jiǎn)單的動(dòng)力現(xiàn)象。討論表明：在煤巷掘進(jìn)工作面，煤體支承的上覆巖層自重應(yīng)力向四周煤體轉(zhuǎn)移，形成遠(yuǎn)大于煤體單向抗壓強(qiáng)度的支承應(yīng)力，其性質(zhì)為剪切應(yīng)力，使四周煤體受到破壞，發(fā)生流變，形成靠近工作面處肯定長(zhǎng)度的卸壓帶，卸壓帶范圍內(nèi)的煤體只承受自重應(yīng)力，所含瓦斯得到充分放散，煤體已經(jīng)失去突出危急，并且阻礙前方煤體的突出。卸壓帶內(nèi)煤體隨著變形持續(xù)向深部進(jìn)展，在肯定深度范圍內(nèi)，煤體受力與變形相關(guān)變化，處于動(dòng)平衡直至臨界平衡狀態(tài)，煤體受壓縮，積蓄很高的彈性潛能，地應(yīng)力和瓦斯壓力增高，透氣性下降，瓦斯難以釋放，形成應(yīng)力集中帶。在煤體深部，隨著流變變形的停止而漸漸進(jìn)入原始應(yīng)力帶。

一方面，只要掘進(jìn)工作面前方卸壓帶長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，每次爆破掘進(jìn)后的瞬間，工作面前方仍有足夠長(zhǎng)的卸壓帶來(lái)阻擋有突出危急的煤體，突出就不會(huì)發(fā)生。當(dāng)卸壓帶變短、應(yīng)力集中帶靠近掘進(jìn)工作面時(shí)，工作面四周煤體處于極限平衡狀態(tài)，瓦斯壓力梯度增高，掘進(jìn)作業(yè)會(huì)破壞煤體的極限平衡狀態(tài)，破壞面以里的煤體連續(xù)剝離，暴露出新奇面，高速破裂，瓦斯由已破裂有煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把粉碎煤拋向巷道，造成瓦斯突出。

另一方面，在突出預(yù)備階段，破壞煤的基本動(dòng)力是彈性潛能釋放轉(zhuǎn)化的動(dòng)能。其能量大小與煤的彈性有關(guān)，隨著彈性增大，工作面四周的彈性能量增大。由于煤質(zhì)不同，其潛能釋放方式也不同，當(dāng)煤遭到脆性破壞，能量快速、突然釋放；煤塑性強(qiáng)時(shí)，能量大部分消耗于漸漸變形及平緩的變形。

焦作礦區(qū)絕大多數(shù)突出與軟煤分層有關(guān)，軟煤是突出的主要發(fā)源地。筆者認(rèn)為，要想避開(kāi)煤巷突出，應(yīng)從兩個(gè)方面實(shí)行措施：

一是對(duì)圍巖和煤體進(jìn)行卸壓，降低瓦斯壓力，轉(zhuǎn)移地應(yīng)力；

二是增加煤塑性，重點(diǎn)消退軟煤分層突出威逼。

焦作礦區(qū)是一個(gè)具有嚴(yán)峻突出危急的礦區(qū)，隨著礦井開(kāi)采濃度的增加，特殊是掘進(jìn)工作面瓦斯突出危急性越來(lái)越嚴(yán)峻，松動(dòng)爆破、超前暴露出適用范圍局限、措施重復(fù)率高、占用時(shí)間長(zhǎng)、措施成本高等缺點(diǎn)，嚴(yán)峻制約著掘進(jìn)速度的提高，造成采掘比例失調(diào)，該礦區(qū)部分巷道措施狀況如表1所示。

表1焦作礦區(qū)部分礦井突出地區(qū)掘進(jìn)狀況

見(jiàn)表

突出不僅嚴(yán)峻威逼煤礦平安生產(chǎn)，而且制約煤礦生產(chǎn)力量的發(fā)揮。防突技術(shù)措施工序簡(jiǎn)單，造成煤巷掘進(jìn)速度緩慢。突出后處理事故時(shí)間很長(zhǎng)，影響了正常的采掘接替，嚴(yán)峻制約礦井的生產(chǎn)力量。

2中高壓注水綜合措施防突作用機(jī)理

中高壓注水綜合防突措施就是：巷道兩側(cè)布置長(zhǎng)鉆孔抽放工作面前方及兩側(cè)煤體瓦斯，向掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力集中帶內(nèi)打短鉆孔進(jìn)行中高壓注水。

該措施是邊掘邊抽鉆孔提前抽放瓦斯，增大煤體透水性。有利于煤層注水；較高的壓力水壓裂破壞煤體，增加煤體透氣性，提高瓦斯抽放效果。

煤的孔隙性打算煤吸附瓦斯的力量和煤的滲透特性。水分了具有明顯的極性，水分子間和水煤分子間的相互作用，大于甲烷和煤分子間的相互作用，簡(jiǎn)單被煤所吸附，以多分子層形式吸附在煤的內(nèi)表面，形成煤-水-甲烷體系平衡狀態(tài)。當(dāng)該平衡遭到破壞時(shí)，煤吸水的堅(jiān)固性和吸住的水量超過(guò)甲烷，從而削減煤中的瓦斯量。煤中水分增加，煤抗壓強(qiáng)度和彈性模數(shù)顯著減小，塑性增加。

水在煤層中流淌主要表現(xiàn)為在裂隙和大孔中進(jìn)行的滲透過(guò)程，在微孔中主要表現(xiàn)為流體的集中，從而擠出瓦斯。用很高壓力注水時(shí)，液體不會(huì)使煤體裂開(kāi)，煤層將沿已有的減弱面-裂縫裂開(kāi)，水以超過(guò)煤層自然汲取力量的流量進(jìn)行注水，導(dǎo)致裂縫的放開(kāi)和擴(kuò)展，消退煤體不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，降低近工作面部分的承壓力量，增加臨界狀態(tài)帶深度，并把集中應(yīng)力帶推向煤體深處。

通過(guò)討論和試驗(yàn)表明，中高壓注水綜合防突措施具有以下防突效果：

（1）高墳水漸漸使煤體裂開(kāi)，使應(yīng)力集中帶前移，增加了巷道卸壓帶長(zhǎng)度。

（2）高壓水通過(guò)軟煤分層時(shí)攜帶煤泥在煤層中運(yùn)動(dòng)，并順煤層的裂縫向巷道空間或鉆孔拔出，使煤體疏松，提高煤層透氣性，瓦斯壓力梯度降低。

（3）水封閉瓦斯流淌通道，使瓦斯由吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)更加困難。

（4）煤體潮濕，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，彈性模數(shù)降低，增加煤體塑性，應(yīng)力分布勻稱(chēng)。

（5）邊掘邊抽鉆孔準(zhǔn)時(shí)抽出工作面正前瓦斯，同時(shí)截流抽放前方兩側(cè)煤體的瓦斯，擴(kuò)大了措施掌握范圍，有效防止瓦斯突出。

3中高壓注水綜合防突措施

3.1措施布置

中高壓注水綜合防突措施即邊掘邊抽與中高壓注水相結(jié)合的措施，在巷道兩幫邊掘邊抽鉆場(chǎng)抽放正前煤體瓦斯的同時(shí)，掘進(jìn)工作面實(shí)行中高壓注水措施。

措施效果檢驗(yàn)超標(biāo)時(shí)幫助以φ42mm排放鉆孔，直至措施效檢有效后，留出效檢超前距采納遠(yuǎn)距離放炮平安防護(hù)措施進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

正前中高壓注水措施，依據(jù)煤層給予特點(diǎn)，布置注水鉆孔3～5個(gè)，掌握掘進(jìn)工作面前方有突出危急的煤體。注水孔孔口位置在硬煤中，終孔點(diǎn)落至軟煤分層。鉆孔方向沿巷道軸線方向，以免破壞兩幫抽放鉆孔。

注水孔孔徑φ42mm，孔深8m；封孔深度3m；注水壓力依據(jù)煤層埋藏濃度及煤體結(jié)實(shí)性系數(shù)確定，一般選擇10～12MPa。巷道兩幫各布置3～5個(gè)30～50m而直徑為90的抽放鉆孔，鉆孔平行掘進(jìn)方向，距巷道輪廓線為1.5～3.0m。

3.2中高壓注水系統(tǒng)布置

依據(jù)中高壓注水措施的特點(diǎn)，焦作煤業(yè)集團(tuán)科研所在試驗(yàn)過(guò)程中，討論了耐高壓、易操作、性能牢靠的AFS型水力自動(dòng)封孔煤注水器，并獲得了國(guó)家創(chuàng)造專(zhuān)利，完善了中高壓注水操作系統(tǒng)，詳細(xì)布置如圖1所示。

圖1中高壓注水系統(tǒng)布置圖

3.3中高壓注水措施考察

3.3.1邊掘邊抽措施的考察

在試驗(yàn)期間，隨巷道掘進(jìn)測(cè)試注水前后的邊掘邊抽鉆孔的抽放參數(shù)，并繪制曲線圖（見(jiàn)圖2）。圖2表明：中高壓注水期間，巷道兩幫抽放孔明顯受到影響。

圖2中高壓注水防突邊掘邊抽措施考察

據(jù)統(tǒng)計(jì)：注水前鉆孔瓦斯抽放量為0.0131～0.0706m3/min，平均為0.0316m3/min，平均為0.03835m3/min，鉆孔抽放量增加平均達(dá)21.4％以上，個(gè)別孔甚至成倍增加。

3.3.2中高壓注水考察

討論過(guò)程中，對(duì)中高壓注水措施的主要參數(shù)進(jìn)行了考察和統(tǒng)計(jì)。從表2可看出，在煤層賦存條件相同、埋藏濃度相近的狀況下，注水壓力，注水時(shí)間基本相同。

注水時(shí)間、注水量與注水孔間距有關(guān)，相同的注水壓力下，間距越小，注水時(shí)間越短，注水量越少；間距相近，注水時(shí)間、注水量隨注水壓力上升而上升，但注水壓力過(guò)高反而又下降（見(jiàn)圖3）。

圖3注水期間流量、壓力和時(shí)間的關(guān)系圖

在注水期間，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀，直觀反映出中高壓注水作用于煤體是漸漸壓裂破裂。

通過(guò)對(duì)中高壓注水鉆孔實(shí)際影響范圍進(jìn)行的考察和統(tǒng)計(jì)表明：中高壓注水鉆孔橫向影響半徑可達(dá)1～1.4m，沿縱向影響濃度則可超前鉆孔2m。同時(shí)，通過(guò)表2可看出，中高壓注水可使煤體產(chǎn)生明顯的位移。

表2中高壓注水試驗(yàn)參數(shù)

類(lèi)別

注水時(shí)間

（min）

注水壓力

（MPa）

注水量

（m3）

順層影響

范圍（m）

沿層影響

范圍（m）

煤體位移

（mm）

演馬莊礦25071運(yùn)輸巷

28

10～12

1.0

1.10

0.94

20～400

位村礦14121上風(fēng)道

50

8～18

1.1

1.37

1.00

20～100

位村礦14121下風(fēng)道

49

8～18

－

1.38

1.10

20～110

通過(guò)對(duì)注水掘進(jìn)工作面瓦斯涌出觀測(cè)，得到以下瓦斯涌出規(guī)律：注水后掘進(jìn)期間瓦斯涌出量明顯降低，炮后瓦斯?jié)舛冉档?，且下降速度變快?/p>

4中高墳注水綜事防突措施實(shí)踐

從2021年開(kāi)頭，先后在朱壓礦、演馬莊礦、位村礦采納中高壓注水防突措施，對(duì)比措施前后掘進(jìn)狀況，中高壓注水防突措施明顯縮短了措施執(zhí)行時(shí)間，簡(jiǎn)化了措施工藝，提高了掘進(jìn)速度，降低了掘進(jìn)成本。

（1）防突效果方面：實(shí)行不同防突措施時(shí)期的檢出率（見(jiàn)表3），以及中高壓注水防突措施試驗(yàn)前期或同期，其他巷道不同防突措施下的掘進(jìn)各項(xiàng)指標(biāo)，詳細(xì)如表4所示。

表3不同防突措施效檢對(duì)比

類(lèi)別

措施名稱(chēng)

效檢突出

率（％）

備注

演馬莊礦

25071運(yùn)輸巷

中高壓注水綜合措施

10.3

實(shí)行小直徑排放鉆孔措施后，當(dāng)班解除突出危急

25051運(yùn)輸巷

大直徑排放鉆孔措施

51

重新實(shí)行大直徑排放鉆孔措施

25081運(yùn)輸巷

抽放結(jié)合排放鉆孔措施

26.1

重新實(shí)行大直徑排放鉆孔措施

位村礦

14121上風(fēng)道

大直徑排放鉆孔措施

38

重新實(shí)行大直徑排放鉆孔措施

中高壓注水綜合措施

22

實(shí)行小直徑排放鉆孔措施后，當(dāng)班解除突出危急

14121下風(fēng)道

大直徑排放鉆孔措施

35.3

重新要取大直徑排放鉆孔措施

中高壓注水綜合措施

22

實(shí)行小直徑排放鉆孔措施后，當(dāng)班解除突出危急

表4不同防突措施指標(biāo)對(duì)比

類(lèi)別

措施時(shí)間

（班/循環(huán)）

循環(huán)進(jìn)尺

（m）

日進(jìn)尺

（m）

措施工程量

（mm）

中高壓注水措施

演馬莊礦

1

2.5

3.5

9.1

位村礦

1

4.5

4.5

8.9

排放孔措施

演馬莊礦

4～5

4～5

1.2

74.7

位村礦

4～5

4～5

1.3

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（2）節(jié)支降耗方面，單從不同措施下鉆機(jī)及通風(fēng)電費(fèi)計(jì)，在注水泵配置合理的狀況下，每掘進(jìn)一米可節(jié)約電纜324.5元；以掘進(jìn)速度提高一倍計(jì)算，每月單通風(fēng)費(fèi)用一項(xiàng)可節(jié)約近萬(wàn)元。

（3）平安生產(chǎn)環(huán)境方面，實(shí)行中高壓注水措施后有如下好處：

①煤體潮濕、煤塵降低、有利于掘進(jìn)降塵；

②炮后瓦斯?jié)舛冉档?、排放時(shí)間縮短，更有利于掘進(jìn)作業(yè)。

③措施工程量的削減、工藝的簡(jiǎn)化，加之顯著的防突效果，使掘進(jìn)成本大幅度降低，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益是非常顯著。

（4）掘進(jìn)速度方面：朱村礦25051工作面掘進(jìn)速度由原來(lái)的雙巷13.2m/月提高至單巷67.3m/月；演馬莊礦嚴(yán)峻突出區(qū)掘進(jìn)進(jìn)尺由35m/月提高到84m/月；位村礦14121工作面掘進(jìn)尺由39m/月提高至100m以上，并有效防治了煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，保證了掘進(jìn)施工平安，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益非常顯著。

5結(jié)論

（1）通過(guò)在焦作礦區(qū)的試驗(yàn)，提出并確定了適合焦作礦區(qū)突出煤層掘進(jìn)的合理防突措施、工藝及其參數(shù)。中高壓注水綜合防突措施與超前排放鉆孔等防空措施相比，措施工程量低、操作工藝簡(jiǎn)便，是一種便利高效的防突措施。

（2）中高壓注水作用提高了邊掘邊抽鉆孔的抽放量，其影響作用是連續(xù)的，措施后效檢超標(biāo)率從18.8％降低到1.4％，取得明顯的防突效果。

（3）中高壓注水措施后，煤體發(fā)生顯著位移；煤體水分明顯增加，使瓦斯放散力量降低；各作業(yè)工序瓦斯涌出比較勻稱(chēng)，瓦斯動(dòng)力