突出煤层掘进防突技术研究.docx
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突出煤层掘进防突技术研究
突出煤层掘进防突技术研究
1前言
煤与瓦斯突出（以下简称突出）是煤矿井下采掘生产过程中一种极其复杂的动力现象。
研究表明：
在煤巷掘进工作面，煤体支承的上覆岩层自重应力向周围煤体转移，形成远大于煤体单向抗压强度的支承应力，其性质为剪切应力，使周围煤体受到破坏，发生流变，形成靠近工作面处一定长度的卸压带，卸压带范围内的煤体只承受自重应力，所含瓦斯得到充分放散，煤体已经失去突出危险，并且阻碍前方煤体的突出。
卸压带内煤体随着变形持续向深部发展，在一定深度范围内，煤体受力与变形相关变化，处于动平衡直至临界平衡状态，煤体受压缩，积蓄很高的弹性潜能，地应力和瓦斯压力增高，透气性下降，瓦斯难以释放，形成应力集中带。
在煤体深部，随着流变变形的停止而逐渐进入原始应力带。
一方面，只要掘进工作面前方卸压带长度足够长，每次爆破掘进后的瞬间，工作面前方仍有足够长的卸压带来阻挡有突出危险的煤体，突出就不会发生。
当卸压带变短、应力集中带靠近掘进工作面时，工作面附近煤体处于极限平衡状态，瓦斯压力梯度增高，掘进作业会破坏煤体的极限平衡状态，破坏面以里的煤体连续剥离，暴露出新鲜面，高速破碎，瓦斯由已破碎有煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把粉碎煤抛向巷道，造成瓦斯突出。
另一方面，在突出准备阶段，破坏煤的基本动力是弹性潜能释放转化的动能。
其能量大小与煤的弹性有关，随着弹性增大，工作面附近的弹性能量增大。
由于煤质不同，其潜能释放方式也不同，当煤遭到脆性破坏，能量快速、突然释放；煤塑性强时，能量大部分消耗于逐渐变形及平缓的变形。
焦作矿区绝大多数突出与软煤分层有关，软煤是突出的主要发源地。
笔者认为，要想避免煤巷突出，应从两个方面采取措施：
一是对围岩和煤体进行卸压，降低瓦斯压力，转移地应力；
二是增强煤塑性，重点消除软煤分层突出威胁。
焦作矿区是一个具有严重突出危险的矿区，随着矿井开采浓度的增加，特别是掘进工作面瓦斯突出危险性越来越严重，松动爆破、超前暴露出适用范围局限、措施重复率高、占用时间长、措施成本高等缺点，严重制约着掘进速度的提高，造成采掘比例失调，该矿区部分巷道措施情况如表1所示。
表1焦作矿区部分矿井突出地区掘进情况
见表
突出不仅严重威胁煤矿安全生产，而且制约煤矿生产能力的发挥。
防突技术措施工序复杂，造成煤巷掘进速度缓慢。
突出后处理事故时间很长，影响了正常的采掘接替，严重制约矿井的生产能力。
2中高压注水综合措施防突作用机理
中高压注水综合防突措施就是：
巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯，向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。
该措施是边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯，增大煤体透水性。
有利于煤层注水；较高的压力水压裂破坏煤体，增加煤体透气性，提高瓦斯抽放效果。
煤的孔隙性决定煤吸附瓦斯的能力和煤的渗透特性。
水分了具有明显的极性，水分子间和水煤分子间的相互作用，大于甲烷和煤分子间的相互作用，容易被煤所吸附，以多分子层形式吸附在煤的内表面，形成煤-水-甲烷体系平衡状态。
当该平衡遭到破坏时，煤吸水的牢固性和吸住的水量超过甲烷，从而减少煤中的瓦斯量。
煤中水分增加，煤抗压强度和弹性模数显著减小，塑性增强。
水在煤层中流动主要表现为在裂隙和大孔中进行的渗透过程，在微孔中主要表现为流体的扩散，从而挤出瓦斯。
用很高压力注水时，液体不会使煤体破裂，煤层将沿已有的削弱面-裂缝裂开，水以超过煤层自然吸收能力的流量进行注水，导致裂缝的敞开和扩展，消除煤体不稳定的平衡状态，降低近工作面部分的承压能力，增加临界状态带深度，并把集中应力带推向煤体深处。
通过研究和试验表明，中高压注水综合防突措施具有以下防突效果：
（1）高坟水逐渐使煤体破裂，使应力集中带前移，增加了巷道卸压带长度。
（2）高压水通过软煤分层时携带煤泥在煤层中运动，并顺煤层的裂缝向巷道空间或钻孔拔出，使煤体疏松，提高煤层透气性，瓦斯压力梯度降低。
（3）水封闭瓦斯流动通道，使瓦斯由吸附状态转为游离状态更加困难。
（4）煤体湿润，力学性质发生改变，弹性模数降低，增强煤体塑性，应力分布均匀。
（5）边掘边抽钻孔及时抽出工作面正前瓦斯，同时截流抽放前方两侧煤体的瓦斯，扩大了措施控制范围，有效防止瓦斯突出。
3中高压注水综合防突措施
3.1措施布置
中高压注水综合防突措施即边掘边抽与中高压注水相结合的措施，在巷道两帮边掘边抽钻场抽放正前煤体瓦斯的同时，掘进工作面采取中高压注水措施。
措施效果检验超标时辅助以φ42mm排放钻孔，直至措施效检有效后，留出效检超前距采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业。
[换行]正前中高压注水措施，根据煤层赋予特点，布置注水钻孔3～5个，控制掘进工作面前方有突出危险的煤体。
注水孔孔口位置在硬煤中，终孔点落至软煤分层。
钻孔方向沿巷道轴线方向，以免破坏两帮抽放钻孔。
注水孔孔径φ42mm，孔深8m；封孔深度3m；注水压力根据煤层埋藏浓度及煤体坚固性系数确定，一般选择10～12MPa。
巷道两帮各布置3～5个30～50m而直径为90的抽放钻孔，钻孔平行掘进方向，距巷道轮廓线为1.5～3.0m。
3.2中高压注水系统布置
根据中高压注水措施的特点，焦作煤业集团科研所在试验过程中，研究了耐高压、易操作、性能可靠的AFS型水力自动封孔煤注水器，并获得了国家发明专利，完善了中高压注水操作系统，具体布置如图1所示。
图1中高压注水系统布置图
3.3中高压注水措施考察
3.3.1边掘边抽措施的考察
在试验期间，随巷道掘进测试注水前后的边掘边抽钻孔的抽放参数，并绘制曲线图（见图2）。
图2表明：
中高压注水期间，巷道两帮抽放孔明显受到影响。
图2中高压注水防突边掘边抽措施考察
据统计：
注水前钻孔瓦斯抽放量为0.0131～0.0706m3/min，平均为0.0316m3/min，平均为0.03835m3/min，钻孔抽放量增加平均达21.4％以上，个别孔甚至成倍增加。
3.3.2中高压注水考察
研究过程中，对中高压注水措施的主要参数进行了考察和统计。
从表2可看出，在煤层赋存条件相同、埋藏浓度相近的情况下，注水压力，注水时间基本相同。
注水时间、注水量与注水孔间距有关，相同的注水压力下，间距越小，注水时间越短，注水量越少；间距相近，注水时间、注水量随注水压力升高而升高，但注水压力过高反而又下降（见图3）。
图3注水期间流量、压力和时间的关系图
在注水期间，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状，直观反映出中高压注水作用于煤体是逐渐压裂破碎。
通过对中高压注水钻孔实际影响范围进行的考察和统计表明：
中高压注水钻孔横向影响半径可达1～1.4m，沿纵向影响浓度则可超前钻孔2m。
同时，通过表2可看出，中高压注水可使煤体产生明显的位移。
表2中高压注水试验参数
类别
注水时间
（min）
注水压力
（MPa）
注水量
（m3）
顺层影响
范围（m）
沿层影响
范围（m）
煤体位移
（mm）
演马庄矿25071运输巷
28
10～12
1.0
1.10
0.94
20～400
位村矿14121上风道
50
8～18[换行]1.1
1.37
1.00
20～100
位村矿14121下风道
49
8～18
－
1.38
1.10
20～110
通过对注水掘进工作面瓦斯涌出观测，得到以下瓦斯涌出规律：
注水后掘进期间瓦斯涌出量明显降低，炮后瓦斯浓度降低，且下降速度变快。
4中高坟注水综事防突措施实践
从2001年开始，先后在朱压矿、演马庄矿、位村矿采用中高压注水防突措施，对比措施前后掘进情况，中高压注水防突措施明显缩短了措施执行时间，简化了措施工艺，提高了掘进速度，降低了掘进成本。
（1）防突效果方面：
采取不同防突措施时期的检出率（见表3），以及中高压注水防突措施试验前期或同期，其他巷道不同防突措施下的掘进各项指标，具体如表4所示。
表3不同防突措施效检对比
类别
措施名称
效检突出
率（％）
备注
演马庄矿
25071运输巷
中高压注水综合措施
10.3
采取小直径排放钻孔措施后，当班解除突出危险
25051运输巷
大直径排放钻孔措施
51
重新采取大直径排放钻孔措施
25081运输巷
抽放结合排放钻孔措施
26.1
重新采取大直径排放钻孔措施
位村矿
14121上风道
大直径排放钻孔措施
38
重新采取大直径排放钻孔措施
中高压注水综合措施
22
采取小直径排放钻孔措施后，当班解除突出危险
14121下风道
大直径排放钻孔措施[换行]35.3
重新要取大直径排放钻孔措施
中高压注水综合措施
22
采取小直径排放钻孔措施后，当班解除突出危险
表4不同防突措施指标对比
类别
措施时间
（班/循环）
循环进尺
（m）
日进尺
（m）
措施工程量
（mm）
中高压注水措施
演马庄矿
1
2.5
3.5
9.1
位村矿
1
4.5
4.5
8.9
排放孔措施
演马庄矿
4～5
4～5
1.2
74.7
位村矿
4～5
4～5
1.3
64
（2）节支降耗方面，单从不同措施下钻机及通风电费计，在注水泵配置合理的情况下，每掘进一米可节省电缆324.5元；以掘进速度提高一倍计算，每月单通风费用一项可节省近万元。
（3）安全生产环境方面，采取中高压注水措施后有如下好处：
①煤体湿润、煤尘降低、有利于掘进降尘；
②炮后瓦斯浓度降低、排放时间缩短，更有利于掘进作业。
[换行]③措施工程量的减少、工艺的简化，加之显著的防突效果，使掘进成本大幅度降低，其经济和社会效益是十分显著。
（4）掘进速度方面：
朱村矿25051工作面掘进速度由原来的双巷13.2m/月提高至单巷67.3m/月；演马庄矿严重突出区掘进进尺由35m/月提高到84m/月；位村矿14121工作面掘进尺由39m/月提高至100m以上，并有效防治了煤与瓦斯动力现象，保证了掘进施工安全，经济和社会效益十分显著。
5结论
（1）通过在焦作矿区的试验，提出并确定了适合焦作矿区突出煤层掘进的合理防突措施、工艺及其参数。
中高压注水综合防突措施与超前排放钻孔等防空措施相比，措施工程量低、操作工艺简便，是一种方便高效的防突措施。
（2）中高压注水作用提高了边掘边抽钻孔的抽放量，其影响作用是连续的，措施后效检超标率从18.8％降低到1.4％，取得明显的防突效果。
（3）中高压注水措施后，煤体发生显著位移；煤体水分明显增加，使瓦斯放散能力降低；各作业工序瓦斯涌出比较均匀，瓦斯动力现象次数减少，炮后瓦斯浓度下降，取得明日为的瓦斯防治。
（4）中高压注水措施具有显著的防尘降尘作用，改善了工作面作业条件。
（5）采用中高压注水综合防突措施在不同煤层条件下3115m巷道进行试验，巷道掘进速度平均提高一倍上，期间未发生一次突出，有效缓解了试验矿井采掘接替紧张局面，就其取得的经济效益达1100万元，因此，经济和社会效益十分显著。
实践证明：
中高压注水综合防突措施能有效地防治突出，对于提高突出地区掘进速度、保证煤矿安全生产具有广泛的适用性、有效性和可靠的安全性。
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