冲击地压耦合的煤与瓦斯突出防治技术.pdf

6 0 童 瞧蕉 斜技 2 0 16 年 第 2 期 安全技术保障体 系 冲击地压耦合的煤与瓦斯突出防治技术 姜玉海 王启军 河南能源新义矿业有限公司，河南 新安 4 7 1 8 2 1 摘要 基 于对 冲击地压耦合的煤与 瓦斯 突出发生机理的认识 ，通过逆向改善 发生煤岩瓦斯耦合型动 力灾害的材料属性条 件 、环境应力强度条件 、触发动力条件及瓦斯地质条件和开采扰 动条件 ，实现 冲击地压耦合 的煤与 瓦斯 突出的防治。 关键字冲击地压煤与 瓦斯 突出 耦合灾害 中图分类号T D7 1 3 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 2 7 Coa l a nd g as ou t bur s t pr e ve nt i on a nd c on t r o l t e c hno l o g y o f i m pa c t g r ou nd pr e s s ur e c o upl i n g J i a n g Y u h a i Wa n g Q i - j u n H e n a n Ne w E n e r g y Mi n i n g C o ． L t d ， H e n a n X i n ’ a n 4 7 1 8 2 1 Abs t r a c t Ba s e d o n t h e Un d e r s t a n d i n g o f t h e me c h a n i s m o f c o a l a n d g a s o u t b u r s t i n c o a l m i n e ，t h e c o a l a n d g a s o u t b u r s t p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l o f c o a l a n d g a s o u t b u r s t a r e i mp r o v e d b y t h e wa y o f i mp r o v i n g t h e ma t e r i a l p r o p e r t i e s ， e n v i r o n me n t a l s t r e s s i n t e n s i t y , e n v i r o n me n t a l s t r e s s i n t e n s i t y , e n v i r o n m e n t a l s tr e s s i n t e n s i t y , e n v i r o n me n t a l s t r e s s i n t e n s i t y , a n d g a s g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ． K e y wo r d s r o c k b u r s t c o a l a n d g a s o u t b u r s t c o u p l i n g 新义井田位于新安煤田倾伏向斜北翼的深部 ， 主采煤层为二叠系山西组二 煤层，煤厚 0 ～ 1 5 ． 5 m， 平 均 4 ． 8 m。 目前 开采 的 ． 3 0 5 m水平 工作 面 采深 6 7 0 ～ 7 5 0 m，原岩地应力和储层瓦斯压力均较高，为 冲击地压耦合煤与瓦斯突出创造了有力的环境应力 强度。为了保证矿井安全生产 ，新义矿业公司对冲 击地压耦合煤与瓦斯突出灾害进行了机理研究和技 术防治。 1 冲击地压和煤 与瓦斯突出 冲击地压和煤与瓦斯突出同属煤矿的动力灾 害，但他们的发生机理和发生条件并不尽相同。一 般而言，冲击地压是硬质煤层和岩石在高应力作用 下的突然脆性破裂失稳 ，有时表现出粘滑特征，动 力来源以地应力或采动应力的作用为主，高压瓦斯 也可能参与联合作用，发生和持续过程短暂；而煤 与瓦斯突出是软质煤层在高应力作用下 的塑性失 稳 ，动力来源是地应力与瓦斯联合作用，有时瓦斯 的作用较显著，在瓦斯的推动下 ，发生和持续过程 收稿 日期2 0 1 5 1 0 0 8 作 者简 介姜 玉海 1 9 6 9 一，男，河南 南阳人 ，工程 师 ，1 9 9 5 年毕业于郑州煤田职工地质学院，现任河南能源新义矿业公司地 坝 { 副总工程 师。 相对较长 。 2 冲击地压和煤与瓦斯突出耦合发生的机理 研究表明，耦合灾害事故的发生，应具备同时 发生两种灾害的基本煤岩与瓦斯物质条件 、环境应 力与触发动力条件和开挖扰动与制造裂隙通道与 自 由空间条件。 2 ． 1 材料介质属性条件 冲击地压和煤与瓦斯突出耦合型灾害的发生 ， 煤岩瓦斯材料介质需要具备煤层及围岩所 固有的冲 击属性和含瓦斯煤层的突出属性，一般需要高瓦斯 含量、高瓦斯压力，低煤坚固性系数、高煤破坏类 型等因素的有机组合。 新义矿实测二 。 煤层瓦斯压力 0 ． 3 0 ～ 1 ． 4 0 MP a 、 平 均 值 0 ． 7 4 MP a ， 实 测 二 ， 煤 层 瓦 斯 含 量 6 ． 3 7 ～1 2 ． 8 4 m。 ／ t 、平均值 9 ． 3 1 1 T I ／ t ；二 煤的原生结 构和构造完全受到破坏，实测二 ． 煤层煤体坚固性 系数 f 值 0 ． 2 2 ～ 0 ． 6 5 ，平均值 0 ． 3 5 ；实测瓦斯放散初 速度 △P值 1 5 ． 0 ～ 2 8 ． 0 。上述指标表明，新义矿二 ． 煤层具有突出危险性。 2 ． 2 环境应力和触发应力的动 力条件 煤岩体发生动力灾害被证明是 白组织临界系 2 0 1 6 年第 2 期 始蕉 料技 6 l 统，在环境应力强度和煤与瓦斯稳定平衡系统接近 自组织临界状态时，一个强度不高的触发作用力就 可以导致系统失稳。新义矿开采的 ． 3 0 5 m水平工作 面采深大于 6 5 0 m，自重应力约 1 6 ～ 1 9 MP a ，煤层基 本顶厚层砂岩 超过 2 0 m大面积悬顶不易冒落， 周期来压步距较大 ，采动应力集中系数超过 2 ． 0 ， 具有强冲击倾 向性。突然破断易于发生顶板冲击 ， 其产生的动力会成为诱发或触发下部煤层煤与瓦斯 突出的主要作用力 ，上部岩层传递到底板的应力也 可导致底板砂质泥岩和局部砂岩断裂冲击，从而成 为诱发或触发上部煤层煤与瓦斯突出的作用力。 2 ． 3 瓦斯解吸溢出条件 研究表明，上述两个条件无论如何充分，但没 有瓦斯解吸溢出的条件，也不会发生冲击 一突出耦 合型灾害。开采扰动及其应力重分布产生的附加应 力，在与开挖同轴方向卸荷产生拉张应力，在与开 挖异轴方 向造成加荷产生压应力，其开挖加 一卸载 的结果使煤壁产生竖向张裂隙，造成顶、底板离层， 导致煤及共生岩体产生微破裂，创造了瓦斯解吸涌 出的通道和构造条件 图 1 。 图 1开采过程含 瓦斯煤岩应 力场和破 裂场 U D E C数值分析 3 冲击地压耦合的煤与瓦斯突出的防治技术 冲击地压耦合煤与瓦斯突出，本质上就是在开 采扰动下，介质 包括煤 、岩和瓦斯 与应力 包 括原岩地应力、采动应力和瓦斯压力 相互作用， 最终导致煤岩体产生破裂失稳并释放弹性能或瓦斯 的过程。卸压解危的基本原理应是解除或转移高地 应力和采动应力 ，消除瓦斯压力和瓦斯含量 ，改变 煤岩材料结构构造和物理力学性质 ，使他们向不利 于发生冲击地压和煤与瓦斯突出的方向发展或按照 人们的意愿超前诱导发生。 3 ． 1 穿层钻孔和顺层钻孔区域防突措施 在底板抽排巷和工作面两顺槽，每隔 3 0 m施工 一 个钻场，根据煤层厚度、工作面切眼长度设计施 工参数 ，全面覆盖不留空白带，分别采取穿层水力 冲孔和顺本煤层抽放 ，预抽区域煤层瓦斯。 3 ． 2 工作 面浅孔抽放局部防突措施 工作面在回采前 ，已施工顺层钻孔进行连续区 域瓦斯抽放，当效检指标超出规定临界值时，采取 工作面浅孔抽放防突措施 ，钻孔布置呈 “ 三花眼” ，控制深度为 1 5 m，施工参数根据煤层厚度，每施 工一个措施孔，须及时连管抽放，最后一个孔施工 结束后抽放 4 h ，停抽 1 h后效检 ，效检指标小于规 定临界值时后方可 回采。 3 ． 3 综合 瓦斯 治理 为减少回采时采空区的瓦斯大量涌人工作面而 造成工作面上隅角及 回风流瓦斯浓度大的问题 ，再 采取钻场高位钻孑 L 抽放 、上隅角采空区插管抽放等 综合瓦斯治理方案。 3 - 3 ． 1 高位钻孔抽放裂隙带瓦斯 在轨道顺槽每隔 3 0 m右侧的巷帮抽放钻场内， 向采空区方 向布置 6 个抽放钻孔 ，分两排布置，孑 L 口间距 0 ． 5 m，排距 0 ． 4 m，下排孔距巷道底板 l m， 钻孑 L 直径 为 8 9 mm，钻孑 L 控 制前方 6 0 m，保证有 3 0 m的重叠距离，钻孔终孔位于煤层顶板 1 0 ～ 1 5 m 之间。钻孑 L 终孔向胶带顺槽侧偏移，钻孔终孔间距 4 m，控制到轨道顺槽 内侧 2 5 m。 每个抽放钻孔打完后，及时连管进行抽放 ，顶 煤厚度在 0 - 3 m时，封孑 L 长度不少于 2 0 m，当工作 面煤层厚度大于 3 m时，封孔长度不少于 2 5 m，钻 孔封孔采用聚胺脂或玛丽散封孔，聚氨酯封孑 L 段必 须位于岩石内。聚氨酯段长为 1 ． 5 m，外段用水泥砂 浆封孑 L ，封孑 L 钢管直径 5 0 m m，封孔管要全部穿过 煤层 ，进入岩石不小于 6 m。 3 ． 3 ． 2 上隅角采空区插管抽放 在工作面上隅角采用采空区插管的抽放方式 ， 主抽放管采用 3 5 0 mm螺旋管进行抽放。上隅角 插管也采用 3 5 0 mm的螺旋管 ，插管位于采空区 冒落三角区。保证插管到采空区内的长度不小于 4 m。每向前推进 4 m时，拆除一节 4 m 抽放管， 采用回柱绞车对插管向外拉出 4 m后 ，与主抽放管 进行连接抽放，并打一次墙垛 ，墙垛材料采用小麻 袋装煤。 3 ． 4 顺层钻孔煤体注水卸压 在轨道和胶带顺槽 内帮向本煤层钻孑 L ，孔径 6 9 mm， 孔深 6 0 m， 孑 L 距 5 m， 两侧顺槽孔位错距 2 ． 5 m 向煤层内注水 ，注水压力 1 2 MP a ，封孔深度不小于 1 0 m，注水量以煤壁挂汗出水为止。注水时间提前 下转第 6 4页 6 4 童 撼茬 针 技 2 。 1 6 年 第 2 期 上接 第 6 1页 回采时间 3 0 d 。 3 ． 5 巷道底板钻孔卸压措施 巷道底板出现较大裂缝或起鼓现象，并伴随附 近煤体发生较显著的 “ 煤爆”现象。要在工作面 两顺槽 的内帮底板 ，沿巷道走 向，在底板起鼓并 向两侧延伸 2 0 m地段施工一排卸压钻孔，钻孔直 径 9 4 m m，钻孔间距 0 ． 5 m，孑 L 深 1 5 m，钻 孔俯角 8 0 。 ，实施大直径底板钻孑 L 卸压措施 图2。 图 2底 板 卸 压 钻 孔 布 置 示意 图 3 ． 6 超前顶板预裂卸压措施 在工作面胶带和轨道顺槽内帮沿工作面推进方 向超前 5 0 m以外 ， 每隔 l O m各布置一组 3 个钻孔 图 3，钻孔向工作面方向倾斜 ，仰角分别为 7 5 。 、 5 5 。、3 5 。。炮眼直径 6 5 mm，钻孔深度以达到第 一 层基本顶砂岩 2 ／ 3垂深为原则，6个孔应布置在 同一平面内。确保炸药完全装入基本顶砂岩层内， 每组连线方式采用串联。采用矿用乳胶炸药 ，每孔 装药 1 5 ～ 3 0 k g 逐步尝试效果 ，炮眼装药后 ，用 炮泥封孔 ，实施顶板深孔预裂爆破，以消除基本顶 周期来压对煤层的冲击。 钻孔 布置平面示意 图 剖面示意 图 图 3 顶板深孔预 裂爆破卸 压措施孔 布置 图 4 结论 通过多种技术手段防治，不但消除了瓦斯本身 内能，降低常规煤与瓦斯突出的危险性 ，而且还破 坏准备和激发煤与瓦斯突出的条件，防止煤与瓦斯 突出提前发动或低指标成灾 ，保证了矿井的安全。 【 参考文献 】 [ 1 ] 李铁 郝相龙 ． 深部开采动力灾害机理与超前辨识 [ M] ． 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 9 [ 2] 李铁 蔡美峰 工金安 ． 深部开采冲击地压与瓦斯相 关性的探讨 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 5