石门和岩石井巷揭开煤层的防突措施.doc

第二十章石门和岩石井巷揭开煤层的防突措施 防突规定中对石门和岩石井巷揭煤定义为石门和立井、斜井工作面从距突出煤层底顶板的最小法向距离5 m开始到穿过煤层进入顶底板2 m最小法向距离的过程均属于揭煤作业。 石门揭煤突出是指石门自煤层底顶板在爆破揭开和穿过煤层过程中，由于岩柱的突然破碎，煤体应力状态和瓦斯赋存状态突然改变，富含瓦斯的煤层在地应力和瓦斯压力作用下，快速向巷道空间抛出大量煤岩，并伴有大量瓦斯涌出。石门和岩石巷道揭穿煤层时发生的突出是煤矿中突出强度最大的一种，其特点是石门和岩石巷道工作面前方的煤体因岩柱的隔离和阻挡，处于集中应力和高瓦斯状态。因此，石门和岩石巷道工作面防突工作的难度较大，所需要的时间和工作量通常也较多。 石门和岩石井巷进入或穿过突出煤层需严格按照防突规定的规定，按照“区域防突措施先行，局部防突措施补充”的要求，编制揭煤的专项防突设计。当预测所揭穿的煤层具有突出危险性时，采用预抽排煤层瓦斯的区域性消除突出危险性，同时也可采用水力冲孔和冲煤扫孔等加强型措施提高瓦斯抽采效果，配合金属骨架、固化煤体、煤层注水、顺层钻孔等安全保障型措施，确保揭穿煤层的作业安全。 20．1一般规定及要求 20．1．1 组织机构 煤矿企业各新建矿井和已生产矿井的石门和岩石井巷在揭穿突出煤层前，必须成立新建矿井筹备处主任和生产矿井矿长为组长的揭煤领导小组，领导小组成员由新建矿井筹备处、生产矿井总工程师和施工建设单位项目经理等组成；领导小组负责组织防突专门设计的编制、审定、报批，防突工程的实施、验收，防突效果检查、揭煤安全管理和突发事件的应急处理等工作。 20．1．2防突专门设计 集团公司各新建矿井和已生产矿井的石门和岩石井巷在揭穿突出煤层前，必须提前l个月编制防突专门设计，报煤矿企业技术负责人审批后，建设单位方可实施揭煤作业。 石门和岩石井巷揭煤作业前应编制揭煤的专项防突设计，由矿或建井筹备处负责编制，报集团公司批准后，方可组织施工。 石门和岩石井巷揭煤专门设计应包含以下内容 ①石门和岩石井巷基本参数、掘进和支护工艺方法； ②石门和岩石井巷揭煤区域地层煤层和顶底板岩层赋存情况； ③石门和岩石井巷揭穿煤层瓦斯赋存情况及突出危险性初步评价； ④控制煤层层位的钻孔布置； ⑤煤层区域突出危险性预测及防突措施效果检验方法、指标和判定标准等； 煤矿瓦斯防治理论与工程应用 ⑥揭穿突出煤层的瓦斯抽采钻孔的布置； ⑦控制煤层层位钻孔、突出危险性预测钻孔和瓦斯排放钻孔的施工和验收要求； ⑧掘进至远距离爆破揭穿煤层前的工作面位置，采用工作面预测或措施效果检验的方法进行最后验证； ⑨煤层加固措施的设计、施工和验收要求； ⑩安全防护措施并用远距离爆破揭开或穿过煤层； ⑥组织管理措施。 20．1．3管理要求 煤与瓦斯突出矿井生产矿井的突出煤层，石门和岩石井巷揭煤深度大于该煤层突出危险区域划分上限标高的应为突出煤层；石门和岩石井巷揭煤深度大于矿井目前开采水平的应参照突出煤层管理。 高瓦斯矿井生产矿井，石门和岩石井巷揭煤深度大于矿井目前开采水平的应参照突出煤层管理，经突出危险性预测证明所揭穿煤层无突出危险性后，可按无突出危险煤层管理。 新建高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井，石门和岩石井巷揭穿煤层应参照突出煤层管理，经突出危险性预测证明所揭穿煤层无突出危险性后，可按无突出危险煤层管理。 20．1．4探测与施工要求 石门和岩石井巷距突出煤层法线距离不小于10 m处地质构造复杂、岩石破碎的区域为20 m处，必须用打钻的方法控制煤层层位，必须测定煤层瓦斯压力或用其他方法预测石门竖井等工作面前方煤层的突出危险性；工作面距突出煤层法线距离不小于7 m处必须停止掘进，施工瓦斯抽排放钻孔，在瓦斯抽采范围边缘经效果检验消除突出危险性后，方能按专项设计要求揭穿煤层。 当突出煤层厚度小于0．3 m时，可直接采用远距离爆破揭穿煤层。 石门和岩石井巷所揭穿煤层必须采用煤层瓦斯压力或瓦斯含量来进行突出危险区域预测工作，当预测数值大于突出临界值，按照突出煤层管理；经区域预测和区域效果检验判定为无突出危险的区域，需要采用局部“四位一体”方法，工作面突出预测的指标为综合指标D、K或钻屑瓦斯解吸指标Ah、K。，如预测数值大于突出临界值，该煤层应补充施工局部防突措施。 石门和岩石井巷应尽可能布置在无地质构造破坏带，如果条件允许，石门和岩石井巷应布置在被保护区，利用附近已有的岩石巷道或煤层巷道，提前向揭煤区域施工瓦斯抽采钻孔，抽采揭煤区域的瓦斯，缩短揭煤时间。石门和岩石井巷与已掘出的巷道贯通时，该巷道应越过石门贯通位置5 m以上，并保持正常通风。 1．5通风要求 石门揭煤时，需建立安全可靠的独立通风系统，并加强控制通风风流设施的措施。在建井初期，未构成全风压通风时，在石门揭穿突出煤层的全部作业过程中，与此石门有关的其他工作面停止工作。 新井筒或延伸进风井筒时，通风机应安装在地表离开井筒一定的安全距离以外，以免受可时从井筒喷出的瓦斯影响。如果延伸的井筒为进风井，则在井筒穿越突出煤层期间，井下所有工作均应停止。 20．1．6安全岩柱厚度 采用远距离爆破揭开突出煤层时，要求石门、斜井揭煤工作面与煤层间的最小法向距离是急倾斜煤层2 m，其他煤层1．5 m。要求立井揭煤工作面与煤层间的最小法向距离是急倾斜煤层l．5 lm，其他煤层2 m。如果岩石松软、破碎，还应适当增加法向距离。 在揭煤工作面用远距离爆破揭开突出煤层后，若未能一次揭穿至煤层顶底板，则仍应当按照远距离爆破的要求执行，直至完成揭煤作业全过程。 所有突出煤层外的掘进巷道包括钻场等距离突出煤层的最小法向距离小于lO m时在地质构造破坏带小于20 m时，必须边探边掘，确保最小法向距离不小于5 m。 20．1．7揭穿突出煤层的防突措施 石门和岩石井巷揭煤防突措施是在安全岩柱的保护下缓慢地释放煤体及围岩的突出潜能，达到预防突出的目的。其主要防突措施有排放钻孔法和抽采瓦斯法。同时也可采用水力冲孔、扩孔钻卸煤以及冲煤扫孔等加强型措施提高瓦斯抽采效果。此外，还可以配合金属骨架、固化煤体、煤层注水、顺层钻孔等安全保障型措施。 20．2石门及竖井揭煤应力分布特点及突出危险性分析 20．2．1石门揭煤突出危险性分析 煤矿井下开采破坏了原始地层中的应力平衡状态，使煤体中的应力重新分布。一般情况下，在采掘空间形成的较短时间内，首先在采掘空间临界面附近形成较高的集中应力。当集中应力值达到煤体的强度极限后，该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部转移；经过一定时间后，形成卸压区、集中应力区和原始应力区，如图20．1所示。其中根据国内外研究结果，卸压区的长度在2～5 m之间。 图20．1 工作面前方煤体的应力分布 石门揭煤工作面前方应力分布如图20．2所示。煤与瓦斯突出和掘进工作面附近集中应力区范围的大小有直接的关系，集中应力区的大小决定了煤体中储存的弹性潜能和瓦斯内能的大小，以及造成突出时突出强度、破坏程度的大小。在掘进过程中，工作面不断接近煤层，集中应力区的作用越来越明显。对于掘进工作面前方的煤体来讲，工作面前方的煤体在集中应力的作用下，进入流变阶段，开始进入瞬时和稳定流变的含瓦斯煤体，在急剧增高的集中应力作用下产生加速变形和破坏，将上一流变阶段的煤体进一步破碎，为深部煤体提供侧向压力，同时为瓦斯内能的聚积创造了条件。 如果此时聚积的瓦斯内能做功，足以把破碎煤体冲垮并抛出粉碎，随即发生煤与瓦斯突出；如果在石门揭开煤层之前，煤层内瓦斯未经排放，或排放后仍然保持着较高的瓦斯压力，当爆破揭开煤层的瞬间，具有突出危险的煤层状态遭到破坏，由于内外瓦斯压力梯度很大，受地应力破坏的煤体在高瓦斯压力的作用下抛向巷道空间，同时又使内部的煤体暴露，暴露的煤体又在地应力的作用下破坏，破坏后又被高压瓦斯抛向巷道空间，这样连锁的破碎及煤体抛出使突出向煤体深部扩展，形成连续的突出。因此，在揭煤前，一般都采取打钻孔抽排瓦斯等措施，将揭煤处周边煤体内一定范围的瓦斯抽排出来，以形成一定范围的安全防护带，保证揭煤作业的安全。在石门揭煤后，应该及时加强支护、防止空顶和冒落，不给远处具有突出危险的煤体突然暴露的机会，就能有效地防止煤与瓦斯突出的发生。 ， 图20-2石门揭煤工作面前方应力分布示意图 王振等㈨采用RFPA数值模拟软件，分析了石门工作面煤岩体失稳前后应力动态的变化。石门揭开前后的应力状况如图20．3所示。在揭开前，掘进面附近上覆岩体的集中应力主要由石门承担，集中应力系数大；由于石门的迅速揭开，暴露煤体所承担的应力有一个迅速上升的过程；而随着集中应力向煤体内部转移，应力又有一定程度的下降。即在石门揭开前后，石门附近煤体内的应力存在一个突然上升又迅速下降的过程。 沿掘进方向所取的模拟单元个数 -揭开前揭开瞬间 一一稳定后 图20．3石门揭煤前后应力分布对比 一般来说，石门揭煤比煤巷掘进更容易突出，主要原因是，与煤巷掘进所在煤层相比，石门揭煤处的煤体处于顶底板岩层及周围煤体的封闭中，且还处于石门的集中应力区，煤层中的弹性潜能和瓦斯内能得不到释放，在揭煤爆破的作用下极易发生突出。而在煤巷掘进时的突出地点煤体有一个自由面，可以释放一部分弹性潜能和瓦斯内能。 据统计，石门揭穿煤层的突出次数占突出总数的6．1％，但因在矿井采掘过程中，石门揭开煤层的工作量或次数远比煤巷掘进少得多，所以石门揭开煤层时的突出发生概率最高，并且突出强度极大，其平均强度为其他各类巷道平均强度的6倍，绝大多数的特大型突出80％以上也是发生在石门揭开煤层时，突出的大量瓦斯波及范围广。因此。石门揭开突出煤层具有极大的危险性。其特点是突出强度大，造成的破坏性也强。在整个揭穿煤层过程中都存在突出危险性，有的甚至在揭穿同一煤层时发生两次突出。全世界最大的煤与瓦斯突出顿巴斯加加林矿井710m水平主石门，1969年和我国最大的煤与瓦斯突出事故天府矿务局磨心坡矿三汇坝一矿主平硐，1970年都是发在石门揭煤过程中。 石门突出有四种类型爆破揭穿煤层时突出南桐矿务局鱼田堡矿，突出煤量l 500 t，瓦斯逆流冲到井口；自行冲破岩柱突出南桐矿务局鱼田堡矿，突出煤量8 765 t、岩石61 m3、瓦斯2．01 Mm，；过煤门延期突出北票矿务局三宝矿，突出煤量1 500 t、瓦斯0．054 4 Mm3。其中以爆破揭开煤层时的突出所占比例最大，因为它对发生突出的条件来讲最有利。 表1-5中列出了中国典型的煤与瓦斯突出案例，其中大多数特大型突出都是发生在石门揭煤时。由于石门突出的强度大，瓦斯逆流可达上千米，可对整个矿井的安全构成严重威胁，甚至可能发生瓦斯爆炸事故，造成更大的灾难。所以，应对石门揭煤认真防范，严格管理，制定切实可行的安全措施。 20.2.2坚井工作面揭煤突出危险性分析 竖井揭穿有煤与瓦斯突出危险煤层是竖井施工中的重大安全技术问题。2006年1月5日，淮南矿业集团望峰岗矿近千米的主井井简在穿过5．86 m厚的c，。突出危险煤层时，就发生了～起特大型煤与瓦斯突出事故，突出煤量2 931 t、瓦斯量0．092 7 Mm3。随着煤矿开采深度的增加，竖井揭穿煤与瓦斯突出危险煤层的危险性日趋增大。 20世纪80年代中国矿业大学与江苏省煤炭基建公司合作进行了芦岭煤矿新副井井筒过煤和瓦斯突出煤层技术的研究，俞启香、程远平教授采用有限元法对井筒揭煤的应力分布规律进行了研究如图20-5和图20-6所示，并现场考察了排放钻孔的防突效果H6]。芦岭矿新副井井筒净直径6．5nl，井深643 m，在垂深483 m和502 in要依次穿过8、9号煤层，煤厚分别为11．8 in和3．9 m，煤层倾角200。实测煤层瓦斯压力达3．1 MPa，f值为0．210．32，综合指标K为2．3～4．1，D为21．333．63，8、9号煤层具有严重突出危险性。井筒穿过煤层的 局部柱状如图20-4所示。 从图20-5和图20-6中可以看出，竖井揭煤工作面应力分布符合以下规律p-Tj 图20-4芦岭矿新副井煤层柱状图 ①竖井工作面接近煤层时，在其前F方应力分布分为三个区，即完全卸压区、部分卸压区和未卸压区。工作面前下方有“漏斗”形采动卸压IX中，L,NN；kNN区；四周为部分卸压区。在工作面前方，煤岩体的卸压程度随着远离井筒中心线而降低；工作面距煤层距离不同，各区的影响范围也不同。工作面距离煤层越近，煤层中一定范围内的卸压程度越大。 ②在井筒四周、工作面前后存在应力集中区。工作面距离煤层越近，应力集中区的影响范围和峰值越大。同一标高处，井壁四周的集中应力分布是不同的。倾斜煤层沿倾向以井轴分为两部分，上侧区域的应力集中度及影响范围较下侧区域大，这是由于上侧区域的煤岩体受自重倾斜分量的压缩所致。 图20-6 竖井工作面距8煤层4m时有限元分析结果 （a） 工作面附近的重向应力，MPa;b工作面附近的重向位移，mm 水平线原岩等应力线（垂向）；曲线竖井下掘后的等应力线（垂向）或等位移线（垂向） 由竖井工作面附近应力分布特点知，当工作面揭开突出危险煤层时，工作面前方存在的卸压区使前方岩体向上突出的能量降低发生煤与瓦斯突出的危险性相对较小。而当掘进工作面进入突出危险煤层时，如若井壁不能及时支护，强度较低的煤层处于应力集中区域，暴露的煤壁与岩石便承载着煤层瓦斯压力和地应力的作用特别是在倾斜煤层的上侧，还要附加煤体的自重影响，当煤壁阻碍煤与瓦斯突出的安全区不足以抵挡瓦斯压力和地应力的综合作用时，处于应力集中区内的煤体便发生失稳破坏，造成煤与瓦斯突出的发生。合理的保留岩柱的长度对阻碍发生煤与瓦斯突出也是至关重要的，井筒内岩柱可以部分地释放煤层的地应力，使煤层卸压，有利于瓦斯的排放。当岩柱强度不足以抵挡地应力和瓦斯压力作用时，亦会造成煤与瓦斯突出的发生。因此，竖井揭煤中最易发生突出的位置是工作面进入煤层后受应力集中影响的煤壁，尤其是倾斜煤层的上侧，因该区域不仅受应力集中影响，而且还受重力影响。 由上述分析可得，井壁至四周应力集中峰值处的无突出危险煤岩体构成的安全区，是阻碍煤与瓦斯突出的关键。因此，释放井筒周围一定范围内的煤与瓦斯突出能量，使其变为无煤与瓦斯突出危险的安全区，阻止煤与瓦斯突出发生，成为竖井揭穿突出危险煤层的技术关键。 芦岭新副井对揭煤处采用排放钻孔方法，共施工160个钻孔，其中先期96个排放钻孔，后期补充54个排放钻孔，如图20-7所示。芦岭新副井揭8煤的实测参数表明图20．8，采取措施前，煤层瓦斯压力含量在距井筒中心距离越远处，数值越大，呈弧线形上升，距离井心7．75。14．OO In范围内，瓦斯压力由2．0 MPa增至2．8 MPa，煤层瓦斯含量由l0．5 m3／t增至l2．8 m3／t；煤层透气性系数在距井筒中心距离越远处数值越小，呈弧线形下降，距离井心7．7514．O0 m范围内，煤层透气性系数由2810’2 m2／MPa2d减到3．2510。2 Ill2／MPa2d；煤层瓦斯压力含量与煤层透气性 图20-7 淮北芦岭新副井井筒8、9煤层防突排放钻孔及考察孔布置示意图 系数出现漏斗形状。采取措施后，预排瓦斯范围内实测煤层瓦斯压力含量降低、煤层透气性系数增大。受井筒掘凿及排放瓦斯的影响，8煤层距井筒中心不同距离上呈现不同程度的卸压。距井小7．75 m范围内，预排瓦斯前后，煤层透气性系数由286310-2m2／MPa2d增加到600-65010-2m2／MPa2d；瓦斯压力由l．92．0 MPa降到0．20．4 MPa；瓦斯含量由l0．2-10 .5m3／t降至l．8～3．3 m3／t。距离井心7．75～14．O0m范围内，从井心向外，煤层透气性系数从60010-2 m2／MPa2d减至3410-2m2／MPa.d；瓦斯压力由0．4增至l．6 MPa；瓦斯含量由3．3m3／t增至9．4 m3／t。总之，打钻排放瓦斯后，井筒周围距井心14 m范围内的瓦斯压力、瓦斯含量及透气性系数都达到了预期的要求，在井筒周围形成了一定宽度的阻止煤与瓦斯突出发生的安全区． 20．3揭煤工艺流程 为了保证揭煤整体工作的连续性和安全性，按照“区域防突措施先行，局部防突措施补充”的要求，我们将揭煤作业的整个内容进行重新定义，即从距煤层最小法向距离lo m地质构造复杂、岩石破碎的区域法向距离20 m之前至穿过突出煤层顶板底板法向距离大于2 in的全部作业过程。其整体作业流程如图20-9所示。 石门及岩石井巷揭煤安全措施需要在以下四个地点进行，即距煤层法向距离10 m处地质构造复杂、岩石破碎的区域法向距离20 m、距煤层法向距离7 m处、距煤层法向距离5 m处和距煤层法向距离1．5．2 m处。主要包括超前探测、区域预测、区域防突措施、区域效果检验和远距离爆破揭煤五个部分。 ①超前探测与区域预测在距煤层法向距离10 m处地质构造复杂、岩石破碎的区域法向距离20m，施工3个前探钻孔，一是探明石门和岩石井巷掘进工作面距煤层的相对位置；二是利用前探钻孔测定煤层瓦斯压力，并取煤样测定瓦斯放散初速度和煤的坚固性系数。具备直接法测定瓦斯含量的条件时，也可以对煤层原始瓦斯含量进行测定。地质构造复杂时，可适当增加前探和预测钻孔数量。通过瓦斯参数测定结果，结合打钻过程中瓦斯动力现象预测前方煤层的突出危险性。 图20-9石门及岩石井巷揭煤施工流程图 ②防突措施对于区域预测为无突出危险的区域采用施工少量排放钻孔防突措施；对于预测为突出危险区域，必须采取区域防突措施抽排钻孔，并经效果检验残余瓦斯压力或残余瓦斯含量有效后，补充添设金属骨架，加固煤体；如检验无效，必须继续补充采取防突措施，并再次检验有效后方可继续向下施工。 ③对于石门和岩石井巷区域消除突出危险和无突出危险区域，继续施工时采用“四位一体”局部防突措施，采用综合指标D、K值和钻屑解吸指标K，及△值对工作面的突出危险性进行预测，预测有突出危险的区域必须采用局部防突措施。由于石门和岩石井巷揭煤钻孔工程量大，应在距煤层法向距离7 m处彻底消除揭煤控制范围内煤层的突出危险性，尽量使距煤层法向距离5 m时不需补充施工抽采钻孔。 石门和竖井、斜井工作面从掘进至距突出煤层的最小法向距离5 m开始，必须采用物探或钻探手段边探边掘，保证工作面到煤层的最小法向距离不小于远距离爆破揭开突出煤层前要求的最小距离。 ④远距离爆破揭煤施工至距煤层法向距离1．5-2 m处，在必要的安全防护措施下，利用远距离爆破揭开煤层。在揭煤工作面用远距离爆破揭开突出煤层后，若未能一次揭穿至煤层顶底板，则仍应当按照远距离爆破的要求执行，直至完成揭煤作业全过程。工作面需穿过煤层进入顶底板岩层距煤层法向距离2 m以上。 20．4石门及井巷揭煤前的探测及预测 20．4．1控制煤层层位钻孔的布置和要求 石门和竖井、斜井揭穿突出煤层前，必须通过钻探准确控制煤层层位，掌握煤层的赋存位置、形态，也可用物探等手段探测煤层的层位、赋存形态和底顶板岩石致密性等情况。在揭煤工作面掘进至距煤层最小法向距离10 m地质构造复杂、岩石破碎的区域距煤层法向距离20 m处之前，应当至少打3个穿透煤层全厚且进入顶底板不小于0．5 m的控制煤层层位钻孔，在煤层倾向上部布置1个钻孔，走向上布置2个钻孔；钻孔控制巷道轮廓外不小于l2 m范围，如图20一10所示。3个控制煤层层位钻孑L中至少有2个为前探取芯钻孔，并详细记录岩芯资料。 图20-10石门揭煤前探钻孔布置示意图658 1．2．3前探钻孔 保证控制层位钻孔施工质量，详细记录岩芯资料，绘制揭煤地点煤层赋存平、剖面图，掌握煤层厚度碛角、地质构造、井巷与煤层的相对位置。若发现断层、褶曲或煤岩层产状异常等，必须增加控制钻孔。 揭煤作面从距煤层法向距离不小于5m处地质构造复杂、岩石破碎的区域距煤层法向距离10 m处，实行边探边掘，探孔超前距离不得小于5 m，探孔数量根据实际情况确定，但不得少于3个，应准确探明煤层层位。 20．4．2 瓦斯压力测定钻孔的布置和封孔 石门和岩石井巷工作面距煤层法向距离不小于10m处进行煤层原始瓦斯压力测定，瓦斯压力测定可利用已施工的控制层位钻孔，测压钻孔数目不少于3个，两个钻孔的终孔间距应大于10m其中煤层倾斜方向上部必须布置1个钻孔，钻孔布置在无地质构造的地段；测压钻孔布置在石门揭煤轮廓外不小于6 m范围。近距离煤层群的层间距小于5 m或层间岩石破碎时，应当测定各煤层的综合瓦斯压力。 测压钻孔在每米煤孔采一个煤样测定煤的坚固性系数，，把每个钻孔中坚固性系数最小的煤样混合后测定煤的瓦斯放散初速度△p，则此值及所有钻孔中测定的最小坚固性系数／值作为软分层煤的瓦斯放散初速度和坚固性系数参数值。 若不利用前探钻孔测定瓦斯压力时，则测定钻孔应布置在该区域各钻孔见煤点间距最大的位置，同时必须对未利用测压的控制层位钻孔用水泥砂浆进行封堵。 20．4．3突出危险性预测 石门和岩石井巷揭煤的突出危险性预测包括区域性预测和工作面突出预测两部分。 石门和竖井、斜井揭煤的区域预测指标煤层瓦斯压力和煤层瓦斯含量需要在距煤层最小法向距离l0 TTl前进行。经区域突出危险眭预测，石门岩石井巷揭煤处存在突出危险时，必须在距煤层法向距离不小于7 m处采取区域防突措施；当预测为无突出危险时，对于浅部煤层埋深小于等于500 m可不采取区域防突措施，直接施工至距煤层法向距离5 m处；对于深部煤层埋深大于500 m建议在距煤层法向距离不小于7 m处采取施工部分抽排钻孔措施。经区域预测为无突出危险区域和已消突区域的需采用局部“四位一体”综合防突措施。 、 石门和竖井、斜井揭煤工作面的突出危险性预测必须在距突出煤层最小法向距离5 m地质构造复杂、岩石破碎的区域，应适当加大法向距离前进行。测定煤层钻屑瓦斯解吸指标△h2、K1值或综合指标D、K值。工作面预测钻孔不得小于3个，钻孔均匀布置，终孔须穿透煤层进入煤层顶板0.5 m，控制井筒轮廓线外46 m范围。 在经工作面预测或措施效果检验为无突出危险工作面时，可掘进至远距离爆破揭穿煤层前的工作面位置距煤层法向距离不小于l．5～2 m，再采用工作面预测钻屑解吸指标法的方法进行最后验证。若经验证仍为元突出危险工作面时，则在采取安全防护措施的条件下采用远距离爆破揭穿煤层；否则，必须采取或补充工作面防突措施。 当工作面预测或措施效果检验为突出危险工作面时，必须采取或补充工作面防突措施，直到经措施效果检验为元突出危险工作面。 20．5石门及井巷揭煤的防突技术措施 ﹤﹤防突规定﹥﹥中对石门、竖井和斜井等岩石巷道揭煤区域性措施规定如下穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施应当在揭煤工作面距煤层的最小法向距离7m以前实施（在构造破坏带应适当加大距离）。钻孔在最小范围是石门和竖井、斜井揭煤处巷道轮廓线外12m（急倾斜煤层底部或下帮6m），同时还应当保证控制范围的外边缘到巷道轮廓线（包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线）的最小距离不小于5m，且当钻孔不能一次穿透煤层全厚时，应当保持煤孔最小超前距15 m，如图20．11所示。 图2011石门与竖井揭煤消突控制范围示意图 当掘进至工作面法向距离不小于5 m处，经工作面突出危险性预测验证石门、竖井和斜井等岩石巷道揭煤工作面存在突出危险时，可采取局部防突措施。其中石门斜井等揭煤工作面的防突措施包括预抽瓦斯、排放钻孔、水力冲孔、金属骨架、煤体固化或其他经试验证明有效的措施，竖井揭煤工作面可以选用前款规定中除水力冲孔以外的各项措施。石门揭煤工作面钻孔的控制范围是石门的两侧和上部轮廓线外至少5 m，下部至少3 lrl。竖井揭煤工作面钻孔控制范围是近水平、缓倾斜、倾斜煤层为井筒四周轮廓线外至少5 m；急倾斜煤层沿走向两侧及沿倾斜上部轮廓线外至少5 m。下部轮廓线外至少3 rn。揭煤工作面施工的钻孔应当尽可能穿透煤层全厚。当不能一次打穿煤层全厚时，可分段施工，但第一次实施的钻孔穿煤长度不得小于15 m，且进入煤层掘进时，必须至少留有5 m的超前距离掘进到煤层顶或底板时不在此限。 由于石门和岩石井巷揭煤的特殊性，一般在距煤层法向距离7 m处的区域防突措施便要求消除揭煤处规定范围的突出危险性，工作面的突出预测也要求在法向距离不小于5 m处进行，因此实际操作过程中，可以在法向距离7 m时一同完成上述工作，但是在此后的施工过程中应坚持循环预测验证，如存在突出危险性时，补充局部防突措施。 防突规定规定的石门和岩石井巷揭煤中的主要区域技术手段为穿层抽采，局部技术手段包括预抽瓦斯、排放钻孔、水力冲孔、金属骨架、煤体固化或其他经试验证明有效的措施，在实际揭穿突出煤层过程中上述措施往往综合运用，为了保证揭煤工作的经济性、安全性，实现快速揭煤，可将上述措施分为主要揭煤技术措施预抽钻孔、排放钻孔、加强型措施水力冲孔、水力扩孔、冲煤扫孔等和安全保障型措施金属骨架、煤体固化、顺层钻孔等。 20．5．1主要揭煤技术措施 通过20．2节对石门和竖井揭煤工作面应力分布及突出特点的分析可知，采用抽排煤层瓦斯，降低瓦斯压力，释放瓦斯膨胀能，降低应力集中的影响，增加煤体强度，在石门和竖井简周围形成足够厚度的安全区成为石门和竖井防治煤与瓦斯突出的主要技术方向。钻孑L预抽瓦斯正是满足上述条件的理想选择。钻孔预抽瓦斯消除突出的原理是利用钻孔增加应力集中区煤岩体的损耗，在非弹性变形能作用下造成钻孔空间周围煤体卸压变形，使应力集中峰值降低，石门和竖井四周应力集中峰值点外移。同时利用工作面前方煤体卸压变形、煤体的透气性大大增加的有利条件，通过对石门和井筒周围一定范围内煤体瓦斯的抽采，降低煤体中积蓄的瓦斯膨胀能、煤体孔隙瓦斯压力，使煤体部分孔隙闭合，增强煤体强度。当煤体瓦斯预抽达到一定程度后，瓦斯膨胀能减小到不足以粉化、抛射 硅岩体时，预抽范围内的煤体便失去了突出危险，在石门和井筒周围形成一定厚度的安全区，从而防止石门和竖井煤与瓦斯突出的发生。 20．5．1．1排放钻孔法 排放钻孔是揭煤的一种常用防突措施。该措施是在揭煤前由工作面向前方煤体打钻孔j排放煤体瓦斯并使煤体产生卸压，从而在工作面揭煤时起到防突的作用，由于防突需要的排放钻孔数量较多，且一般成排布置，故又称多排钻孔。排放钻孔防突措施工艺简单，效果较好。对于石门揭开缓倾斜煤层，由于钻孔较长，并且钻孔的岩石段较大，尤其是遇到硬岩石时，打钻的时间多，工作量大。排放钻孔必须满足下列条件 ①排放钻孔应控制到揭煤处轮廓线外612 m的煤层范围内。 ②排放钻孔的直径为75～120 mm，钻孔间距根据煤层透气性和生产计划允许排放的时间来确定，一般要求孔底见煤间距不大于2m。 ③钻孔应一次打穿煤层全厚。 ④排放钻孔在揭穿煤层之前应当保持自然排放。 ⑤适用于有足够排放时间的工作面，对瓦斯抽采效果较差的工作面竖井工作面，可以配合冲煤扫孔加速瓦斯排放技术共同使用。 俞启香教授对天府磨心坡矿石门采用排放钻孔的防突措施进行了系统研究㈣，采用该技术成功揭开l00多处突出危险煤层，其在110 rn水平石门排放钻孔情况见图20．12和表20．1。其中大部分揭煤地点距地表深500 m以上，煤层瓦斯压力4～8 MPa，煤层厚度3.5 m，倾角60～65。当石门掘进到距煤层5～8 m处，停止掘进，在石门工作面周边顶部及两侧向煤层施工直径75 mm的扇形 图20．12天府磨心坡矿110。水平石门揭煤排放钻孔示意图‘2’数字为钻孔编号 穿层钻孔，钻孔穿透煤层全厚，钻孔开孑L间距为0．3～06 m，孑L底间距2 m左右。先施工一排钻孔10～15个，然后钻机后退3～5 m，再施工第二排钻孔10～15个。在预定的石门揭穿煤层的轮廓外形形成走向长l0～20 m，倾斜长810 m的排放瓦斯区，其排放瓦斯范围为石门断面积l5倍左右。如果遇地质异常，突出危险性大时，可再后撤35 m施工第三排钻孔。如果石门底部也有突出危险时。可向底部施工排放钻孔。扇形孔与石门中心线方向的夹角为65。～90。。排放瓦斯时间一般为3个月。如果瓦斯压力和瓦斯排放量在3个月达不到规定的安全值时，宜适当延长时间或加密钻孔。 表20．1 天府磨心坡矿石门揭煤排放钻孔钻孔参数‘21 排号 孔号 仰角 ／ 方位 ／ 间距 ／m 排号 孔号 仰角 ／ 方位 ／ 间距 排号 孔号 仰角 ／ 方位 ／ 间距 ／m 1 0 29l x一1 0.8 10 13 236 810 0.6 19 26 284 1719 0.3 2 O 270 X2 0.8 I 11 9 278 911 0.6 20 26 277 18-20 0.3 3 4 258 t3 0.3 12 37 282 1012 0.6 21 31 293 19之l 0.4 4 4 263 214 0.3 13 18 296 xl3 1.0 Ⅱ t 22 3l 268 20_22 0.4 I 5 19 313 35 0.35 14 18 265 x一14 1．O 23 36 295 21-23 0.4 6 19 249 40.35 15 16 280 13一l5 0.25 24 36 275 22_24 0.4 7 7 286 57 0.4 Ⅱ 16 16 279 1416 0.25 25 40 260 23～25 0.4 8 7 273 6．8 0.4 17 2l 29l 1517 0.25 9 13 304 79 0.6 18 21 270 1618 0.25 测压 0 25 260 巷顶 天府磨心坡矿的实测结果表明，排放钻孔除能部分排放煤体所含瓦斯使瓦斯压力降低外，还能使煤体产生收缩变形、卸压和煤层透气性的提高，这些均有利于防治突出见表20-2。 表20-2 天府磨心坡矿排放钻孔的防突效果 排放前 排放后 地点 孔数 ／个 排放 时间 ／d 排放瓦斯量 ／m’ 煤层收 缩变形 ／％0 瓦斯 压力 /MPa 透气性系数 ／m2．MPa2d‘1 煤层收 缩变形 ／_白 瓦斯 压力 ／MP8 透气性系数 ／m2MPa2d一1 防突 效果 110 m水平 南8石门 25 240 7 371 3个月 O 4.22 0.116 2 0.42 6.87 安全揭 穿煤层 110 m水平 南9石门 25 300 3 230 3个月 0 4.22 0.05 1.8 0.25 19.4 安全揭 穿煤层 10 m水平 圭石门 48 390 31 495 0 6.28 0.049 1.52.2 0.59 25.7 安全揭 穿煤层 20．5．1．2预抽瓦斯法 预抽瓦斯是揭煤采用的一种最有效的防突措施。在煤层透气性比较小的揭煤工作面尤其适用，应优先采用。该项措施是在揭煤工作面采用 排放钻孔措施自然排放瓦斯作用的基础上，预先抽采煤层中的瓦斯，加快瓦斯排放和突出煤体卸压速度，一般要求 ①有足够的预抽时间一般不少于3个月。 ②抽采钻孔孔底应布置到井筒周界外6～12 m的煤层内。 ③抽采钻孔的直径通常可取75～120 mm，钻TL孑L底间距一般为2。3 m。 ④抽采钻孔在揭穿煤层之前应当保持抽采状态。 中梁山矿务局北矿从20世纪80年代初应用石门钻孔集中抽采以来，安全揭开突出煤层84次．无一次发生突出。石门掘进时间由过去采用自然排放瓦斯措施时的1-2 a降到7．5个月，经济效益十分明显归1。试验地点石门全长70．35 m，含煤9层，煤层总厚11．40 Ill，地质构造极其复杂，具有大小断层11条，煤层倾角63。～76。，埋深437 m，煤层透气性一般为0．640．68 m2／MPa2．d。首先在距K10煤层底板5.4 m的石门中央向西施工一个地质钻孔，穿透石门内的全部煤层，掌握煤层的赋存情况。然后先后布置了9个测压钻孔测定9个煤层的瓦斯压力，用来测定抽采瓦斯前后揭煤地点煤层的突出危险性。共布置ll个抽采钻孔，抽采半径3～3．5 rll，按扇形孔方式布置，在开口处均匀布置3排钻孔，其中穿透K。煤层的钻孔6个1～6号孔，穿透K，煤层的钻孔5个7～11号孔。突出强度大的K，”K卟K，煤层石门周边外控制范围为6 m，K7～K煤层石门周边外控制范围大于3 m 图20．13。 图20．13 中梁山北矿石门揭煤抽采钻孔布置示意图[9] 预抽煤层瓦斯前，煤层群的综合瓦斯压力和单一煤层的瓦斯压力一般为1.041.72MPa，采用综合指标D、K指标预测出石门具有突出危险性；预抽煤层瓦斯后，煤层瓦斯压力下降到0.2MPa以下，平均瓦斯抽采率达到40％左右。各抽采钻孔的瓦斯抽采结果见表20-3。实测结果表明，较长抽采钻孔（1-6号孔）的抽采浓度较高，可达30％，而对较短抽采钻孔（7-11号孔），抽采前期高后期低。抽采后测得的各孔自排瓦斯流量为0。实测结果表明，抽采118d后，抽采影响范围大于6m。 20-3 中梁山北矿石门揭煤抽采瓦斯[9] 孔号 自然排量 ／m3．Min-1 孔口负压 ／kPa 抽采浓度 ／％ 抽采流置 ／m3．min。1 抽采蘑 ／m3 抽采时间 ／d 终孔煤层 1 0.048 6.67～32.66 3595 0.03．O．21 84 354 796 K1煤层 2 0.065 5.33.32.66 3095 0.04～0.14 85 765 796 K．