第四章煤与瓦斯突出防治技术.doc

第四章 煤与瓦斯突出防治技术 第一节 概述 一、综合防治突出措施 经过多年来的科研试验和生产实践，我国煤矿防治煤与瓦斯突出技术不断取得改进、完善和提高。特别是自二十世纪八十年代以来，已从单一的防止煤与瓦斯突出发生的技术措施发展为由突出危险性预测预报、防突技术措施、防突措施效果检验和安全防护措施组成的所谓“四位一体”综合防突措施体系，使防突技术提高到一个新水平。“四位一体”防突措施的主要特点是将突出危险性预测和效果检验纳入了综合措施。 按我国煤矿安全规程要求，开采突出煤层时，必须采取综合防治突出措施。 突出危险性预测是综合措施的第一个环节。预测的目的是确定突出危险区域和地点，以便使防突措施的执行更加有的放矢。国内外多年来开采突出煤层的实践表明，突出呈区域分布，在突出煤层中，只有部分区域（大致占整个开采区域的10～30）才发生突出。因此，不论是否有突出危险，凡在突出煤层实施采掘作业时一律采用防突措施， 这在技术上是不合理的，在经济上是不合算的。这样执行的结果使防突工作带有一定的盲目性，且由于在原本无突出危险的区域和地点采用了防突措施，必将造成人力和财力的浪费，大大减缓采掘进度。随着防突科学技术的发展，特别是多年来在突出预测方面所取得的科学试验研究成果，使突出预测由试验研究进入实用阶段。我国自1988年颁布了第一部防治煤与瓦斯突出细则后，普遍要求在各突出矿井开展突出预测工作，并规定了预测方法和预测指标（详见本篇第三章）。 防治突出措施是防突综合措施的第二个环节，它的根本任务是消除突出危险，防止突出发生。这是防止发生突出事故的第一道防线。防治突出措施仅在预测有突出危险的区域和区段应用，它是国内外防突工作的重点。数十年来，我国各严重突出矿区在抚顺分院、重庆分院和中国矿业大学等的合作下，试验研究成功了多种区域和局部防突措施，现已在各突出矿井推广应用。本章将重点介绍近期应用的新的有效防突措施。 防突措施的效果检验是防突综合措施的第三个环节，目的是在防突措施执行后检验预测指标是否降低到突出危险临界值以下，来判断措施是否有效。实践表明，各种防突措施，特别是局部防突措施，尽管经科学试验证实防突是有效的，但在生产中推广应用后，都无例外的发生过少数的突出。即使在同一突出煤层，该措施在某一些区域是有效的，但在另外一些区域则无效。措施失效的原因在于井下条件的复杂性，如煤层赋存条件变化，地质构造条件变化以及采掘工艺条件改变等。根据对南桐、松藻、天府、中梁山和北票五个局1986年发生突出事例的分析表明，当年共发生突出338次，其中81次是在执行防突措施后发生的，占突出总次数的24.3。为了提高措施的防突可靠性，在防突措施执行后，要求对其防突效果进行检验（措施效果检验方法基本与突出危险性预测方法相同（本章不再重复）。如检验结果措施无效时，则应采取附加防突措施。 安全防护措施是综合措施的第四个环节，它是防止突出事故的第二道防线。安全防护措施的目的在于突出预测失误或防突措施失效发生突出时，避免发生人身伤亡事故。我国煤与瓦斯突出已发生1.4万次以上，但突出造成人身伤亡事故仅是少数，主要原因是采取了安全防护措施（震动爆破、远距离爆破等）。 “四位一体” 综合防突措施的执行系统见图3-4-1-1，按照该系统，首先经区域预测，将突出矿井的煤层划分为突出煤层和非突出煤层，再通过区域预测把突出煤层划分为突出危险、威胁和无突出危险区，最后通过工作面突出危险性预测把工作面划分为突出危险和无突出危险工作面。只有在预测有突出危险的工作面才采取防止突出措施，且在措施执行后进行防突效果检验。在突出煤层的突出威胁区，仅采用安全防护措施，但应根据煤层的突出危险程度，采掘工作面每推进30～100m，应用工作面突出危险性预测方法，进行验证性工作面预测，预测有突出危险时，该区域即改划为突出危险区。按上述综合措施防突的优点是，防突措施更加有的放矢，提高了措施的防突效果，提高了突出煤层的采掘速度，提高了突出矿井的经济效益。 图3-4-1-1 防突综合措施实施系统图 实践证明，“四位一体”综合防突措施带来的安全效益和经济效益都是十分显著的。“四位一体”综合防突措施的理念在我国煤矿得到普遍的认同和广泛的应用，是我国煤矿自20世纪80年代以来突出事故得以遏制，突出次数明显下降的一个主要原因。例如，焦作矿务局严格执行综合措施后，近年来突出次数减少，杜绝了突出人身事故，九五期间，平顶山八矿实施综合防突措施后，未发生一次突出，掘进速度由29.2m/月提高到54m/月。平顶山十矿两个回采面实施综合措施后，使采面推进速度提高了45以上，减少防突措施工程量85以上。 近年来，围绕“四位一体”防治措施的各个环节，研究发展和推广应用了许多新技术，在防治突出措施方面，有大面积预抽煤层瓦斯（穿层网格钻孔，本层顺层长钻孔和交叉布孔）的技术、提高煤层瓦斯抽放效果的技术（控制预裂爆破、水力扩孔等）、煤巷掘进的综合配套防突技术、机掘巷道的钻掘一体化、割掘一体化技术、石门揭煤防突新技术等，使防突效果及技术经济指标都得到很大提高，防突措施向综合配套方向发展是近年来的一个重要特点。此外，从矿井防治突出的全局考虑，煤科总院重庆分院在“四位一体”的基础上，进一步提出了包括合理采掘部署、突出危险性预测、防突措施、措施效果检验及安全防护措施相结合的“五步配套”综合防治突出的新思路。通过在芙蓉矿务局白皎煤矿近5年的研究试验，使严重突出矿井的综合防突技术提高到一个新水平，突出得到了有效的控制，矿井实现了安全和正常生产。 二、防治突出措施的原则与分类 当前对突出理论的认识是，煤层（包括围岩）中地应力和瓦斯压力是突出的主要原动力；煤层是受力体，是被破碎和抛出的对象；采掘工艺条件是突出发生的外部诱导因素。基于这种认识，制定防治突出措施，可归结为以下几个基本原则。 （一）巷道布置和开采方式要提供足够的时间和空间，有利于实施综合防突措施；煤层巷道应尽量布置在非突出煤层或突出煤层的保护区内；保护层实行连续开采不留煤柱；地质构造复杂的矿井，则应按地质构造划分盘区，每个盘区自成一个开采系统。 （二）部分卸除煤层区域或采掘工作面前方煤体的应力，使煤体卸压并将集中应力区推移至远离工作面。 （三）部分排放煤层区域或采掘工作面前方煤体中的瓦斯，降低瓦斯压力（含量），减小工作面前方煤体中的瓦斯压力梯度。 （四）增大工作面附近煤体的承载能力，提高煤体稳定性，如金属骨架、超前支护和注浆加固煤体等。 （五）改变煤体的性质，使其不易于突出。如煤层注水后，煤体弹性减小，塑性增大，煤的放散瓦斯初速度降低，使突出不易发生。 （六）改变采掘工艺条件，使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯压力状态平缓变化，达到工作面自身卸压和排放瓦斯，消除和减小突出危险性。如水平分层开采、刨煤机和浅截深机组采煤、间歇作业等皆属此类。 应当指出，上述前三个原则（卸压和排放瓦斯）是减少发生突出的原动力，是釜底抽薪的防突方法，因此，它是国内外绝大多数防突措施制定的主要依据。诸如开采保护层、预抽煤层瓦斯、超前钻孔、水力冲刷和冲孔、松动爆破等，皆系根据这三个原则。上述第四、五个原则是增大煤体对发生突出的阻力，实践证明，它对防止小型突出，特别是倾出类型的突出是有效的，但对大型突出起不到防止的目的。按上述第六个原则制定防突措施是最理想的，因为它只是改变巷道布置和采掘工艺，而勿须专门制定防突措施。在这方面，芙蓉矿务局白皎煤矿取得了成功的经验，并已推广应用。随着突出煤层采掘机械化程度提高，加强研究能消除或减小发生突出危险性的采掘工艺参数是十分必要的。在突出危险的采掘工作面实现无人工作面或采掘机械的远距离操作，也是一种不可忽视的安全防护措施。在这方面，德国在一些突出煤层作业的刨煤机已实现了无人工作面。 防止突出措施一般按其实施的空间和作用影响的范围分为两大类即区域性防突措施和局部防突措施。 国内外突出矿井中应用的主要区域和局部防突措施如图3-4-1-2所示。 图3-4-1-2 防突措施分类系统图 第二节 区域性防止突出措施 一、概述 迄今为止，开采保护层是防止煤与瓦斯突出最简单、最有效、最经济的区域性措施。自1937年法国最早使用这一措施以来，几乎所有发生煤与瓦斯突出的国家，只要有保护层条件的都采用了这种措施。我国自1958年以来先后在北票和重庆地区进行了开采保护层防止煤与瓦斯突出的试验，取得了显著效果。以后又逐渐在涟邵、水城、鸡西、湖南等矿区推广应用。实践证明，采用开采保护层这一措施后，在被保护区域，基本上都消除了煤与瓦斯突出危险。 但是，开采保护层措施的应用受到煤层赋存条件的限制，在开采单一煤层、煤层群中层间距很大以及各开采煤层都具有突出危险的情况下，将没有或没有合适的保护层可供选择。据统计，我国突出矿井中具有保护层开采条件的仅占三分之一。近年来，随着抽放瓦斯技术的改进和完善，治理矿井瓦斯的需要，环保意识的加强，特别是将煤层瓦斯作为一种高效、洁净能源开发和利用的认识，使大面积预抽煤层瓦斯这种区域性防突措施得到了迅速的发展。除了在一般没有保护层开采的条件下应用外，国内一些矿区还试验将大面积预抽煤层瓦斯作为矿井直接开采严重突出危险煤层的主要技术措施，以达到在保证安全生产前提下取得更好的经济效益的目的。 二、开采保护层（淮南矿区煤层群多重开采上保护层防突技术） 我国从1958年开始在北票矿务局和重庆地区煤矿进行开采保护层的试验。40多年以来，保护层开采技术得到了较为广泛的应用。20世纪70年代国内在天府矿务局等地进行了较系统的保护层开采效果考察研究。 但保护层开采技术的发展还有待从理论研究、现场工艺技术、保护效果分析方法等方面进行深入研究。在理论研究的基础上对被保护层的保护效果、沿走向和倾斜方向的卸压角进行考察确定。我国淮南矿区属煤层群开采，具有煤层群多重开采保护层的独特条件，在全国极有代表性。淮南矿业（集团）有限责任公司新庄孜煤矿在B组煤开采过程中采用组内联合布置方式，首采无突出危险的B8煤层，再依次开采B7、B6和B4煤层。B6、B4为突出危险煤层，尽管B8、B7煤层的开采对其进行了卸压保护，但其卸压保护范围、保护效果等都需要进行科学考察确定；由于B8为组内首采层，邻近层瓦斯大量向其采掘空间涌出，也需寻求有效的瓦斯治理措施。 （一）保护层开采的防突原理 所谓保护层，通常是指在煤层群开采中，某些煤层具有煤与瓦斯突出或冲击地压危险，而另一些煤层不具有这种危险或危险性较小，这时，根据赋存关系，选择后者先行开采，然后再开采前者。先行开采的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层之上的称为上保护层，反之称为下保护层。保护层开采后，周围的煤岩层向采空区移动，采空区上方岩体冒落并形成自然冒落拱，采空区下方岩体向采空区膨胀形成裂隙，使得采空区上下方煤岩体产生应力、透气性、瓦斯压力、位移等变化。 国内外的考察资料证明，保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯动力参数发生显著变化，从发生变化的时间顺序看，卸压作用是最先出现的，有些卸压过程甚至在保护层工作面前方10～20m处开始。一般在工作面后方，当膨胀变形速度加快时，瓦斯动力参数才发生显著变化。其顺序可表示如下 开采保护层→岩层移动→被保护层卸压（地应力降低、煤层膨胀变形）→（透气性增加、瓦斯解吸）→煤（岩）层瓦斯排放能力增高→（瓦斯排放、钻孔瓦斯流量增大→瓦斯压力降低→瓦斯含量减少→煤体机械强度提高→应力进一步降低）。 开采保护层防止煤和瓦斯突出的原理可用图3-4-2-1表示。 图3-4-2-1 开采保护层防止煤与瓦斯突出原理框图 分析表明，尽管保护层的保护作用是卸压和排放瓦斯综合作用的结果，但卸压作用是引起其它因素变化的依据，卸压是首要的、决定性的。因此，只要突出层受到一定的卸压作用，煤结构、瓦斯动力参数便发生如上顺序的变化。在层间距离较远、中间有坚硬岩层的情况下，突出煤层卸压、煤层瓦斯压力降低及其透气性增加是无疑的，只是程度有所下降，瓦斯的自然排放速度要慢一些。从前两个因素变化讲，都是有利于消除突出的，即使不能完全消除突出危险性，也会使突出危险性有所降低。此种情况在煤层群条件下，可利用多重开采上保护层的保护效果，使层间距较远的突出层也得到保护。 （二）保护层开采的参数考察及效果分析 详情参见本书第八篇第三章。 三、大面积预抽煤层瓦斯防突技术 采用大面积预抽煤层瓦斯作为区域性防突措施的试验在我国始于20世纪70年代末，首先在抚顺、中梁山和北票矿务局取得成功。通过加密钻孔预抽使其周围煤体的瓦斯得到排放，瓦斯压力降低，瓦斯含量减少，释放了瓦斯潜能。随着瓦斯的不断排出，煤体发生收缩变形，透气性大幅度增高，又导致钻孔抽放影响范围的扩大和抽放瓦斯效果的进一步提高，同时煤的机械强度也相应增高，提高了煤体的抗破坏能力。综合这些因素的变化，最终达到削弱和消除突出危险的效果。 预抽煤层瓦斯作为区域性防突措施，不仅适用于开采单一突出煤层的矿井，也可用于煤层群开采的首采突出层。因此，预抽煤层瓦斯防突措施在我国具有较广泛的应用前景。目前预抽煤层瓦斯采用有穿层钻孔和顺层钻孔两种方式，分别适用于不同的煤层条件。但无论采用何种预抽方式，都要为预抽瓦斯提供必要的空间和时间超前量，才能保证取得良好的防突效果。 （一）网格钻孔预抽瓦斯防止突出 1、原理及工艺 网格预抽瓦斯防止突出，就是用均匀且较密集的布孔，使钻孔在突出煤层内的终孔点成网格状（防止煤层内有抽放的死角），通过尽量短的预抽时间，使总抽出量能达到钻孔控制区域瓦斯储量的25以上，达到有效防突的目的。 大面积网格预抽瓦斯防突的钻孔控制范围为工作面回采区及其巷道轮廓线以外15m的范围，在此范围内均匀施工钻孔进行有效预抽。中梁山、北票、芙蓉、天府、松藻和六枝矿务局都先后试验过网格钻孔预抽瓦斯的技术，并取得了良好的效果。 网格钻孔预抽瓦斯防突方法与开采保护层相比，井巷工程量可以减少一半以上，节省准备时间1～1.5年。投入成本仅为开采保护层的三分之一。综合比较，网格钻孔预抽瓦斯措施具有施工安全、工程量少、准备时间短、投入少等优点，具有良好的推广应用前景。在有条件的工作面，网格钻孔预抽瓦斯方法同本煤层预抽瓦斯方法配合，抽放效果更好。 2、中梁山矿务局南矿 网格式穿层钻孔预抽煤层瓦斯防突的试验工作，地点选在南矿280m水平南东区三石门至三半石门的K10 煤层内。该区二半石门至五石门共揭K10煤层10次就发生了5次突出，其中最大一次突出煤量达1800t。试验区走向长150m，斜高 25m，煤厚 2m，煤层倾角65。在该区共布置6个抽放钻场，间距25～26m。以 6.25m 的抽放半径共布置预抽钻孔22个，钻孔呈网格状均匀分布，控制 128m 长的预抽区域，孔径为75mm，预抽 19个月后， 煤层瓦斯压力由 2.8 MPa 降至 0.4 MPa； 煤层透气性系数由0.8m2/MPa2d 增加至 7.6 m2/MPa2d，增加了8倍多； 煤体发生收缩变形达1.5‰～2.6‰；煤体硬度增加了3倍以上。共抽出瓦斯 143.5103 m3，平均瓦斯抽放率为48。 该试验区的南东三石门K10 煤层经预抽后用震动放炮揭煤未发生突出，并由揭开的南东三石门沿K10 煤层作平巷100m也未发生突出，掘进过程中采用钻屑指标法预测突出危险性，测定钻屑值为3L/m，最高4.6L/m。掘进中瓦斯涌出量0.15～0.3m3 /min ，均属正常范围。证实K10 煤层经预抽瓦斯后已完全消除了突出危险性。 3、 北票矿务局台吉竖井 台吉竖井西五石门区10煤层预抽瓦斯试验区走向长310m，倾斜长173m，煤层厚度2.0～4.5m,平均3.8m，倾角57℃～67℃，标高为-427m和-475m水平。 穿层钻孔按1010m的网格布置，钻孔直径主要为86mm。上段共打孔134个，钻孔总长3957m；下段共打钻孔198个，总长6655m。经过388～395天的抽放，10煤层全区抽排率平均达到21.6，瓦斯压力值从原来的4.6～7.1MPa（平均6.07MPa），下降到0.5～5.9MPa平均2.27MPa,下降值分别为0.75～5.3MPa（平均为3.81MPa）,平均下降了62.8。 预抽后的10煤层在采掘过程中，采区供风量1100m3/min的情况下回风中瓦斯含量为0.1～0.25，与邻近未抽放采区相比，瓦斯涌出量有明显降低（东邻的西四石门区及上水平西五石门区10煤层回采时，回风瓦斯浓度一般为0.7，并经常超过1）。东翼各顺槽掘进时，瓦斯涌出量仅为0.2～0.8m3/min，并且无任何瓦斯动力现象发生。 4、 芙蓉矿务局白皎矿 预抽的K1、K3 煤层均为严重突出煤层， 且煤层层间距较小（3.0～10.4m），上部K3 煤层掘进或回采时，若层间岩层变薄、强度变小，K1 煤层则可能产生延时性突出和瓦斯喷出，这给局部防突带来极大的困难。K3煤层的防突分掘进和回采两个阶段，掘进阶段预抽瓦斯防突是指向K3 煤层待掘巷道及其轮廓线以外15m范围内施工底板穿层预抽钻孔，穿至K3 煤层顶板0.5m，工作面内的防突钻孔穿至K1 煤层（下部煤层）顶板0.5m，防止下部煤层瓦斯涌向首采层的工作面；回采阶段预抽瓦斯防突是指K3 煤巷掘出后，在煤巷中向工作面待采煤层施工顺层抽放钻孔，进行边抽边采。 图3-4-2-2 网格式抽放钻孔布置剖面示意图 网格预抽时，底板岩巷布置在煤层底板较稳定的砂岩中，为减少采动影响，一般布置在距煤层30～40m处。在底板抽放巷中每隔20m施工一个钻场，每个钻场施工6个穿至K3 煤层的钻孔。考察时布置了3种密度的钻孔。55m钻孔密度施工成本高、难度大、工程量大，现全矿应用1010m钻孔密度。一般钻孔施工倾角25～50，钻孔长度 45～75m，孔径为 64mm。预抽控制带吨煤钻孔长度为0.007m/t。钻孔封孔采用水泥、石膏浆机械注入式封孔，封孔长度5m。 K3 煤层预抽12个月后透气性系数由0。035m2/Mpa.d增大到3.05 m2/Mpa.d，增大85倍；煤层收缩变形1.15‰；煤体应力下降2.10～3.84MPa；瓦斯压力由2.48MPa降至0.6～0.7MPa，瓦斯抽出率达25，煤体的弹性潜能和瓦斯压能大为下降，从而削弱乃至消除了突出危险性。为保证煤层透气性和煤的力学性质变化有充分的均匀化过程，必须有足够的预抽时间。白皎矿规定预抽时间为15个月、瓦斯抽出率28作为预抽防突有效的抽放指标。实施网格预抽后，在掘进和回采过程中均按防突要求进行了突出预测预报，瓦斯涌出初速度为 0～1.6 L/min m），钻屑量 2.6～4.6 Kg/m，均未超过突出临界指标值 6 L/minm 和 5 Kg/m；掘进巷道1083m，K3煤层采出煤炭63 Kt， 均未发生瓦斯动力现象。实施网格钻孔预抽措施与未采取此措施相比，掘进时绝对瓦斯涌出量减少0.4～0.6m3/min，月掘进效率提高20～25 。 5、天府矿务局刘家沟煤矿 天府矿务局刘家沟煤矿主采 K2 和 K6 煤层，两煤层层间距为68m左右。K2煤层平均厚3.86m，倾角58，煤质松软，f值为0.1～0.6左右，实测最高瓦斯压力8.4 MPa，至今已突出26次，最大突出强度为5488 t煤，涌出瓦斯562Km3，是严重突出煤层。 建矿以来，刘家沟煤矿主要采取了开采远距离保护层（K6煤层）结合抽放瓦斯的区域性防突措施，并取得了较好效果。但是白岩洞断裂带受地质构造破坏，保护层薄化，无法开采。若开采岩石作保护层，吨煤成本增加43元，且劳动条件恶劣，尘肺病无法控制，其经济和技术上都极不合理。所以，采用预抽瓦斯防突措施。 网格预抽试验利用了70m和160m茅口大巷及补掘的120m茅口中巷布置抽放钻孔。钻孔间距采用8m8m（走向倾向），考虑到开采时将先掘煤层大巷，中巷和回风巷，该三条巷道掘进范围的预抽时间相应地要小于其它区域的预抽时间，所以巷道对应的走向条带孔距加密为6m8m（走向倾向）。区内共打抽放孔1430个，考察孔13个。 在120m茅口中巷布置测压孔6个，测得瓦斯压力3.2～4.7MPa,2个孔测定煤层透气性,分别为0.03m2/Mpa.d 和0.066m2/Mpa.d，70m水平北4石门及南北石门分别测得瓦斯压力为8.4MPa及6.5MPa，对抽放半径的考察表明,孔距在3.2m以内,抽放510～535天后,瓦斯压力可降至1MPa以下. 经推算,要使煤层瓦斯压力降至安全值,70m及120m水平的预抽率应分别达到64.3和58.6。试验区的抽放钻孔中，绝大多数钻孔实际抽放时间达800天以上，最长达1337天，预抽率最高的钻场达85.75。 尽管煤层瓦斯压力较高，透气性较低，但经过1.5～2年预抽瓦斯后，煤层开采时，瓦斯动力现象基本消失，瓦斯涌出量正常，无瓦斯超限现象，残存瓦斯压力和瓦斯含量明显下降，突出危险性大大降低，或基本消除突出危险。（见表3-4-2-1） 表3-4-2-1 天府刘家沟矿预抽前后煤层瓦斯参数及动力现象对比 名称 瓦斯动力现象 瓦斯压力等参数 突出危险性 预抽前 打直径300mm钻孔突出1867t 70Scc24石门揭煤突出2881t 瓦斯压力7.2MPa 瓦斯含量14m3/t 严重突出危险性 195号钻场 发生一次喷孔现象，煤质松软 卡钻、垮孔严重，瓦斯不超限 预抽率47，残压1.2MPa 瓦斯含量11.16m3/t 局部地点有一定突出危险性 194号钻场 无喷孔现象，煤较硬，卡钻、垮孔现象较小，瓦斯不超限 预抽率85，残压0.14MPa 瓦斯含量3.1m3/t 基本消除突出危险 193号钻场 无喷孔现象，煤较硬，卡钻、垮孔现象较小，瓦斯不超限 预抽率63，残压0.6MPa 瓦斯含量7.8m3/t 基本消除突出危险 6、松藻矿务局打通一矿、石壕矿 在底板茅口灰岩专用瓦斯巷道打穿层钻孔穿透突出危险煤层8层（或保护层煤柱影响带）预抽瓦斯。孔间距8～10m（均为抽放卸压瓦斯钻孔间距15～20m的1/2），呈网格式布置。孔径65～87mm，封孔长度2.5～3m。孔口抽放负压13～20KPa。连续预抽六个月，抽出率可达到20～28，起到了区域性防止突出危险的作用。 （二）顺层长钻孔预抽瓦斯防突技术 网格式穿层钻孔抽放方式对于许多高瓦斯、突出矿井防治煤与瓦斯突出和降低瓦斯涌出量起到了显著的作用。但是与之相比，顺层钻孔完全沿煤层钻进，抽放的效率高；可利用生产巷道打钻，节约了辅助岩巷；钻孔的施工速度比较快，施工成本也低。因此，扩大顺层钻孔的应用对于煤矿降低抽放成本和增大抽放应用规模有非常重要的意义。参见穿层钻孔与顺层长钻孔结合抽放示意图3-4-2-3。 图3-4-2-3 白皎煤矿穿层钻孔与顺层长钻孔相结合的抽放布置示意图 然而，顺层钻孔的成孔长度是影响其抽放效果和应用范围的重要因素，如果不能达到一定的长度，则钻孔在巷道排放瓦斯带内的比例相对较大，抽放效率降低。此外，区域性瓦斯治理措施的基本要求是在该区域采掘工作开始之前即应消除或降低煤层的瓦斯威胁。短钻孔无法使抽放作用有效地延伸到未采掘的区域，只能用于本工作面内的局部瓦斯抽放，也就不能起到目前穿层钻孔具有的区域性预抽作用。所以，为了扩大顺层钻孔在抽放瓦斯领域的应用，成孔技术是前提，合理的布置方式和参数则是实现有效抽放的手段。 1、提高突出煤层中定向顺层钻孔成孔长度的技术途径 在20世纪80年代以前，多数矿井施工的顺层钻孔长度一般都不超过100m。 调查分析发现，造成国内顺层钻孔施工效果差的最主要原因是煤层钻孔垮孔的程度比岩石钻孔严重，尤其是高瓦斯、突出煤层中钻孔发生的喷孔现象更加剧了钻孔的垮塌，因而要求有更大的排渣能力。但现有的打钻技术对保证有效排渣所采取的措施远远不够，绝大多数钻孔都因钻屑阻塞、产生卡钻（或抱钻）而未能达到预期的深度。其次，钻机、钻具等装备也不能满足顺层长钻孔的施工要求。 此外，与目前一般顺层钻孔不同的是，长钻孔的轨迹必然有更大的偏斜，导致钻杆旋转阻力加大，并且可能过早穿出煤层进入围岩。同时，需要抽放的高瓦斯煤层中很多具有突出危险性，打钻过程中伴随的强烈喷孔则加剧了垮孔，使排渣更加困难，对施工人员的安全也有一定的威胁。所以，尽可能减弱或消除打钻过程中的喷孔将为施工顺层长钻孔提供有利的条件。因此， 顺层长钻孔施工从研究有效的排渣工艺和适当的技术参数入手，同时研制适合长钻孔施工条件的大功率钻进设备，研究确保钻孔定向钻进和减轻喷孔程度的技术措施。 2、装备与工艺 1） ZSM-250型顺层强力钻机 ZSM-250型钻机在增大钻机扭矩和推进力的同时，合理选材和精确设计，尽可能减小钻机尺寸和重量，钻机的最大旋转扭矩达到了2400Nm，而主机最大长度却只有2.1m，几乎可以进入所有的煤层巷道。在结构上，整个钻机除了由主机、泵站等几部分组成外，主机本身又可分解为座架、动力头等，这给钻机的搬运带来了方便。（钻机技术参数详见表3-4-2-2）。 表3-4-2-2 ZSM-250型顺层强力钻机的主要技术参数 钻孔深度 200～250 m 输出扭矩 2400；1500 Nm 钻孔直径 75～150mm 适应倾角 ＞ 0 推进速度 0～1.5 m/min 电机功率 37KW 输出转速 100；60 r/min 主机外形尺寸 2.10.81.3m 2）高强度定向钻具 顺层长钻孔使用的钻具从提高强度、加强定向、削弱喷孔三个方面进行了改进。 （1）考虑到施工200～250m顺层长钻孔的实际要求，所用钻杆设计为整体调质处理的40Cr 合金高强度钻杆，其直径加大到63mm。 （2）采用了一种简单、适用的定向方法参见图3-4-2-4。将钻头分解成前端是较小直径和后部是正常直径的两个或多个部分（称为多级）。前一级钻杆较短，其产生的弯曲极小，因此，前一级相对于后一级钻头基本不产生偏斜。后一级钻头始终处于所在位置钻孔的中心，前一级和后一级钻头的连线与后一级所在位置钻孔轴线重合。这样，自孔口开始，这一同轴钻头连线无限延伸到孔底位置，将更能保持钻孔的定向钻进。此外，前一级和后一级钻头之间钻杆的刚性是有限的，为了减小钻头后面钻杆的这一弯曲作用，设计了能够使钻杆定位于钻孔中间的所谓“扶正器”。它是将一定厚度的钢条螺旋形焊接在普通钻杆的外缘上，使其直径与钻孔接近，从而保证钻杆位于钻孔的中心。 图3-4-2-4 定向钻具结构示意图 （3）将钻头设计成直径由小到大逐步过渡到正常直径的形式，降低钻孔的喷孔程度。在前端小直径钻头到后部正常直径钻头之间还可增加过渡直径钻头，也可调整各级钻头之间的间距，结合钻具导向的需要，设计出了三级组合钻头。即前端是直径42mm钻头，中间是直径65mm钻头，后部钻头直径则是85mm，间距一般是0.5～2.0m。 3）钻孔施工的排渣技术 风力排渣是在突出或松软煤层中打钻时较好的排渣方式。使用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则悬浮在风流中被吹向孔口，从而实现排渣和钻头冷却。其优点是压风对孔壁的冲击小，不易破坏孔壁，也不影响煤中瓦斯解吸和泄出，使瓦斯得以自由、快速地泄放，而且泄出的瓦斯和压风混合，孔内始终只有气、固两相流动，发生梗阻的可能性也减小了。 通过试验和计算，为确保正常排渣，顺层长钻孔正常施工采用85mm直径钻头和外径63mm钻杆，要达到20m/s的风速，所需的供风量Q为 3.1 m3 /min，保证深度250m的钻孔正常排渣需要的风压（相对压力）为0.67MPa。 3、试验情况及效果 1998年6月开始工业性试验。试验区位于芙蓉矿务局珙泉煤矿西二采区1452工作面东段，煤层倾角18.5，煤层厚度一般为1.5～3m，平均2.2m。西二采区的突出危险性比较严重，共发生突出3次。经过不断试验和总结，最终使顺层长钻孔的最大成孔长度超过了200m。共打了41个钻孔，总进尺5088m，平均长度124.1m。在最大长度239.6m钻孔的施工中，直到终孔时钻机负荷正常、排渣顺畅、钻进平稳。 1）风力排渣效果 本次试验在水力排渣施工的5个钻孔中就有4个因严重垮孔、排渣困难而停钻，最大深度仅84m，实践说明水力排渣不适用于突出煤层或高瓦斯煤层的顺层长钻孔施工。而在风力排渣试验中，经过对供风参数等的调整，最大成孔深度达到239.6m，41个钻孔中只有5个孔是由于排渣困难而停钻的，占钻孔总数的12，说明风力排渣工艺比水力排渣更适合顺层长钻孔的施工。 2）钻具对比试验 通过与普通钻头的对比试验，三级组合钻头的钻进速度更快，在相同深度钻进时的推进油压及旋转油压较小，并且尽管施工区域的瓦斯动力现象较明显，但在整个钻进过程中没有发生过喷孔现象。此外，施工区内煤层一般只有2～3m厚，而通过所用的定向钻具和钻孔倾角的精确把握，仍然达到了近240m的钻孔深度，说明其定向性能是能够满足施工要求的。 3）抽放效果 在三个倾向顺层长钻孔（钻孔间距 3 ～ 4 m）试验区，单个钻孔一年的累计抽放总量分别为 6.46 Km3、9.1 Km3和8.7Km3，煤层瓦斯预抽率已分别达到 31.4、32 和 28.8，其中1462试验区在钻孔控制区域的回采中瓦斯涌出量较小，没有发生任何瓦斯动力现象，为安全生产创造了良好条件。 走向顺层长钻孔在白皎矿2232工作面煤层较薄（平均厚度1.3m）、钻孔较密（平均间距2.5m）的情况下，经过三个月时间的抽放，使钻孔控制区域煤层的瓦斯预抽率达到了31.8。 1462切眼条带顺层长钻孔经过近90d的抽放，在掘进中措施效果检验指标大幅度降低，基本消除了突出危险，取得了显著的预抽效果。 顺层长钻孔有很好的抽放效果，其平均单孔流量比穿层钻孔大3倍多，h100钻孔瓦斯流量也超过穿层钻孔58。 通过在珙泉矿和白皎矿5个顺层长钻孔抽放试验区的考察，顺层长钻孔的瓦斯预抽率可达32左右，超过了防突有效性的预抽率判别指标，并且在部分已采掘的区域都未出现瓦斯动力现象，瓦斯涌出量也很小。其中3个倾向顺层长钻孔试验区预抽后可使采面减少配风 370m 3 / min。这些结果证明，顺层长钻孔抽放是防治煤与瓦斯突出和降低工作面瓦斯涌出量的一项十分有效的区域性措施。 顺层长钻孔抽放应用范围较为广泛，不仅可用于覆盖整个工作面煤层的区域性抽放，也可用于煤巷条带的预抽；既能沿倾向施工，也能沿走向控制煤层；既适用于高瓦斯煤层抽放，也适用于区域性防突。在珙泉矿和白皎矿进行了多种条件和形式的顺层长钻孔抽放，都取得了很好的效果。与穿层钻孔相比，顺层长钻孔施工速度快，不需要专门的辅助工程，平均单孔瓦斯流量和h100钻孔流量也大得多。同时，初步计算，一个走向长750m、倾斜长120m的工作面，顺层长钻孔预抽的直接成本比网格式穿层钻孔减少 170 ～ 240 万元， 吨煤成本降低 4.3 ～ 6.2元。所以，顺层长钻孔预抽瓦斯的经济效益十分显著，对于促进高瓦斯、突出矿井的瓦斯抽放具有十分重要的意义。 第三节 局部防突新技术 一、概述 防止煤与瓦斯突出区域性措施的应用，在一部分矿井将受到煤层赋存等客观条件的限制。在有条件开采保护层和预抽瓦斯的矿井，由于采掘部署和施工技术的需要，仍然必须在煤层尚未消除突出危险的情况下进行一些开拓和掘进工作，如岩巷揭穿突出煤层，在突出煤层中掘进巷道等。因此局部防止煤与瓦斯突出的技术，同样是防突技术中不可缺少的重要组成部分。近年来，国内许多突出矿井和科研单位在局部防突方面试验研究了很多新技术，取得了较好的效果。在岩巷揭穿突出煤层方面，除试验成功了大直径和机械扩孔卸压技术外，进一步试验了高压水力环缝扩孔卸压技术。特别是在准确进行突出预测和可靠排放卸压的基础上，探索试验了渐进式非震动炮揭开煤层技术。通过浅掘浅进放小炮的方法，平缓、稳定的揭开和进入煤层，避免了强烈震动诱导突出的可能性，加快了揭煤和减少了费用。煤巷深孔控制卸压爆破和小直径钻孔排放技术，也在原有松动爆破和钻孔排放的基础上有很大改进和发展，提高了防突效果，加快了掘进速度。在地质构造复杂地带的掘进防突技术中，配合综合防突措施还应用了地质雷达和电磁辐射等先进的地质构造和突出危险性探测技术。 二、石门揭煤防突新技术 （一）大直径（φ500mm）卸压扩孔石门揭煤防突技术 大直径卸压扩孔措施是利用机械式可伸缩钻头，以较小的钻孔直径通过石门揭煤的岩柱，见煤后通过机械作用，把钻孔直径扩大，将石门前方的部分煤体掏出，使煤体卸压，排放瓦斯，达到防突的一种方法。为防止使用该措施时，上悬煤体垮落引起突出，首先在石门上部架设金属骨架。 这一措施是抚顺分院与北票矿务局合作试验成功的。该项措施施工时分两个步骤进行。首先是架设骨架，当石门工作面距煤层最小垂距为1.5～2m时（如岩柱岩石软应增加0.5～lm），沿石门上部轮廓线打15～19个直径为IO0mm或75mm的骨架孔，孔间距为 0.3m。打完后向骨架孔插入直径为 89mm的钢管或 llkg／m的钢轨。然后向孔内注入水泥砂浆，对金属骨架进行固定。第二步是打扩孔钻卸煤，在石门工作面打直径为150mm的钻孔，当钻孔进入煤层0.4m后，停钻换扩孔钻具，扩孔到直径500mm，直至煤层全厚。 大直径扩孔钻具（BKZ－Ⅱ型）的结构如图3-4-3-1所示。该钻具收缩状态下的最小直径为135mm，扩孔状态下的最大直径为500mm。扩孔钻具在煤层内钻孔的工作状态如图3-4-3-2所示。 图3-4-3-1 BKI-Ⅱ型扩孔钻具结构图 图3-4-3-2 扩孔钻具工作状态示意图 扩孔钻具能否充分张开是能否顺利扩孔卸煤的关键。为此，在打钻过程中实测了打扩孔钻时排出的煤量，可以看出，在不喷孔的情况下，实际排煤量为计算排煤量的0.8～1.6倍，平均为0.97倍1号孔打钻时扩孔钻具未改进，未计入），表明扩孔钻具已充分张开。喷孔时实际排煤量可达计算值的数倍。 表3-4-3-1列出了大直径石门扩孔钻卸煤措施在北票局3个严重突出煤层的试验效果。由表中可看出，采用该措施后，石门皆安全揭开煤层。只有冠山矿一540m水平西4石门在安全揭开5A层后，在石门已进入顶板岩石1.5m（最小距离）进行远距离放炮时，发生了强度为790t的突出。这次突出是由于未按设计要求，对煤门加强支护且金属骨架末固结牢，放炮造成煤层上方煤体冒落所引起。 表3-4-3-1 石门扩孔卸煤钻措施防突效果 序号 试验地点 煤层 骨架 孔数 （个） 扩孔 钻孔数 （个） 卸出 煤量 （t） 占石门断面内煤量的比例（％） 防突效果 1 三宝矿－280m东3石门 10 15 13 14.7 45.0 安全揭穿煤层 2 三宝矿－280m东4石门 10 15 10 9.7 34.3 安全揭穿煤层 3 台吉立井-700m水平 西1石门 10 13 13 2.9 31.0 安全揭穿煤层 4 冠山矿－540m水平 西4石门 5B 17 14 3.3 32.9 安全揭穿煤层 5 冠山矿－540m水平西 4石门 5A 17 14 14.7 55.5 安全揭穿煤层 6 冠山矿－540m水平西 5石门 5A 13 14 10.5 40.8 安全揭穿煤层 与水力冲孔、水力冲刷相比，大直径扩孔卸煤措施的显著优点是不须特殊装备，仅用普通钻机，配备大直径扩孔钻具即可实现扩孔。 （二）渐进式石门揭煤技术 突出矿井石门揭煤是一项危险性很大，技术难度很高的工作，往往成为制约矿井合理采掘部署的瓶颈。松藻矿务