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1102020 年第 5 期 煤矿综掘工作面防突预测与治理措施研究 张杰斌 （山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿，山西 太原 030052） 摘 要 本文以屯兰矿12508综掘工作面为例， 针对煤矿综掘工作面防突治理和管理问题， 研究了工作面的突出风险预测、 防突治理措施、治理效果检验、防突安全管理等内容。12508 综掘工作面所采用的超前排放钻孔设计可消除工作面的瓦斯 突出危险，为高瓦斯矿井综掘工作面的防突治理提供参考。 关键词 综掘工作面 煤与瓦斯突出 超前排放钻孔 中图分类号 TD713 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.05.040 Research on Anti-outburst Forecasting and Control Measures in Coal Mine Full-mechanized Mining Face Zhang Jie-bin （Shanxi Coking Coal Group Xishan Coal Power Tunlan Coal Mine, Shanxi Taiyuan 030052） Abstract In this paper, taking the 12508 fully mechanized coal face of Tunlan Mine as an example, aiming at the outburst control and management problems in the fully mechanized coal face, the outburst risk prediction, outburst control measures, governance effect test, outburst safety management and other contents are studied. The design of advance discharge drilling hole adopted in 12508 fully mechanized coal face can eliminate the danger of gas outburst in the working face and provide reference for outburst prevention and control in the fully mechanized coal face of high gas mine. Key words fully mechanized excavation face coal and gas outburst advance discharge drilling hole 收稿日期 2020-01-06 作者简介 张杰斌（1988-），男，山西古交人，毕业于太原理 工大学安全工程专业，本科，助理工程师，现就职于山西焦煤集 团西山煤电屯兰矿通风区技术组， 主要从事通风管理方面的工作。 煤炭开采过程中，井下巷道的掘进作业对周边 岩层的应力分布造成较大扰动，各部分应力重新分 布。同时，煤层和岩层中的瓦斯压力也受到较大影 响。当出现瓦斯高密度集中时，在高地应力持续作 用下甚至出现瓦斯和煤突出，瞬间喷射出的煤尘和 瓦斯形成的冲击作用将严重破坏煤层和巷道结构。 另外，瓦斯集中区的应力释放后，瓦斯的吸附率急 剧降低，周边煤层和岩层内的瓦斯也大量喷出，从 而加速了工作面瓦斯浓度的升高速度，严重威胁井 下设备和人员安全 [1-3]。 因此， 对于突出高风险矿井， 防突工作是煤炭采掘管理的重中之重。 防突工作包含突出风险预测、防突治理措施、 治理效果检验、防突安全管理等一系列内容。为提 高防突管理成效，促进综掘工作高效、安全进行， 本文将结合屯兰矿 12508 综掘工作面实际情况，对 以上环节的实施方法和注意事项进行探讨。 1 地质概况 12508 工作面位于屯兰矿南五盘区右翼，东邻 12510 工作面，南接南五胶带巷，西为 12506 工作 面（未施工），北为 12303 采空区。工作面地面标 高 11051216m，盖山厚度 450549m，区域地表以 山地地形为主，切割强烈，沟谷纵横。经对地表调 查走访，区内大部被黄土覆盖，未发现低洼处积水， 地表大南沟为季节性沟谷。 屯兰矿为煤与瓦斯突出矿井，2019 年的矿井绝 对瓦斯涌出量为 262.4m3/min，相对瓦斯涌出量为 46.4m3/t。12508 工作面所采 2煤层最大厚度 3.2m， 最小 2.9m，煤层最大倾角 7，最小倾角 2，煤 层普氏硬度 0.57，煤层节理发育。根据 2012 年重 庆煤科院提供的屯兰矿 2煤层煤与瓦斯突出危险 性鉴定报告可知，2煤层煤的破坏类型为Ⅳ类， 瓦斯放散初速度指标 ΔP 为 15，煤层坚固性系数 f 为 0.34，原始瓦斯压力为 2.2 MPa，瓦斯含量为 1112020 年第 5 期 911.8 m/t，因此 2煤层鉴定为突出煤层。本文所 研究 12508 工作面属于煤与瓦斯突出危险区，因此 采用了施工顺层走向长钻孔的区域措施对煤层瓦斯 进行预抽。为进一步降低煤层瓦斯突出风险，在预 抽基础上，综掘工作面还采用了“边掘边抽”的工 作面防突治理措施，本文将重点对此进行研究。 2 瓦斯突出风险预测 2.1 测定方法及指标 工作面巷道掘进期间，为有效制定防突措施， 首先应对煤和瓦斯的突出风险进行预测。针对 12508 工作面的实际情况，适宜采用技术较为成熟 的钻屑瓦斯解吸指标法进行检测。该方法的主要预 测指标包括瓦斯解吸指标 K1和钻粉量 S，具体如表 1 所示。另外，在判断无突出危险时，除特征指标 不超限外，还应同时满足在检测钻孔过程中无喷孔 和其他明显突出征兆。 表 1 钻屑瓦斯解吸指标法突出风险数值对照表 K1mL/gmin1/2Skg/m危险性 ≥ 0.5≥ 6有突出危险 ＜ 0.5＜ 6无突出危险 2.2 预测孔设计 钻屑瓦斯解吸指标法的关键是预测孔的设计。 根据 12508 工作面掘进巷道的断面尺寸，最终确定 在巷道断面上钻 3 处直径 42mm 的预测孔，如图 1 所示。孔深度约 10m（遇水、夹矸、构造、陷落柱、 煤体太硬等情况时，孔深以实际施工情况为准，但 掘进时必须保留 2m 的预测超前距），钻孔倾角按 当前位置煤层倾角。2钻孔位于掘进巷道断面中部， 其余两孔与断面中线夹角呈 72，钻孔终点应在巷 道宽度两侧外 24m 范围内。如当前煤层存在软分 层，则应尽量将预测孔布置在软分层中。 巷道掘进2m后， 可开始进行钻孔探测。 钻孔时， 每前进 1m，利用管型测力计对该区段内的全部钻 屑量 S 进行一次测量。钻孔每前进 2m，利用 WTC 瓦斯突出参数仪对钻屑瓦斯解吸指标 K1进行一次 测量。 经探测，12508 工作面巷道煤体的 K1值和 S 值 分别为 0.85mL/（gmin1/2）和 9.4kg/m，均已超过表 1“有突出危险”标准。因此判定当前工作面有突 出风险，必须采取相应防突措施，以释放煤体中的 瓦斯压力。 图 1 巷道断面预测孔设计 3 工作面防突治理措施 3.1 防突治理措施选择 对于综掘工作面的瓦斯突出治理，常见局部防 突措施包括超前排放钻孔、深孔松动爆破、水力冲 孔等。针对所开采 2煤层的地质特点，适宜采用超 前排放钻孔作为煤巷掘进工作面防突措施。该方法 是在保证一定的超前距前提下（一般 5m 以上）， 从掘进工作面顺煤层倾向向前方煤体内施工一定数 量和深度的钻孔，从而使煤层中积聚的瓦斯气体从 孔中自然排出， 以释放煤层瓦斯压力， 起到防突效果。 3.2 超前排放钻孔设计 为防止钻孔直径过大造成岩层构造破坏，在工 作面第一次执行超前排放钻孔时，钻孔直径选用规 格偏小的 42mm 孔，当在掘进工作面前方形成深度 超过 5m 的安全屏障后，再改用直径 75mm 的钻孔 规格，然后以此进行正常防突措施循环。需注意， 在经过地质构造破坏带时，仍需采用直径 42mm 钻 孔，直至通过该区域。 超前排放钻孔的数量、孔间距、孔深等应根据 有效作用半径确定，但是，需确保钻孔超前于掘进 工作面的距离大于 5m，过地质构造破坏区域时至 少保留 7m，钻孔倾角为当前煤层倾角。如图 2 所 示， 12508工作面掘进巷道的超前排放钻孔共2排， 21 个孔，孔底间距 1m，钻孔终点控制在巷道两侧 轮廓线外 5m 位置。 3.3 其他措施要求 （1）超前排放钻孔施工完毕后，必须保证其 1122020 年第 5 期 在自然状态下的排放时间大于 8h； （2）如工作面有软分层时，应根据软分层分 布情况在软分层中增加钻孔； （3）当探测发现当前煤层周边的地质状况发 生较大改变时，应立即停止施工，并探明状况，然 后对超前排放钻孔的施工方案进行重新设计。 图 2 工作面防突超前排放钻孔设计 4 防突措施效果检验 4.1 检验方法 工作面防突措施实施后，必须进行措施效果检 验。根据一致性原则，其检验方法（包括突出危险 的指标值）与工作面突出风险预测方法完全相同， 但为防止超前排放钻孔对检验效果的影响，应尽量 远离周边的超前排放钻孔，或者与当前的超前排放 钻孔孔距一致。在经过地质构造较为复杂的区段时， 需在不同地质层面增加检验孔。 当检测结果显示工作面仍有瓦斯突出危险时， 必须采取其他防突治理措施，例如增加小钻孔等， 再次检测当前措施效果，直至消除突出危险。对于 经检测已消除突出危险的工作面，则应遵守其他防 突安全规程，然后进行正式掘进作业。另外，为保 证掘进安全，掘进进尺量应保证留有至少 5m 投影 长度的超前排放孔超前距，和至少 2m 投影长度的 检验孔超前距。对于构造破坏严重的区域，应适当 增大超前距数值。 4.2 措施效果分析 在 12508 工作面巷道煤体中实施上述防突措施 后，经 8h 自然排放，然后进行措施效果检验，测 得的 K1值和 S 值分别降低至 0.33mL/（gmin1/2）和 4.1kg/m，均低于表 1 的“无突出危险”参数值。可 见当前的超前排放钻孔设计及相关措施已消除工作 面的瓦斯突出危险，工作面巷道已具备综掘条件。 5 防突安全管理措施 （1）设置防突反向风门。为防止发生瓦斯突 出时影响进风和其他巷道安全，必须在掘进工作面 的进风一侧，布置两道可在瓦斯突出时自动关闭的 反向风门，保证两门间距在 4m 以上，且风门到工 作面回风巷的距离也应大于 10m。在岩巷施工反向 风门时，需保证墙垛嵌入岩体内部至少 0.2m，墙体 厚度大于 0.8m；在煤巷施工反向风门时，周边煤墙 必须先挖槽直至硬度较高的帮底，且嵌入深度大于 0.5m。另外，从风门经过的水、风、运输机等通道， 在通道口需设置逆向隔断装置。通过以上措施，可 有效限制瓦斯突出的影响范围。 （2）设置永久和临时避难硐室。当发生煤与 瓦斯突出后，如因特殊原因不能沿避灾路线撤离时， 应先撤至永久避难硐室，等待救援。另外，巷道每 隔 500m 设置 1 处临时避难硐室，室内深度满足扩 散通风的要求，至少能满足 15 人避难。临时避难 硐室在构筑时，一方面，应保证其支护结构稳定， 且可与外界电话联络；另一方面，应根据设计的最 大避难人数，预先储存可满足一定时间使用的隔离 式自救器、空气供给系统和饮用水等 [4-6]。 （3）设置压风自救系统。需在距离有突出风 险工作面的一定范围内设置多组压风自救系统。另 外，需在有突出风险巷道的皮带机、转载机等有人 操作设备旁设置压风自救系统。单组系统应能同时 满足六人使用， 且每人的压缩空气供给量大于0.1m3/ min。 6 结论 以屯兰矿 12508 综掘工作面为例，针对高瓦斯 综掘工作面的防突治理和管理问题，根据掘进工作 面的地质概况，研究提出了工作面突出风险预测方 法和具体防突治理措施并组织实施，对防突治理实 际效果进行了检验分析。结果表明 12508 工作面采 用超前排放钻孔治理瓦斯的措施可消除工作面瓦斯 突出危险。同时，为加强防突管理和事故预防，还 采取了防突安全管理的若干措施。 【参考书目】 ［1］ 徐天宇，侯宗斌，马曙，等 . 花秋二矿 11606 掘 （下转第115页） 1152020 年第 5 期 孔内流水温度超过 34℃时，加大此处注胶眼注胶量， 成胶时间控制在 1015s 内。每组注胶孔保持一注、 一备、 一施工状态， 注胶孔施工完毕后管口及时封闭。 图 1 注胶孔布置图 3.5 二氧化碳防灭火技术 采用二氧化碳高泡阻化综合灭火技术，用现有 的注二氧化碳系统和 DPZ － 1 阻化泡沫装置在工作 面将二氧化碳、泡沫剂和阻化剂进行混合，然后通 过钻机施工的高位深部钻孔，向采空区压注二氧化 碳阻化泡沫，利用泡沫高泡的隔绝、破泡后释放的 二氧化碳惰性气体以及泡沫带进阻化剂覆盖包裹煤 体，对采空区及防灭火区域进行惰化。 3.6 高位钻孔防灭火技术 在两顺槽利用探水钻机，根据现场情况对工作 面 134架至 90架每隔 5 个支架向采空区施工高位 深部钻孔（如图 2 所示），并做好钻杆和孔壁之间 的缝隙封堵。每施工一个钻孔后进行注胶，成胶时 间控制在 4060s，确保采空区建立凝胶隔离带。 3.7 惰性气体防灭火技术 加大采空区灌注惰性气体的强度。工作面上下 顺槽设置直径不低于 Φ108mm 的防灭火管路。通 过工作面压注凝胶后的高位深部钻孔和在上、下隅 角预埋的防火管路，向采空区内压注二氧化碳或氮 气惰化采空区环境。 3.8 稳定通风 加强通风系统管理，确保通风系统稳定可靠。 确保风门、风窗等通风设施严密不漏风，对风门安 装可靠的闭锁装置并安装风门开关传感器，严禁两 道风门同时打开。测风员每天对 3306 工作面进行 测风，对上、下顺槽鼓帮、变形、底鼓段进行扩帮 卧底，保证通风断面，避免因通风阻力加大造成采 空区漏风系数加大，致使窒息带向后移动，减小自 然发火几率。 缓推进大倾角综放工作面自燃发火原因复杂， 单一防火技术不能有效控制煤炭自然发火，综合利 用多种防灭火技术可以有效控制缓推进大倾角综放 工作面自然发火。 图 2 高位钻孔示意图 4 结语 针对缓推进大倾角 3306 综放工作面开采实际， 采取预测预报、隔离墙封堵、凝胶防火、阻化泡沫 防火、高位钻孔防火、惰性气体防火、稳定通风等 综合防灭火技术措施，避免了工作面自然发火事故 的发生，确保了 3306 工作面安全回采，形成了较 为全面系统的、适合缓推进大倾角综放工作面的防 灭火技术体系，为类似条件下工作面开采的自然发 火防治提供有益借鉴。 （上接第 112 页） 进工作面区域防突措施研究 [J]. 煤矿现代化， 2018（03）63-6568. ［2］ 胡依鲁，庞叶青，邵华，等 . 局部防突技术研 究及在掘进工作面的应用 [J]. 煤炭科学技术， 2013，41（04）60-63. ［3］ 杜结班 . 煤矿综掘工作面防突技术初探 [J]. 内蒙 古煤炭经济，2012（12）115-116. ［4］ 刘军，夏会辉，杨宏民，等 . 煤与瓦斯突出煤层 综掘工作面瓦斯防治技术 [J]. 煤炭科学技术， 2012，40（04）67-7074. ［5］ 郝富昌，刘明举，孙丽娟 . 回采工作面区域综合 防突技术存在的问题及对策 [J]. 煤炭科学技术， 2012，40（03）65-69. ［6］ 潘峰，叶青，李国旗，等 . 工作面打钻诱导突 出机理分析及其预防措施 [J]. 煤炭科学技术， 2011，39（12）44-4779.