突出煤层煤巷快速掘进综合防突技术.pdf

第3 4 卷 第 4 期 煤炭科学技术 2 0 0 6 年4 月 突出煤层煤巷快速掘进综合防突技术 刘明 举 ，潘 辉 ，张文勇 ，曹学军 1 ． 河南理工大学．河南 焦作4 5 4 0 0 3 ； 2 ． 淮南矿业 集团有限责任公司 新庄孜煤矿，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要淮南新庄孜煤矿 c ， 煤层属于严重突出危险性煤层，采用超前排放孔措施严重影响了掘进 工作面生产效率，通过采用水力挤出与巷帮边掘边抽相结合的综合防突技术，较好地消除了工作面 的突出危险性，巷道掘进速度提高1 倍以上，实现了煤巷安全快速掘进。 关键词突出煤层；水力挤出；边掘边抽；防突技术 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 6 0 4 0 0 0 1 0 3 Co mp r e h e n s i v e 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 t e c h n o l o g y f o r r a p i d e x c a v a t i o n o f s e a m g a t e wa y t h p o t e n t i a l o u t b u r s t L I U Mi n g - j u ， P A N H u i ， Z H A N G We n - y o n g ‘ ， C A O X u e - j u n 1 ．H e n a n P o l y t e c h n ic U n i v e r s i t y ，J o z u o 4 5 4 0 0 3， C h i n a； 2 ．X i n z h u a n g Min e ，H u a i n a n C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n Dd ．， H u a i n a n 2 3 2 0 01 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g CI3 s e a m i n Xi n z h u a n g z i Mi n e o f Hu a i n a n a ft a n e x a mp l e， t h e p a p e r i n t r o d u c e d t h a t t h e c o mp r e h e n s i v e 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 t e c h n o l o g y wi t h h y d r a u l i c p r e s s i n g a n d t h e g a s d r a i n a g e o p e r a t i o n t h e g a t e w a y e x c a v a t i o n c o u l d w e l l e l i mi n a t e t h e o u t b u rst d a n g e r o c c u r r e d i n t h e wo r k i n g f a c e i n s e a ms wi t h p o t e n t i a l o u t b u rst ， a n d t h e r o a d w a y d r i v i n g s p e e d i n t r e a s e d mo re t h a n l t i me ．T h e r e f o r e a s a f e t y r a p i d e x c a v a t i o n o f t h e s e a m g a t e w a y c o u l d b e ma d e ． Ke y w o r d s s e a m w i t h p o t e n t i a l o u t b u rs t ； h y d r a u l i c s c r e e n ；j o i n t e x c a v a t i o n a n d g a s dra i n a g e ； o u t b u rst p r e v e n t i o n t e c h n o l o g y 煤与瓦斯突出是煤矿井下发生的一种复杂瓦斯 动力现象。统计表明⋯，煤层内采掘工作面突出 次数最多，占突出次数的 9 4 ％。目前淮南矿区绝 大多数矿井采用超前排放孑 L 作为煤巷掘进工作面的 消突措施，并通过增加孑 L 数和孑 L 深来提高防突效 果， 但是排放孑 L 措施打钻时间长，且打钻过程中有 卡钻、吸钻等动力现象。该措施费工费时，瓦斯超 限仍然不断，造成掘进速度缓慢。介绍了在新庄孜 煤矿采用水力挤出与巷帮边掘边抽相结合的综合防 突技术，该技术提高了煤巷掘进速度，月进尺平均 达到 9 0 In以上，实现了安全快速掘进。 1 试验区概况 试验地区选择在淮南新庄孜煤矿 5 2 2 1 3工作面 运输巷。 5 2 2 1 3 工作面运输巷位于五二采区七号石 门以南，F I O一 5断层以北，巷道标高一 5 9 6 In， 由北往南施工。掘进断面为不规则梯形，巷宽4 ． 2 In，锚网支护，炮掘。该施工区域内 c ， 煤层属结 构简单的光亮型厚煤层，煤层厚 5 ． 2 6 ． 8 In，平 均 5 ． 9 m，倾角 1 8～ 2 5 。 ，平均 2 3 。 。施工段地质构 造复杂，有 F I O一 5 1 4 等断裂构造，地质构造 附近构造软煤发育。基本顶为灰色细砂岩，厚 3 ． 0 4 ． 7 In，直接顶为灰色泥质粉砂岩，厚 1 ． 6～ 2 ． 8 In 。直接底为深灰色含炭粉砂岩，厚 1 ． 8 3 ． 6 In， 基本底为灰色中细砂岩，厚 4 ． 2～ 6 ． 5 In。该区段 属高瓦斯煤层，煤层平均瓦斯含量为 1 4 In ／ t 。 2 水力挤出综合防突技术机理 当向布置在工作面前方，超过临界状态带深度 的钻孑 L 注水时，高压水开始挤压钻孔壁，急剧增高 该处煤体的载荷，从封孑 L 器末端到钻孑 L 底这部分煤 层逐渐被压坏，继而发生煤体的移动。由于煤体的 挤出，降低了煤层近工作面部分的承压能力，增加 了临界状态带深度，并把应力集中带推向煤体深 处，相应地扩大 了卸压带 J 。此外高压水松动煤 体，产生大量的裂隙，增强了煤层透气性，瓦斯得 1 维普资讯 第 3 4 卷 第 4 期 煤 炭科学技术 2 0 0 6 年 4 月 到充分释放，降低了工作面前方的瓦斯含量和瓦斯 压力梯度。同时煤体湿润后，煤体力学性质发生改 变，塑性增强，弹性潜能降低。该措施降低了煤层 瓦斯压力和地应力，增强了瓦斯突出的阻力。 边掘边抽提前抽放掘进工作面两帮的瓦斯，工 作面周围煤体瓦斯含量减少，使得煤的透气性和煤 的强度得到提高，同时增大了煤体的透水性 ， 有利于高压水进入煤体裂隙，增强煤体的塑性。同 时，水力挤出后煤体产生裂隙，增加了煤体的透气 性，提高了巷帮钻孔的抽放率。更为重要的是在水 力挤出过程中，由于煤体的外移，瓦斯涌出量增 大，有可能造成瓦斯超限，巷帮抽放孔可以及时抽 放瓦斯，使得涌向采掘空间的瓦斯量减少，减少了 瓦斯超限情况的发生。因而 2 种措施相辅相成，有 效地消除了巷道瓦斯突出的危险性。 3 水力挤出综合防突技术措施 3 ． 1 水力挤出钻孔布置 ， 掘进工作面按梅花状布置5个钻孔，具体钻孔 参数见表 1 ，钻孔布置如图 1 所示。 表 1 高压注水钻孔布置参数 视图 侧视罔 俯视 罔 侧视罔 图1 钻孔布置示意 3 ． 2 注水参数 注水孔布置好后就开始封孔，如果封孔深度位 于完全卸压区域，注水过程中高压水就会沿着封孔 段周围煤体内的裂隙很快与外部连通导致漏水，难 2 以取得注水效果。因而煤层高质量注水的必要条件 是封孔深度应超过煤的临界应力状态带长度 。 经过长期试验，确定合适的封孔深度为3- 4 m。 5 2 2 1 3工作面运输巷的实际注水压力一般为 8 ～ 1 5 M P a ，现场试验时发现在煤相对较硬的区域 注水所需压力更大，最大值达到 1 8 M P a 。因而注 水压力不仅和前方煤体受力有关，而且也和煤体物 理力学性质有关。现场试验时采取单孔注水，由低 压 3 ～ 6 M P a 一中压 6～ 8 M P a 一高压 8．- 1 5 M P a 依次调压注水。通过大量的试验，5 个孔 总注水量为 2 ． 5 m 左右，平均每个孔的注水量约 为 0 ． 5 m ，总注水时间为 2 h左右。 3 ． 3 巷帮边掘边抽钻孔布置 巷帮采取边掘边抽措施即在巷道两帮分别施工 钻场 ，每隔 1 5 m施工一个钻场，在巷道左右帮交 替施工。在每个上帮钻场内施工 8 个抽放钻孔，在 每个下帮钻场内施工6 个抽放钻孔，孔深不得小于 3 6 m 钻孔布置如图2 、图3所示，具体钻孔参数 见表2 。钻孔尽量布置在煤层中，每施工好一个 抽放钻孔，必须立即合茬抽放。 二 ] | 一 图2 5 2 2 1 3工作面运输巷边掘边抽钻孔布置 范 图3 巷帮钻孔布置剖面 4 实施水力挤 出综合防突技术的安全措施 1 注水泵的操作地点应设在距掘进工作面 不小于3 0 m的新鲜风流中，且注水泵的供电与瓦 维普资讯 第 3 4 卷 第 4 期 煤炭科学技术 2 0 0 6 年 4 月 斯断电仪相连接，当回风流中的瓦斯超限时可及时 断电停注。注水之前要检查注水管路的密封性，在 高压管路密封性不好或破损时，禁止注水。 表2 巷帮钻场钻孔布置参数 2 注水前应在掘进工作面后 0 ． 5～ 1 m处打 3根点柱 点柱直径不小于 1 0 0 m m加固掘进工 作面顶板支护，两帮锚网用钢带进行加固。注水前 必须设置警戒，严禁人员在注水期间进入掘进工作 面及回风巷内。在开泵注水前，必须检查掘进头和 回风流中的瓦斯浓度，当瓦斯不超限时，方可开泵 注水。 3 注水结束后，要检查巷道 瓦斯、支护、 煤暨情况，确认瓦斯不超限、支护完好、注水现场 无异常时，方可恢复供电。 5 水力挤 出综合防突技术的实施效果 1 煤体压裂特征显著。水力挤出措施效果 好坏的主要判据是工作面煤壁 向外位移量 j 。 5 2 2 1 3 工作面运输巷道注水后煤壁均出现了明显的 位移，位移量为4 0 4 0 0 m m，平均 1 9 4 m m，而且 煤层均产生了明显的裂隙，最多的达到5条， 平均 宽 1 0 m m左右。 2 瓦斯涌出趋于均匀。采取措施后，巷道 瓦斯浓度增加 0 ． 0 6 ％ 一 0 ． 3 0 ％，绝对瓦斯涌出量 增加 0 ． 2 7 一 1 ． 3 5 m 3 ／ m i n 。由于大量瓦斯被抽放或 者释放出来，炮后瓦斯超限现象基本消除，而且由 于高压水封闭了煤的孔隙，堵塞了瓦斯排放通道， 瓦斯涌出缓慢，掘进期间瓦斯浓度也有所降低。 3 巷帮钻孔瓦斯抽放量增加。采取了水力 挤出后，工作面前方煤体外移，煤体裂隙增大，煤 层透气性增强，使得掘进工作面前方卸压煤体中钻 孑 L 瓦斯抽排量大大增加，与采取该措施前相比抽排 量提高了2 O ％ 一 3 0 ％。 4 煤层突出危险性大大降低。在整个试验 过程中，严格执行四位一体的防突措施。注水后煤 体充分湿润，钻屑量很小，从未出现过超标现象。 由于煤体的位移，煤层裂隙增加，瓦斯得到了充分 的释放，钻屑瓦斯解吸指标值也有所降低 ，在试验 3 0 0余米巷道中，措施效果检验超标仅有 l 2次， 究其原因是因为注水后瓦斯没有得到充分的释放， 停 3 0 ra i n 后再效检，未曾出现超标。而且绝大部 分超标点都在断层附近，该处突出危险性相对较 大。总的来说，注水后煤层的突出危险l生 都大大降 低了。 5 提高了巷道掘进速度。在开展水力挤出 综合防突措施试验之前， 5 2 2 1 3工作面运输巷采取 超前排放孔防突措施，平均进尺为4 5 m ／ J q，而且 期间多次发生瓦斯动力现象。采用水力挤出综合防 突措施后 ，缩短了措施执行时间 ，提高 了措施的有 效性，月进尺达到 9 6 m，掘进速度提高 l 倍以上。 6 工作面作业环境得到了改善。采取水力 挤出综合防突措施后 ，煤体得到较为充分的湿润， 塑性增强，使得巷道粉尘量大大降低，劳动环境得 到了明显改观 。 参考文献 [ 1 ] 俞启香．矿井瓦斯防治 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 2． [ 2 ] 于不凡 ，王佑安 ．煤矿瓦斯灾害防 治及 利用 技术手册 [ M] ．北京 煤炭工业出版社。 2 0 0 0 ． [ 3 ] 魏国营，张书军，辛新平 ．突出煤层掘进防突技术研究 [ J ] ．中国安全科学学报， 2 0 0 5 6 ． [ 4 ] 切尔诺 夫，罗赞 采夫．瓦斯突 出危 险煤 层井 田的准备 [ M] ．宋世钊，于不凡译． 北京 煤炭工业出版社，1 9 8 0 ． [ 5 ] 马雷舍夫 ． 煤与瓦斯突出预测方法和防治措施 [ M] ．魏风 清，张建国译 ． 北京煤炭工业出版社，2 0 0 3 ． 作者简介刘明举 1 9 6 4～ ，男，河南桐柏人，教授 ，博士 生导师，主要从事煤岩动力灾雷和瓦斯灾害防治研究。T e l 0 3 9 1 3 9 8 7 2 4 2 ． E m a i l m i n g j u h p u ． e d u e n 。联系人潘辉，T e l 1 3 78 3 9l 1 9 8 2 收稿 日期2 0 0 6 0 2 0 1 ；责任编辑朱栓成 3 维普资讯