三軟高瓦斯煤層煤巷快速掘進綜合防突技術

曹國亮 雷文杰 溫英明

1河南理工大學安全學院，河南 焦作 454000；2河南超越集團，河南 安陽 455000；3河南煤化集團登封公司，河南 登封 452478

三軟高瓦斯煤層煤巷快速掘進綜合防突技術

曹國亮1，2雷文杰1溫英明3

1河南理工大學安全學院，河南 焦作 454000；2河南超越集團，河南 安陽 455000；3河南煤化集團登封公司，河南 登封 452478

針對三軟高瓦斯煤層瓦斯地質特征和煤巷快速掘進防突需要，采取超前釋放瓦斯鉆孔、超前卸壓控制鉆孔、巷幫掛耳抽放以及煤層高壓注水等綜合防突措施，加強突出預測和效果檢驗，鉆孔瓦斯涌出初速度q的最大值由12L／min下降到2L／min；鉆屑量△h2的最大值由300Pa下降到150Pa，月掘進速度達到80m以上。

豫西三軟高瓦斯煤層；超前卸壓釋放；區(qū)域掛耳抽放；高壓注水

three-soft coal seam; pressure relief; suspension drainage; high pressure water injection

11011工作面回風巷設計長度1500m，沿煤層控制標高-120m～-290m，采用29號U型鋼支護，巷道支護寬度4.5m，支護高度3.1m；地質構造簡單，煤層傾角10～24°，平均17°，煤層厚度0～24. 76m，平均7.07m；煤層不穩(wěn)定系數(shù)3.5，變異系數(shù)75%，厚度變化趨勢為巷道外段厚、里段薄。直接頂平均厚度4m，巖性以砂質泥巖為主，局部為粉砂巖，巖性較軟，層理發(fā)育。所在標高范圍內瓦斯壓力1. 2MPa,瓦斯含量8.77m3／t，煤的普氏系數(shù)0.24～0.29（Ⅴ類煤發(fā)育），為典型的豫西三軟不穩(wěn)定難抽采煤層。

該設計掘進范圍可能有煤與瓦斯突出危險，為確保掘進期間施工安全和施工進度，根據(jù)豫西地區(qū)三軟突出煤層突出危險性瓦斯地質特征，掘進防突方案采用多層次綜合防突措施。具體執(zhí)行程序為：首先進行掘進工作面突出危險性強化預測，增加預測鉆孔，控制預測精度；預測有突出危險性時，首先執(zhí)行巷道兩幫掛耳抽放，同時執(zhí)行瓦斯抽放或排放卸壓措施后進行效果檢驗，只有檢驗效果為無突出危險性時，才可執(zhí)行掘進程序，否則必須采取強化防突措施，并重新進行效果檢驗，掘進過程中采取高壓注水等安全防護措施。根據(jù)煤層開采標高的變化，11011回風巷綜合防突技術措施劃分為2個區(qū)段設計：煤厚小于3.5m區(qū)段，按煤厚3.5m設計，煤厚大于3.5m區(qū)段，按煤厚5.0m設計。施工均采取下山掘進方式。

1、突出危險性強化預測

1.1 突出危險性預測指標及臨界值的確定

采用鉆孔瓦斯涌出初速度q值、鉆屑量△h2值預測突出危險性和進行效果檢驗。根據(jù)登封井田突出指標的敏感性，采用q和△h22個突出預測指標，相應臨界值分別確定為4.5Lmin和200Pa。

1.2 強化預測鉆孔布置

在工作面迎頭布置四個或六個預測（效檢）鉆孔，鉆孔采用ZQS-50/300手持式氣動鉆機、Ф 42mm鉆頭、麻花鉆桿進行施工，鉆進速度控制在0.5～1m/min，鉆孔深度為8m。若煤厚小于3.5m，距巷道底板1m左右、平行巷道軸線方向布置2號鉆孔；同一高度布置1、3號鉆孔，孔口距巷道側幫不大于0.5m，1、3號預測鉆孔與掘進工作面煤壁左右水平夾角控制為60° 37′～66°23′，控制巷道兩幫以外3～4m的煤層；在掘進工作面中部靠近支架頂部，布置4號預測鉆孔，孔口距巷道支架頂部1m左右（見圖1）。若煤厚大于3.5m，1、2、3、4號鉆孔的布置同煤厚小于3.5m區(qū)段，在1、3號鉆孔上距巷道支架頂部1m左右處分別布置5、6號鉆孔，5、6號鉆孔平行巷道軸線方向，根據(jù)煤厚變化俯角進行適當調整，巷道沿煤層底板施工。

2、防治煤與瓦斯突出措施

防治煤與瓦斯突出技術措施采用淺孔超前釋放、深（淺）孔超前卸壓控制以及巷道兩幫掛耳抽放相結合的方法。

2.1 巷道掛耳抽放鉆孔設計

設計范圍內鉆孔瓦斯抽放半徑為1.5m,設計鉆孔終孔間排距不大于3.0m，終孔控制巷道兩幫不大于8m范圍，上下控制到距煤層頂?shù)装宀淮笥?.5m。沿掘進煤巷兩幫每隔一定距離布置鉆場，鉆場間距40m，兩幫鉆場交替布置[5-6],采用2.6m× 2.8m的工字鋼對棚支護。巷道抽放長鉆孔長度不小于55m，超前下一站場15m以上，超前掘進工作面至少6m。煤厚小于4m區(qū)段，每個鉆場布置6個抽放鉆孔，呈2排3列布置，1，4，號鉆孔距掘進巷道1.5m處開孔，鉆孔間距0.8m，排距1.0m；下排孔距底板1.0m開孔，上排孔距底板2.0m開孔，如圖2所示；根據(jù)煤厚變化1，2，3號孔為水平位置，4，5，6號孔俯角控制在0～12°。煤厚大于4m區(qū)段，每個鉆場布置9個鉆孔，呈3排3列布置，1，4，7號鉆孔掘進巷道道壁1.5m開孔，鉆孔間距0. 8m，排距0.7m；下排孔距底板0.6m開孔，中排孔距底板1.3m，上排孔距底板2.0m開孔。

圖1 預測鉆孔布置示意圖

圖2 掛耳抽放鉆孔布置示意圖

圖3 超前釋放鉆孔布置

圖4 深孔超前卸壓鉆孔布置

2.2 超前鉆孔釋放

超前釋放瓦斯鉆孔控制巷道四周輪廓線以為3m的煤層（包括巷道斷面煤層），鉆孔孔徑75mm，水平投影孔深不小于10m，超前掘進工作面水平投影距離不小于5m。鉆孔瓦斯排放半徑為0.8m，設計相鄰鉆孔孔底間距不大于1.5m。煤層小于3.5m區(qū)段，掘進全斷面布置29個超前設放瓦斯鉆孔，呈三排布置；下排孔距巷道底板0.6m開孔，上排孔距巷道底板2.6m開孔（鉆孔具體參數(shù)見圖3）；煤厚大于3.5m區(qū)段，掘進全斷面布置35個超前釋放瓦斯鉆孔，在距巷道頂板0.5米處增加一排超前釋放瓦斯鉆孔（水平布置），呈4排布置。

2.3 深孔超前卸壓

深（淺）孔超前卸壓控制鉆孔主要布置在煤厚開采標高-200m以下的區(qū)段，由于三軟煤層透氣性差，深孔成孔率低，瓦斯抽放效果不理想，因此，主要采用淺孔超前卸壓控制鉆孔。先在工作面上部距巷道底板2.2m處施工瓦斯抽放孔一排，抽放鉆孔5個，孔徑75mm，投影孔深10m，孔間距0.6m，封孔距2m，控制到巷道輪廓線3m，用快速推脹式封孔器封孔。為了充分釋放煤層瓦斯壓力和改變煤層應力分布，在距巷道底板1.0m處施工密集釋放鉆孔作為卸壓槽，共2排布置，第一排距巷道底板1.0m，第二排距巷道底板1.4m，排間距0.4m、孔間距0.4m、距巷幫0.2mm、孔徑75mm、投影孔深10m、孔深10～10. 51m，共布置22個鉆孔，鉆孔控制巷道輪廓線外3.0m，鉆孔始終和巷道底板平行，保留5.0m超前距，卸壓槽鉆孔為排放鉆孔，作用在于使煤層卸壓，提高煤層透氣性（卸壓控制鉆孔布置見圖4）。

3 淺孔高壓注水鉆孔

為實現(xiàn)快速安全掘進，有效防治瓦斯，在工作面實施淺孔高壓注水措施。每班施工三個注水孔，實施循環(huán)注水，注水孔投影深度為6m，封孔深度不小于3m，在工作面前方形成不少于2m注水超前距，形成規(guī)律的瓦斯卸壓帶，有利于破壞煤體結構、增加煤體透氣性，有效降低煤塵，有效控制煤層頂板壓力分布，改善工作面作業(yè)環(huán)境（高壓注水布置見圖5）。

圖5 高壓注水鉆孔布置

4 應用效果

11011回風巷高瓦斯區(qū)域通過采取上述綜合瓦斯防治及防突安全技術措施后，截至2009年5月30日，11011回風巷安全掘進240m。期間共進行了60次突出危險性預測，30次有突出危險性，鉆孔瓦斯涌出初速度q最大值12L/min，鉆屑解析指標△h2最大值300Pa,采取綜合防治突出技術措施后，經(jīng)效果檢驗，q和△h2均降至臨界值以下，其中q值為1.5L/min, △h2值為150Pa，巷道平均單進達到80米/月以上，并且杜絕了重大瓦斯事故的發(fā)生。

[1]于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京煤炭工業(yè)出版社，2005

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992

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[7]劉健,劉澤功，石必明.低透氣性突出煤層巷道快速掘進的試驗研究[J].煤炭學報，2007（8）

Outburst Prevention Technology Units of Gateway in the Three-soft and High-gas Coalseam Cao Guoliang1,2, Lei Wenjie1, Wen Yingming3

1Safety Science School of Engineering Henan Polytechnic University Henan Jiaozuo 454000,
2Henan Chaoyue Co.,Ltd Henan Anyang 45500
3Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd Henan Dengfeng 450046

Based on the gas geology characteristic of the Three-soft and high-gas coal-seam and the gateway rapid driving requirements, outburst prevention technology units have been adopted as follows. The leading gas-release, the leading pressure-relief, the hangerdrill site drainage and water injection of high pressure and so on are united, outburst prediction and effect verification are strengthened. With the group of outburst prevention measures, the magnitude of the initial gas-emission rate (q) is deceased from the maximum of 12L/min to 2L/min, the amount of drilling cuttings is deceased from the maximum of 300Pa to 150Pa, the driving speed per mensem is up to 80m.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.018

曹國亮，男，1969年2月出生，1994年6月畢業(yè)于焦作礦業(yè)學院采礦系采礦工程專業(yè)，現(xiàn)于河南理工大學攻讀安全工程碩士學位，工程師，現(xiàn)任國投河南新能開發(fā)有限公司王行莊煤礦副總工程師。