煤與瓦斯突出研究與實(shí)踐

吳小朋

【摘 要】某礦為高瓦斯礦井，所采煤層有自燃發(fā)火傾向和煤塵爆炸危險(xiǎn)性，礦井原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬(wàn)噸。11煤層為主采煤層，具有突出危險(xiǎn)性，該文通過(guò)對(duì)該礦煤與瓦斯異常涌出動(dòng)力現(xiàn)象的分析，提出了有針對(duì)性的預(yù)防煤與瓦斯突出措施，為類似條件的礦井提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】礦井；煤與瓦斯；突出規(guī)律

1.某礦煤與瓦斯突出規(guī)律

某礦為高瓦斯礦井，所采煤層有自燃發(fā)火傾向和煤塵爆炸危險(xiǎn)性，礦井原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬(wàn)噸。11煤層為主采煤層，具有突出危險(xiǎn)性，2006年11月～2007年5月共發(fā)生4起瓦斯異常涌出動(dòng)力現(xiàn)象（壓出型小型突出）隨著開(kāi)采水平的延深，煤與瓦斯的動(dòng)力現(xiàn)象出現(xiàn)頻率會(huì)有所增強(qiáng)。

1.1該礦煤與瓦斯突出的特點(diǎn)

（1）已發(fā)生的幾起煤與瓦斯突出均發(fā)生在11煤層中，而且都發(fā)生在掘進(jìn)工作面。11煤為主采煤層，上部有一厚度0.3～0.1m的軟煤，煤層堅(jiān)固性系數(shù) f=0.17，節(jié)理發(fā)育，斷口參差多角，瓦斯異常涌出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30m3/min。

（2）突出危險(xiǎn)性隨開(kāi)采深度的增加而增大。主要表現(xiàn)在突出次數(shù)增多，強(qiáng)度增大，其突出的瓦斯涌出量由最初的448m3增加到1222 m3。

（3）突出危險(xiǎn)性隨煤層厚度增加而增大，尤其是在煤體較為松軟時(shí)，煤體破壞越嚴(yán)重，強(qiáng)度越小，突出的危險(xiǎn)性也越大。

（4）突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地帶，掘進(jìn)工作面受斷層影響或煤層變厚，而發(fā)生突出占有很大的比例，所有的突出地點(diǎn)都有煤層賦存狀態(tài)如厚度，傾角，走向，層理變化。

（5）瓦斯異常涌出通常都發(fā)生在巷道底部煤割完后，開(kāi)始割上部煤體時(shí)，原因是造成了上部煤體懸空，煤體在自重力的作用下片幫，誘導(dǎo)瓦斯涌出。

（6）在瓦斯富集區(qū)施工，煤與瓦斯異常涌出的頻率明顯增加。

（7）發(fā)生突出的煤塵頂?shù)装宥酁槟鄮r，細(xì)粉砂巖，頁(yè)巖等透氣性較差的巖層，該類巖石為瓦斯的封閉及賦存提供了較好的條件。

（8）上山作業(yè)施工，突出危險(xiǎn)性加大，除自燃因素外，對(duì)于突出來(lái)說(shuō)，采掘作業(yè)是一個(gè)誘導(dǎo)因素，但上山施工遠(yuǎn)比平巷及下山施工導(dǎo)致突出的威脅要大的多。

1.2煤與瓦斯的突出預(yù)兆

煤與瓦斯突出預(yù)兆現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)主要有：

無(wú)聲預(yù)兆：掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)片幫、掉碴、支架來(lái)壓、煤層開(kāi)裂、外鼓、底鼓、煤層層理紊亂、煤變松軟、暗淡無(wú)光澤、煤變干燥、煤塵增大、打鉆時(shí)頂鉆、噴煤、噴瓦斯、鉆頭冰泠、吸鉆、有時(shí)鉆屑量增多，鉆孔變形、風(fēng)流中的瓦斯忽大忽小、有時(shí)在突出前還會(huì)出現(xiàn)煤壁和工作面迎頭溫度降低、有特殊氣味等。

有聲預(yù)兆：煤體中發(fā)出悶雷聲，似從很遠(yuǎn)處傳來(lái)；爆竹聲，特別是響聲連成一片時(shí)易發(fā)生突出，可縮性支架摩擦聲，煤層斷裂聲。

當(dāng)然每次突出這些征兆不盡相同?，F(xiàn)場(chǎng)也正是依據(jù)這些征兆及時(shí)采取措施從而避免了人員傷亡事故的發(fā)生。

2.煤與瓦斯突出球殼失穩(wěn)機(jī)理[1]

煤與瓦斯突出球殼失穩(wěn)機(jī)理：每一個(gè)煤體質(zhì)點(diǎn)在突出過(guò)程中共經(jīng)歷了6個(gè)不同的變化過(guò)程，這就是應(yīng)力集中過(guò)程；地應(yīng)力破壞過(guò)程；瓦斯撕裂裂紋過(guò)程；煤殼失穩(wěn)拋出過(guò)程；煤體搬運(yùn)過(guò)程和靜止解吸過(guò)程，由此認(rèn)識(shí)到突出過(guò)程的實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力首先破壞煤體，在煤體內(nèi)產(chǎn)生“I”型裂紋，煤體內(nèi)的瓦斯向這個(gè)“I”型裂紋釋放，致使“I”型裂紋擴(kuò)展，形成一個(gè)個(gè)球蓋狀的煤殼，然后這些球蓋狀的煤殼又在瓦斯壓力的作用下拋出，推動(dòng)地應(yīng)力峰移向煤體深部，繼續(xù)破壞煤體，形成連續(xù)的突出現(xiàn)象。當(dāng)煤體內(nèi)部殘余應(yīng)力集中煤體原生狀態(tài)受到破壞，次生斷層發(fā)育，有充分的“裂紋”富存可解吸釋放高能量的瓦斯。煤體受地應(yīng)力遭到破壞后能立刻釋放出大量的瓦斯，使煤體內(nèi)的裂隙擴(kuò)展溝通并使之形成煤殼失穩(wěn)拋出。在煤與瓦斯突出的過(guò)程中，地應(yīng)力未參與煤體的拋出過(guò)程。地應(yīng)力的作用僅是破壞煤體，而煤體的破碎又是發(fā)生突出的必要條件。

3.煤與瓦斯突出的治理

依據(jù)煤與瓦斯突出球殼失穩(wěn)理論通過(guò)增加巷道中的大氣壓，阻礙煤體裂紋擴(kuò)展和形成的球形煤殼向外拋，可使突出停止或不發(fā)生。這種增壓（爆破）破煤，為采掘現(xiàn)場(chǎng)快速、安全地通過(guò)突出煤層提供了一條新的技術(shù)途徑。

3.1確定該礦防突預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的敏感指標(biāo)及臨界值

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，突出危險(xiǎn)性煤層11-2煤突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)最大值 K=82.3>15，D=0.6732>0.25，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.17，屬松軟煤層，瓦斯放散初速度？p=14，煤體瓦斯壓力達(dá)到2.2MPa，其破壞類型在III-IV 之間，四項(xiàng)綜合指標(biāo)均大于臨界指標(biāo)值。

3.2實(shí)施“四位一體”的防突措施

進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，每天進(jìn)行一次并下達(dá)進(jìn)尺通知單，指導(dǎo)施工；經(jīng)預(yù)測(cè)如具有突出危險(xiǎn)性，則必須采取防突措施，施工超前卸壓鉆孔，無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)，施工超前探放孔?？讖骄鶠?1mm使用QFZ-22輕便型防突鉆機(jī)施工，“一防兩掘”循環(huán)作業(yè)，超前鉆孔盡量布置在軟分層中，探孔超前掘進(jìn)距離大于或等于5m。

3.3掘進(jìn)工作面雙局扇供風(fēng)，強(qiáng)排瓦斯

在研究煤與瓦斯突出規(guī)律基礎(chǔ)上，對(duì)131105機(jī)巷，131105中巷等掘進(jìn)工作面掘進(jìn)采用“雙局扇、雙電源、雙風(fēng)筒”供風(fēng)，安裝同等型號(hào)BDJ（15KW×2）或BDJ（18.5KW×2）彎掠組合正交型大功率、高效節(jié)能軸流通風(fēng)機(jī)，Φ600抗靜電阻燃風(fēng)筒供風(fēng)，一路局扇風(fēng)筒出口距迎頭距離不超過(guò)5m，以保證迎頭供風(fēng)量，另一路風(fēng)口距迎頭15～20m，對(duì)瓦斯進(jìn)行二次稀釋，降低后路瓦斯超限，整個(gè)掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺ＷC均不超過(guò)0.8%。

4.瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用

4.1本層抽放

我們?cè)?31105掘進(jìn)工作面進(jìn)行安裝了瓦斯抽排系統(tǒng)，采用順煤層交錯(cuò)耳巷抽放掘進(jìn)迎頭瓦斯，實(shí)現(xiàn)先抽后掘、邊抽邊掘，發(fā)展到現(xiàn)在的順煤層長(zhǎng)鉆孔120m“先抽后掘”的瓦斯治理方法，以釋放瓦斯的壓力，減少掘進(jìn)突出的發(fā)生；由井下移動(dòng)瓦斯泵站抽放發(fā)展到現(xiàn)在的地面瓦斯泵集中抽放，綜合開(kāi)發(fā)利用；為防止煤與瓦斯突出，掘進(jìn)工作面迎頭采用長(zhǎng)孔，順煤層抽放瓦斯，兼作超前卸壓孔。

4.2高位抽放

在采煤工作面采用風(fēng)巷高位鉆孔以及順層鉆孔抽放等預(yù)排措施進(jìn)一步治理瓦斯。高位鉆孔主要布置形式為“三高兩低”，“三高”鉆孔用語(yǔ)抽放被保護(hù)層的卸壓瓦斯，終孔距煤層頂板20～30m，“兩低”鉆孔用語(yǔ)抽放本煤層采空區(qū)遺留的瓦斯以及過(guò)鉆場(chǎng)時(shí)提前解決上隅角的瓦斯。終孔距煤層頂板8～15m，鉆孔終孔直徑為94mm，長(zhǎng)度為鉆場(chǎng)間距加上40m的壓茬。見(jiàn)附圖1。

圖1 高位鉆場(chǎng)鉆孔布置平剖面示意圖

4.3采空區(qū)埋管抽放

對(duì)于采空區(qū)的瓦斯，我們提前在工作面的上隅角安設(shè)一個(gè)“T”形三通，管子四周均勻鉆￠20mm圓孔，處于站立位。在工作面向前推進(jìn)時(shí)，將三通埋進(jìn)采空區(qū)，三通距工作面10m以上時(shí)開(kāi)始抽放瓦斯，每20m埋一組，交替抽放，同時(shí)積極改進(jìn)鉆孔抽放參數(shù)并提高抽放負(fù)壓以提高瓦斯抽放率，取得了較好的效果。

5.綜合防治

技術(shù)上保證防突，從設(shè)計(jì)就樹(shù)立“先抽后掘”防治煤與瓦斯突出理念，一切為防突開(kāi)綠燈，加強(qiáng)職工教育，強(qiáng)化全員防突意識(shí)，從源頭上為煤與瓦斯突出綜合治理打好基礎(chǔ)。不斷加大防治煤與瓦斯突出的投入，積極與科研院校合作進(jìn)行煤與瓦斯突出、瓦斯突出地質(zhì)的研究，建立科學(xué)的瓦斯測(cè)控和煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

6.結(jié)論

煤與瓦斯的突出的發(fā)生取決與多方面的因數(shù)，如地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等，礦井應(yīng)該根據(jù)本礦的具體情況進(jìn)行有針對(duì)性的研究找出規(guī)律以及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的臨界值指標(biāo)，并采取行之有效的防突措施，才能確保安全生產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔣承林.俞啟香.煤與瓦斯突出球殼失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù).徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[2]陳偉.煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及防治技術(shù).徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.