掘進巷道水力消突技術研究與應用①

摘 要：大部分大眾煤礦的突出都和軟煤分層又關，突出的主要發(fā)源地是軟煤。如果想要煤巷避免突出，有以下兩種方法：（1）減小圍巖和煤體的壓力來降低瓦斯壓力和地應力；（2）將煤的可塑性加強，目的是將軟煤分層突出的威脅消除。

關鍵詞：水力 消突 技術

中圖分類號：TD712.62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0078-03

1 煤巷掘進工作面突出機理

在煤巷掘進工作面，煤體支承的上覆巖層自重應力向周圍煤體轉(zhuǎn)移，形成遠大于煤體單向抗壓強度的支承應力，其性質(zhì)為剪切應力，使周圍煤體受到破壞，發(fā)生流變，形成靠近工作面處一定長度的卸壓帶，卸壓帶范圍內(nèi)的煤體只承受自重應力，所含瓦斯得到充分放散，煤體已經(jīng)失去突出危險，并且阻礙前方煤體的突出卸壓帶內(nèi)煤體隨著變形持續(xù)向深部發(fā)展，在一定深度范圍內(nèi)，煤體受力與變形相關變化，處于動平衡直至臨界平衡狀態(tài)，煤體受壓縮，積蓄很高的彈性潛能，地應力和瓦斯壓力增高，透氣性下降，瓦斯難以釋放，形成地應力帶。在煤體深部隨著流變變形的停止而逐漸進入原始應力帶。

2 高壓注水綜合措施防突作用機理

煤這種固體具有多孔性，而這個空隙也是煤吸附瓦斯能力和滲透特性的決定因素。具有明顯極性的水分子相互作用與水煤分子，比甲烷分子相互作用與煤分子要大，所以更容易被煤吸附，通過多分子形式在煤的表面吸附，水在大孔中是自由狀態(tài)，構成煤-水-甲烷體系平衡狀態(tài)。煤被破壞的時候，煤對水的吸附性更強，所以水量比甲烷多，這樣達到降低瓦斯在煤中的含量。而煤中含有越多的水分子，越會降低起本省的抗壓強度和彈性模數(shù)，因此降低其粉碎性，增強可塑性。

水在煤層中流動重要是在裂隙和大孔中進行的滲透過程，在微孔中主要表現(xiàn)為流體的擴散，從而擠出瓦斯。

水和煤的接觸時間不長，水來不及進入微小孔隙，就不能從中擠出大量瓦斯，時間很長時才能深深地進入煤中，并把大量的瓦斯置換出來，實驗證明，一般需要幾小時甚至幾十小時。擴散運動只能在滲透運動波及的容積中進行，不會擴大煤體濕潤范圍，煤的結構也不發(fā)生任何明顯的變化。

煤自身的裂縫孔隙會隨著其中水運動的壓力變化而發(fā)生容積結構的變化。煤孔隙間充滿的水具有越高的壓力，煤的結構單元就被壓縮的越緊，滲透容積隨著壓力的增大而增大。吸附水的薄膜將孔隙裂縫的煤壁覆蓋，吸附水并不滲透，與此同時，煤的透水性和透氣性被降低。隨著水壓的增高，吸附薄膜的外面部分由于分子間的相互作用力減弱，就開始參加滲透過程。因此，隨著注水壓力增高，煤層的透水性也增大。

煤的地應力狀態(tài)很大的影響著滲透性，如果想要取得效果均勻濕潤的煤體，就不能在卸壓區(qū)注水；反之，透水性在最大應力區(qū)會顯著降低。

水分顯著影響煤體的透氣性能。當孔隙被水充滿的程度較高時（大于80%），干煤的透氣性比濕煤的大數(shù)十倍甚至百倍。

瓦斯排放也影響到煤體的透水性。煤飽含瓦斯時就趨于膨脹，放出瓦斯時就收縮。煤排出瓦斯后，煤的大分子之間的距離可減小17%，透氣性隨排放瓦斯程度增加而增大，透水性也增大。

媒體不會因為很高壓力的注水而破裂，而會沿著已有的削弱面—裂縫裂開。注水的時候用大于煤層自燃吸收能力的流量進行，會敞開和擴展裂縫，媒體的不穩(wěn)定狀態(tài)被消除，近工作面的承受壓力被降低，臨界狀態(tài)帶深度增加，推動集中應力帶向媒體深處移動。

可見，使用不同的注水方式，其作用機理和產(chǎn)生的效果差別很大。煤層注水需要很長時間，不改變煤的結構，煤的透氣性降低；水力擠出方式注水時間短水的擴散作用微弱，當煤層中有揉皺分層時將只沿該分層發(fā)生移動，在煤體均質(zhì)性很低時容易發(fā)生水的泄露而影響作用效果。

3 項目研究實施方案

綜合研究水-煤-瓦斯體系的作用機理，我礦與河南理工大學課題組合作，根據(jù)安陽大眾煤業(yè)公司煤層賦存條件，提出了高壓注水結合巷旁邊掘邊抽綜合防突措施；巷道兩側(cè)布置長鉆孔抽放工作面前方及兩側(cè)煤體瓦斯，向掘進工作面前方應力集中帶內(nèi)打短鉆孔進行高壓注水。邊掘邊抽鉆孔提前抽放瓦斯，增大煤體透水性，提高瓦斯抽放效果。兩種措施互為作用，具有以下防突效果。

（1）煤體逐漸被高壓水破裂后，會促使應力集中帶向前運動，從而加長巷道卸壓帶。

（2）高壓水會攜帶經(jīng)過軟煤分層時帶出來的煤泥在煤層中運動，之后通過煤層的裂縫至巷道空間或鉆孔排出，這樣會疏松煤體，媒體增加透氣性，降低瓦斯壓力梯度。

（3）水封閉瓦斯流動通道，使瓦斯有吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)更加困難。

（4）使煤體濕潤，力學性質(zhì)發(fā)生改變，彈性模數(shù)降低，增強了煤體的塑性，應力分布變得均勻。

（5）邊掘邊抽鉆孔及時抽出工作面正前瓦斯，同時截流抽放前方兩側(cè)煤體的瓦斯，擴大了措施作用范圍，有效防止瓦斯突出。

4 高壓注水綜合防突措施及工藝

中高壓注水綜合防突措施，采用危險性預測預報、防突措施、措施效果檢驗和安全防護措施相結合：“四位一體”的防突技術思路。在掘進工作面預測無突出危險時，留出預測超前距，采用遠距離放炮安全防護措施進行掘進作業(yè)。預測有突出危險時，則采取中高壓注水綜合防突措施；之后進行措施效果檢驗，檢驗超標時采取輔助防突措施，直至措施效果檢驗有效后，留出效檢超前距采用遠距離放炮安全防護措施進行掘進作業(yè)。

4.1 掘進工作面巷道邊掘邊抽措施

掘進巷道兩幫邊掘邊抽，不僅可有效截流巷幫瓦斯，降低掘進工作面瓦斯涌出，而且對于削弱掘進工作面兩隅角應力集中有積極的作用，同時，在高壓注水期間，受高壓水的增透作用影響，鉆孔可及時抽取工作面前方游離瓦斯，提高注水防突效果。在巷道掘進期間，每隔55 m在巷道兩幫各做一個抽放鉆場，每個鉆場布置水平抽放孔4個，上、下兩排各2個，孔深60 m，孔徑75 mm，鉆孔方向平行于巷道走向，為防止巷道掘進時破壞抽放鉆孔，靠近巷道側(cè)鉆孔距巷道輪廓線應不小于5 m。鉆場施工抽放鉆孔后，應及時連孔抽放，并在鉆場口外安設抽放參數(shù)測量裝置。邊掘邊抽鉆場在實際掘進55 m后重新布置。（見圖1）

4.2 中高壓注水措施及工藝參數(shù)

掘進工作面中高壓注水綜合防突措施注水系統(tǒng)，由煤層注水泵、水箱、高壓管、封孔注水器等組成，。

注水鉆孔采用普通煤電鉆施工，孔徑42 mm。注水泵選擇具有足夠壓力和流量的煤層注水泵或乳化液泵，如KBZ-100/150型、7BG-150型煤體注水泵及乳化液泵。為便于操作和控制，注水系統(tǒng)中安設有壓力表、水表及卸壓閥門等附件。

4.3 注水孔布置

軟分層是大眾礦區(qū)二1煤層中發(fā)生突出的主要策源地，防突措施應有效控制軟分層。如果軟分層賦存于煤層底部或頂?shù)祝⑺卓刂凭蜻M本分層的同時，增加下向注水鉆孔，控制掘進影響范圍內(nèi)的煤層全厚。注水孔沿巷道掘進方向布置，防止因煤體壓裂出水，破壞兩幫邊掘邊抽鉆孔。

4.4 注水孔深度及鉆孔間距

受采掘活動、煤巖瓦斯等賦存影響，掘進工作面前方形成卸壓帶、集中應力帶和原始應力帶，其應力分布規(guī)律如圖4所示。卸壓帶內(nèi)煤體原有裂隙張開、擴大，新的裂隙形成，使煤體結構變地疏松、滲透性急劇提高，所承受的應力小于煤體原始應力，特別是近工作面范圍煤體破裂嚴重，幾乎不承載，可認為是充分卸壓帶或完全卸壓帶；集中應力帶內(nèi)煤體裂隙及大孔隙則受壓閉合，其結構致密、滲透性降低，所承受應力大于煤體原始應力；而再向深部則處于原始應力帶。

注水孔深及間距，取決于煤層滲透性及注水壓力、注水時間等因素。對于掘進工作面來說，卸壓帶長度越大，其抵抗突出的能力越強；應力集中帶集中系數(shù)越高，發(fā)生突出的危險性越高。注水的目的是削弱或解除掘進工作面前方的應力集中，加大卸壓帶長度，增強煤體穩(wěn)定性。因此，注水孔的深度應達到或超過掘進工作面前方應力集中帶。

大眾礦區(qū)二1煤層頂分層掘進工作面前方2 m范圍內(nèi)基本處于充分卸壓帶，4～9 m處于應力集中帶范圍，其中5～8 m最易發(fā)生噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象，是應力最為集中的地帶。為避免注水孔過深導致注水時間延長而影響掘進速度，注水孔深度選擇為一班或兩班掘進進尺加措施超前距，即注水孔深為9 m。

注水孔間距影響措施的防突效果。在煤體滲透性、注水壓力不變的情況下，間距小，注水時間短，但煤體濕潤效果差；間距大，煤體水分增加，但注水時間必然延長。注水孔間距根據(jù)注水鉆孔滲透半徑確定，結合國內(nèi)外注水經(jīng)驗，以不大于2 m為適宜，掘進斷面內(nèi)采用三花眼形式布置3個。

注水孔的施工順序：首先施工工作面兩幫注水鉆孔，進行單孔或者雙孔同時注水，然后施工中間注水孔。

4.5 注水封孔深度

根據(jù)圖4所示掘進工作面前方的應力分布規(guī)律，如封孔深度位于完全卸壓區(qū)域內(nèi)，注水過程中高壓水沿封孔段周圍煤體內(nèi)的裂隙很快與外部溝通導致泄水，難以取得注水效果；封孔段進入甚至超過集中應力帶，封孔段以外煤體得不到有效的濕潤，不能消除應力，由于高壓水的作用，產(chǎn)生一個應力增高區(qū)，形成滲透屏障，較大幅度降低了煤體的滲透性，不利于瓦斯的排放和卸壓。

因此，注水封孔深度必須超過完全卸壓區(qū)，但也應小于應力最集中區(qū)深度，即位于卸壓帶向集中應力帶過渡區(qū)間，深度一般為2～5 m。

4.6 注水壓力

注水壓力是煤層注水的主要物理參數(shù)。注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤的結構不會發(fā)生變化，等同于低壓注水濕潤措施，短時注水起不到卸壓防突的效果。合理的注水壓力，應能快速、有效破裂松動煤體，從而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結構，削弱工作面前方的集中應力程度，排放煤體瓦斯。

也就是說，高壓水要有效壓裂疏松煤體，至少要克服煤體水平應力，采用動壓注水的方式，根據(jù)要壓裂的軟煤分層的煤質(zhì)松軟情況和封孔的深度，具體確定注水壓力。

4.7 注水時間

注水時間與注水壓力、注水流量等參數(shù)密切相關，注水壓力不同、流速不同，相同條件下達到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，在這一過程中，高壓水在煤體內(nèi)部不斷蓄積勢能，直至達到破碎煤體；爾后高壓水在溝通裂隙間流動。因而在整個過程中注水壓力及注水流速等參數(shù)不斷發(fā)生著變化。

當注水泵處壓力降低為初始壓力的30%時，或注水流速明顯增加、工作面煤壁、頂板或鉆孔出水后，可以作為注水結束時間。

4.8 防突措施效果檢驗及補充防突措施

根據(jù)大眾礦區(qū)突出危險性預測的經(jīng)驗及高壓注水綜合防突措施的特點，掘進工作面注水防突措施效果檢驗采用q值指標法，具體效檢方法如下。

（1）在掘進工作面布置效檢鉆孔3個，直徑42 mm、孔深3.5 m。鉆孔布置在軟分層中，一個鉆孔位于巷道工作面中部，并平行于掘進方向，其他鉆孔的終孔點應位于輪廓線外2～4 m處。

（2）根據(jù)鉆孔的最大瓦斯涌出初速度確定突出危險性。

（3）采用q m值指標法臨界指標q m為4.5L/min，當任何一個鉆孔中的q≥q m時，工作面檢測為有突出危險；當q

效果檢驗有突出危險時，采取小直徑排放鉆孔防突措施鉆孔孔深與注水孔深度相同，鉆孔數(shù)目根據(jù)檢驗指標確定。

4.9 安全措施

在進行中高壓注水綜合防突技術實驗期間，為保證施工現(xiàn)場安全，除執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》有關規(guī)定和本礦制定的《掘進作業(yè)規(guī)程》外，還必須執(zhí)行以下安全措施。

（1）采取高壓注水防突措施，注水泵的操作地點應在掘進工作面的反向風門外進行。注水操作地點附近設壓風自救系統(tǒng)和直通調(diào)度的電話，并應加強支護。

（2）開始注水前要檢查注水系統(tǒng)的密封性。掘進工作面必須支設迎面柱，注水封孔器以柔性裝置固定在迎面柱上。掘進工作面正前所有人員必須撤離至反向風門以外。以上措施執(zhí)行后，方可開泵注水。

（3）注水期間，嚴禁人員進入掘進工作面。

（4）在高壓水管上應當設置壓力表和卸壓三通閥，調(diào)整該閥可保證壓力平緩上升和減壓，卸壓三通閥應裝在注水泵附近。當高壓管路處于承壓狀態(tài)時，禁止連接、拆卸和修理高壓管件。在高壓管路的密封遭到破壞時，禁止使用高壓管路。在注水期間，必須有專人負責看管水泵，并嚴格按照措施第一條規(guī)定執(zhí)行。

（5）向煤層注水時，在前3～5 min內(nèi)必須緩慢地增高水的壓力至最大值，注水時，操作人員與注水鉆孔的距離應不少于50 m。

（6）注水時，由當班施工小組組長負責觀察注水系統(tǒng)壓力表及流量表的變化。當注水壓力出現(xiàn)明顯下降，且流量急劇增加時注水可結束。

（7）注水期間，注水泵安設地點必須懸掛便攜式瓦斯監(jiān)測儀，隨時監(jiān)測巷道瓦斯涌出變化。

（8）注水結束，工作人員進入掘進工作面，嚴禁正對注水器行走。

（9）加強掘進頭隅角的煤體支護。

（10）注水器使用前后，應由專人負責管理維護，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，保證注水器處于最好的狀態(tài)。

（11）掘進時安全技術措施執(zhí)行掘進作業(yè)規(guī)程，掘進作業(yè)規(guī)程由礦總工程師組織編制。

5 采取措施后產(chǎn)生的效益

（1）通過采用高壓注水新技術，既解決了傳統(tǒng)的放松動炮釋放瓦斯導致瓦斯超限的弊病，又解決了采取小直徑排放鉆孔措施時間太長的問題。

（2）經(jīng)過三個月的試驗，對于我公司煤質(zhì)松軟特點，高壓注水防突較為適合，而且效果良好。注水期間既無瓦斯超限，經(jīng)過效果檢驗，86%不超標，保證了作業(yè)人員的施工安全。

（3）通過采取了高壓注水措施后，提高了掘進速度。2008年3、4兩個月采取小直徑排放鉆孔，月進度平均為25 m；2008年6、7、8三個月采取注水消突措施后，掘進速度平均為46 m，效果明顯。綜合經(jīng)濟效益顯著。

6 結論

通過實際工作中對煤巷掘進工作面的突出機理，以及高壓注水綜合措施防突作用機理的研究，總結出了適合煤巷掘進工作面的高壓注水綜合防突措施及施工工藝，取得了顯著的效果，值得推廣應用。