突出煤層掘進(jìn)工作面綜合防突措施研究

郭旭峰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

1 概述

山西新元煤炭有限責(zé)任公司3412進(jìn)風(fēng)巷位于井田一水平四采區(qū)，工作面西鄰3411工作面，南鄰西膠帶運(yùn)輸大巷、西輔助運(yùn)輸大巷、西回風(fēng)大巷(北)，東鄰3413工作面，北抵新元礦礦界。3412進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)長度為1946m，巷道斷面規(guī)格為：寬×高=5.2×3.2m，回采煤層為3#石炭系煤層，煤層平均厚度為2.4m，煤層平均傾角為6°，根據(jù)相關(guān)部門對(duì)新元礦3#煤層瓦斯鑒定結(jié)果顯示，3#煤層相對(duì)瓦斯涌出量為21m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為209.93m3/min，煤層具有瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3412進(jìn)風(fēng)巷沿3#煤層底板平行掘進(jìn)，掘進(jìn)工作面無偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為3.8m，基本頂主要細(xì)砂巖為主，平均厚度為7.2m，工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)560m。巷道在前期掘進(jìn)期間受煤層高濃度高壓力瓦斯影響，工作面瓦斯?jié)舛仍?.8%～1.2%之間，經(jīng)常出現(xiàn)工作面瓦斯超限斷電現(xiàn)象，且巷道在掘進(jìn)至220～490m之間共計(jì)發(fā)生三次瓦斯突出事故，最大一次突出事故時(shí)突出煤量達(dá)52m3，突出瓦斯量達(dá)8.7m3，造成工作面支護(hù)及機(jī)電設(shè)備損壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)72萬元，嚴(yán)重威脅著巷道安全施工。對(duì)此山西新元煤炭有限責(zé)任公司通風(fēng)部防突隊(duì)通過技術(shù)研究，決定對(duì)3412進(jìn)風(fēng)巷后期掘進(jìn)期間，采取“瓦斯預(yù)抽+超前卸壓+鉆孔注水+松動(dòng)爆破”等綜合防突措施，力求保證巷道安全快速掘進(jìn)。

2 3412進(jìn)風(fēng)巷綜合防突措施應(yīng)用

2.1 瓦斯預(yù)抽防突技術(shù)措施

1）原理：通過對(duì)掘進(jìn)煤層施工抽放鉆孔、建立抽放系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，可有效降低煤體內(nèi)瓦斯?jié)舛燃皦毫?，使煤體卸壓釋放部分彈性潛能，提高煤體透氣性及強(qiáng)度，加大了煤體抗突出阻力。

2）瓦斯抽放系統(tǒng)：采用ZDY4000S鉆機(jī)以及長度為1.5m，直徑為64mm鉆桿，并配套直徑為105mm鉆機(jī)鉆頭10個(gè)，直徑為133mm擴(kuò)孔鉆頭2個(gè)等進(jìn)行鉆孔施工；采用型號(hào)為BJW60YJ型水環(huán)式真空泵作為移動(dòng)抽放泵，泵站抽放瓦斯能力為72m3/min；采用直徑為200mm，長度為5.0m無縫鋼管作為抽放管路；采用聚氨酯作為封孔材料，封孔長度不得低于8.0m。

3）抽放鉆孔布置參數(shù)：①3412進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面共布置兩排瓦斯抽放鉆孔，每排布置四個(gè)鉆孔，上排鉆孔距頂板1.0m布置，下排鉆孔距頂板2.0m布置，鉆孔間距為1.0m，鉆孔深度為60m；②上排鉆孔以5°仰角布置，下排鉆孔垂直工作面煤壁布置，其中兩幫鉆孔與巷幫成10°夾角布置，如圖1所示。③每個(gè)鉆場瓦斯抽放時(shí)間不得低于10d，瓦斯抽放后掘進(jìn)時(shí)超前允許掘進(jìn)距離為40m。

圖1 新元礦3412進(jìn)風(fēng)巷瓦斯抽放鉆孔平、剖面示意圖

2.2 超前卸壓防突技術(shù)措施

1）原理：在掘進(jìn)工作面煤體施工一定數(shù)量的超前鉆孔，使工作面煤壁前方一定距離煤體卸壓、釋放瓦斯，并將應(yīng)力集中帶及瓦斯壓力帶向前推移，延長煤體卸壓帶（安全帶），從而達(dá)到防突的目的。

2）超前卸壓孔布置參數(shù)：3412進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面共布置16個(gè)卸壓孔，其中長壁與短壁卸壓孔各八個(gè)且相間布置，長壁卸壓孔孔深為32m，直徑為105mm，短壁卸壓孔孔深為3.5m，孔徑為42mm，卸壓鉆孔均勻布置工作面煤壁斷面上，中間孔垂直煤壁布置，幫孔與巷幫成15°夾角布置，頂孔成15°仰角布置，底孔成15°俯角布置；其中打一次長壁卸壓孔允許掘進(jìn)距離為20m，打一次短壁卸壓孔允許掘進(jìn)2.0m。

2.3 高壓注水防突技術(shù)措施

1）原理：在煤體內(nèi)施工注水鉆孔并采用高壓水作為動(dòng)力擠壓煤體，使煤體產(chǎn)生裂隙，加大了煤體透氣性，從而使煤壁前方高濃度高壓力瓦斯被提前擠壓施工，并增大泄壓帶，從而降低煤體突出危險(xiǎn)性。

2）注水系統(tǒng)：高壓注水系統(tǒng)主要包括著3BZ-140/20型注水泵、壓力表、高壓注水管、封孔器、控制閥、流量表等，其中注水泵功率為55KW,注水壓力為20MPa，注水流量為140L/min。

3）注水鉆孔布置參數(shù)：3412進(jìn)風(fēng)巷工作面煤壁共布置兩排高壓注水鉆孔，每排3個(gè)，第一排鉆孔施工在距巷道頂板1.0m處，第二排鉆孔施工在距巷道頂板2.5m處，鉆孔直徑為50mm，深度為25m，其中兩幫鉆孔與巷幫成30°夾角布置，中間鉆孔垂直煤壁布置。

4）注水工藝：高壓注水鉆孔施工完后，采用高壓泵依次向鉆孔內(nèi)注水，注水壓力不得低于15MPa，在注水過程中發(fā)現(xiàn)鄰孔有出水現(xiàn)象時(shí)及時(shí)停止注水，并開始對(duì)第二個(gè)鉆孔進(jìn)行注水，通過現(xiàn)場觀察記錄發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)注水孔注水時(shí)間在10min左右，其它注水孔注水時(shí)間在6min左右。

2.4 松動(dòng)爆破防突技術(shù)措施

1）原理：在煤層突出臨界指標(biāo)變化不明顯時(shí)，采用松動(dòng)爆破的方法時(shí)突出煤層產(chǎn)生距離震動(dòng)，瞬間改變前方煤體應(yīng)力及瓦斯動(dòng)力狀態(tài)，從而誘導(dǎo)煤體提前發(fā)生突出，保證巷道掘進(jìn)安全。

圖2 3412進(jìn)風(fēng)巷松動(dòng)爆破炮眼布置參數(shù)及平剖面示意圖

2）松動(dòng)爆破施工工藝：①工作面共布置三排松動(dòng)爆破孔，每排四個(gè)，鉆孔間距為1.5m，鉆孔排距為1.0m，第一排鉆孔施工在距頂板0.5m處，鉆孔排距為1.0m，鉆孔深度為2.0m，鉆孔直徑為42mm，其中幫孔、頂?shù)卓着c煤壁成75°夾角布置，其它鉆孔垂直煤壁布置，如圖2所示；②每個(gè)鉆孔填裝一支長度為300mm，裝藥量為300g礦用乳化炸藥，鉆孔裝藥后采用水炮泥進(jìn)行封孔，封孔長度不得低于0.5m，每次爆破鉆孔數(shù)量不得超過五個(gè)。

2.5 防突措施指標(biāo)選擇

新元礦對(duì)3#煤層煤與瓦斯突出預(yù)測預(yù)報(bào)中采用煤巖體普氏系數(shù)f、鉆屑解吸特征K1值以及破壞類型作為敏感指標(biāo)，將突出區(qū)域分為三類：嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)域、突出危險(xiǎn)區(qū)域和突出威脅區(qū)域。

1）嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)域：破壞類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，巖體普氏系數(shù)f≤0.5，且鉆屑解吸特征K1≥0.9ml/（g.min0.5）。

2）突出危險(xiǎn)區(qū)域：破壞類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，巖體普氏系數(shù)0.5＜f＜0.6，且鉆屑解吸特征0.7≤K1＜0.9 ml/（g·min0.5）。

3）突出威脅區(qū)域：破壞類型為Ⅱ、Ⅲ，巖體普氏系數(shù)f＝0.6，且鉆屑解吸特征K1＜0.7ml/（g.min0.5）。

3 應(yīng)用效果分析

3412進(jìn)風(fēng)巷在后期掘進(jìn)期間采取“瓦斯預(yù)抽+超前卸壓+鉆孔注水+松動(dòng)爆破”等綜合防突措施，有效降低了巷道掘進(jìn)時(shí)瓦斯涌出量，工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，未發(fā)生一起瓦斯超限斷電現(xiàn)象；大大降低了掘進(jìn)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性，在后期回采時(shí)巷道掘進(jìn)867m處在揭露F4斷層時(shí)僅發(fā)生一次煤與瓦斯突出事故，但突出煤量僅為11.2m3，瓦斯噴出量為2.4m3，未造成煤礦人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)采取綜合防突措施后大大提高了巷道掘進(jìn)效率，由原來巷道掘進(jìn)量為3.5m/d，提高至8.7m/d，實(shí)現(xiàn)了巷道安全高速掘進(jìn)。

4 結(jié)束語

山西新元煤炭有限責(zé)任公司通風(fēng)部防突隊(duì)通過技術(shù)研究，對(duì)3412進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間采取“瓦斯預(yù)抽+超前卸壓+鉆孔注水+松動(dòng)爆破”等綜合防突措施，實(shí)際應(yīng)用效果表明，采取綜合防突措施，降低了工作面瓦斯涌出量，消除了掘進(jìn)煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，提高了巷道掘進(jìn)效率，取得了顯著成效。