煤與瓦斯突出煤層巷道掘進工作面綜合防突技術

郭斌斌

（河南焦煤能源有限公司九里山礦，河南 焦作）

1 工程概況

在本次分析的過程中，將試驗巷道選擇在3#煤層掘進工作面。從地質勘察情況來看，工作面厚度在2.5 m 左右，煤層情況再7°左右，煤層硬度f 在3 到6之間，煤層中節(jié)理發(fā)育較為明顯。煤層上覆巖層中，偽頂厚度在0.3 m 左右，巖性為高嶺石，直接頂厚度在3.2 m 左右，巖性為砂質泥巖，老頂厚度在3.5 m 左右，巖性為細粒砂巖；煤層直接底厚度在8 m 左右，巖性為砂質泥巖，老底厚度在8 m 左右，巖性為中粒砂巖。從勘察來看，絕對瓦斯涌出量在每分鐘5～9 m3，瓦斯的相對涌出量在噸煤30 m3。

2 煤層煤與瓦斯突出原因分析

從現(xiàn)場勘察和理論分析來看，九里山礦3#煤層層出現(xiàn)的煤與瓦斯突出來看，導致突出的因素主要與地應力、瓦斯壓力、煤結構等有關。從3#煤層層來看，整體的結構較為簡單，其中出現(xiàn)的斷裂較小，斷層多數(shù)為正斷層。從煤層的結構來看，整體較為致密，為低透氣性煤層。由于在成煤的過程中，形成的瓦斯表現(xiàn)為封閉型，所以整體的瓦斯含量偏高。同時，由于突出煤層中各個軟硬分層的存在，導致煤層的抗壓強度、瓦斯放散的初始速度有著較大的不同。特別是軟媒的雖然強度較低，但是表現(xiàn)出較強的韌性。硬煤的強度較高，整體的脆性較大。在對軟分層煤層進行掘進時，由于各種因素的作用，硬煤破壞形成較多的裂縫，煤壁出現(xiàn)水平移動，其中存在的高瓦斯出現(xiàn)卸壓。同時，軟煤中包含的彈性能也被釋放，導致出現(xiàn)煤與瓦斯被壓裂而噴出的問題。特別是在軟分層中，瓦斯放散的初始速度較大，容易出現(xiàn)煤與瓦斯在較快的時間內被噴出的問題[1]。

3 防突技術要點分析

3.1 預抽瓦斯防突技術分析

通過對煤體中的瓦斯進行預抽的方式，最大限度的降低了煤層中瓦斯的壓力，減少了煤層中的瓦斯含量，確保煤層中包含的瓦斯可以得到有效釋放。同時，因為瓦斯的排放，煤體會出現(xiàn)一定程度的收縮變形，整體的瓦斯壓力會明顯下降。隨著煤層的卸壓，煤體中積攢的彈性能得到一部分釋放。特別是隨著瓦斯被大量排出，煤體的透氣性明顯的提升，在一定承擔上也增加了煤體的承載強度，提升了煤體抵抗突出的阻力。

3.2 超前卸壓孔防突分析

在防止煤與瓦斯突出時，可以在工作面前方的煤體中打設一定數(shù)量鉆孔的方式對煤體進行卸壓，鉆孔在設置時，要確保鉆孔有一定的超前距離，保證工作面前方的煤體可以得到充分的卸壓，煤體中所含的瓦斯可以得到有效的釋放，從而實現(xiàn)防止突出或者降低突出概率的目的。通過搭設超前卸壓孔的方式，可以有效的降低工作面周邊出現(xiàn)的應力集中問題，也能夠將高瓦斯壓力向遠處推移，最大限度的減少應力與瓦斯壓力梯度，最終在工作面前方形成長度較大的排放帶、卸壓帶。

3.3 高壓注水防突技術分析

技術人員可選擇高壓水作為動力，通過使用高壓水實現(xiàn)對孔壁的有效擠壓，可以達到從封孔器末端到鉆孔底部的煤層被有效壓裂的效果。隨著煤體中有較多的裂隙出現(xiàn)，煤層整體的透氣性明顯提升，蘊含在煤層中的瓦斯可以得到有效釋放，工作面瓦斯含量也會隨之降低。同時，隨著煤體疏松，其中會出現(xiàn)流變擴容的問題，卸壓帶寬度也會隨之提升，煤與瓦斯突出的概率隨之下降。在煤體被淋濕后，煤體整體的力學性質也會出現(xiàn)一定的改變，特別是彈性模數(shù)也隨之下降，煤體的塑性也隨之增加，煤體中蘊含的應力也會更為均勻，在開采和掘進時，煤體中蘊含的彈性能量會有效釋放。特別是在水分侵入到煤體的裂縫后，在水體表面張力作用下，煤體中瓦斯會被封閉在其中，瓦斯流動的通道會被封閉，瓦斯從最初的吸附狀態(tài)逐步變化為游離狀態(tài)，瓦斯排出的難度隨著提升[2]。

3.4 震動放炮防突技術分析

震動放炮主要是通過在工作面打眼放炮的方式，實現(xiàn)對瓦斯的有效震動，從而有效的轉變煤層中蘊含瓦斯的動力狀態(tài)，也就是可以在確保人員安全、開采安全的基礎上，實現(xiàn)對煤與瓦斯突出的有效誘導，從而全面保證煤礦井下開采和掘進的安全性。

4 防止煤與瓦斯突出的綜合技術分析

4.1 瓦斯預抽防突技術要點

首先是設計抽放系統(tǒng)。本次選擇使用BJW60YJ型水環(huán)式真空泵，該泵可以提供的最大真空度為4 kPa，能夠達到的最大抽排能力為每分鐘60 m3。在打設抽放孔時，選擇使用風動鉆機，并配合使用麻花鉆桿。對于抽放管路，本次設計采用φ20 cm 的PE 管道。在對管道進行封堵時，選擇使用聚氨酯A 液與B液封孔工藝，本次設計的封孔長度超過6 m。

其次，對抽放孔進行布置。本次一共設計鉆孔兩排，每排的鉆孔數(shù)量為4 個，每個鉆孔的直徑設計為0.9 m，每個鉆孔的深度設計為75 m，兩個孔之間的水平間距設計為1 m，垂直距離設計為0.6 m，距離頂板之間的距離設計為1 m，距離煤幫的距離設計為0.5 m。對于上排鉆孔設計為直孔，下排鉆孔設計為斜孔。鉆孔布置見圖1 所示。

圖1 鉆孔布置示意

4.2 超前卸壓孔防突技術要點

從超前卸壓孔的設置來看，可以分為短壁卸壓孔、長壁卸壓孔。本次設計的長壁卸壓孔的深度為30 m，孔徑設計為94 mm。在設計短壁卸壓孔時，孔深度設計為2.8 m，孔徑設計為50 mm。在進行卸壓孔布置時，本次在煤層斷面進行布置時，超前卸壓孔進行均勻布置，一共布置鉆孔16 個。對于中間的鉆孔，在設計時，選擇使用垂直布置的方式，對于兩側的鉆孔，均設計和煤頭垂直方向，夾角15°。在打設一次長壁卸壓孔時，最長的掘進距離為18 m；在打設一次短壁卸壓孔時，最長的掘進距離為1.6 m[3]。

4.3 高壓注水防突技術要點

首先，注水系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成來看，主要包含有注水泵、封孔器、壓力表、控制閥及高壓注水管等。本次在選擇注水泵時，選擇使用3BZ-135/17 型注水泵，額定輸出壓力設計為17 MPa，每分鐘的輸出流量為140 L。

其次，布置注水孔。選擇使用高壓注水防突技術時，可以分為一次注水與二次注水。對于一次注水只進行第一次注水。

對于第一次注水。本次設計4 個孔，選擇使用兩排布置方式，上下各設計兩個孔，對于上排孔距離煤幫的孔設計為0.5 m，對于下排鉆孔，設計在距離煤幫與底板0.5 m 的位置，對于上排和下排各個鉆孔之間的距離，設計為1.5 m。在鉆孔打設時，設計與煤壁垂直。

對于第二次注水。在完成第一次注水后，在上排眼和下排眼之間，再進行注水孔的打設，本次打設注水孔3 個，對于3 個鉆孔的位置，在中間的位置設計1個，然后再在巷道兩幫的位置各設計1 個。圖2 是注水鉆孔的布置方式及參數(shù)。

圖2 注水鉆孔布置示意

第三，注水參數(shù)設計。對于注水孔深度，本次設計為20 m，注水孔的直徑設計為50 mm，在進行封孔時，封孔的深度設計為3 m，注一次水后，允許的推進長度為15 m，預留超前距離設計為5 m。對于注水的壓力，本次將壓力控制在12 MPa，實現(xiàn)了對煤體的有效壓裂。對于注水的時間控制非常關鍵。在注水時，煤體被逐步壓裂，各個裂隙持續(xù)被聯(lián)通，在該過程中，煤體中高壓水杯不斷地積累，最終煤體會被破碎。在對第一個眼進行注水時，時間一般控制在10 min，剩余眼在進行注水時，時間通?？刂圃? min 左右，最終達到相鄰孔出水的效果即可，見表1。

表1 注水眼參數(shù)

4.4 震動放炮防突技術要點

在本次震動放炮時，炮眼設計為8 個，上下排各設置4 個，各個孔之間的間距設計為0.6 m，距離兩幫的距離設計為0.5 m，各個炮眼之間的排距設計為0.8 m，間距設計為1 m，炮眼的深度設計為2 m。在裝藥時，每個鉆孔的裝藥量控制在0.6 kg 左右。對于每個鉆孔，設計使用一塊水泡泥。在進行爆破時，一次爆破最長的進尺應當在1.6 m 左右。圖3 是炮眼的布置示意。表2 是炮眼設計參數(shù)。

表2 炮眼設計參數(shù)

圖3 炮眼的布置示意

5 綜合防突技術效果分析

第一，從瓦斯預抽防突技術應用效果來看，煤層中瓦斯的含量相對于先前出現(xiàn)了明顯的下降，同時瓦斯壓力也出現(xiàn)了較大減少，這表明煤體整體出現(xiàn)了較為有效的卸壓，從現(xiàn)場檢測數(shù)值來看，鉆屑解吸特征數(shù)值K1 有了下降，但是下降數(shù)值不夠明顯，這表明煤層突出危險性出現(xiàn)了下降。

第二，從高壓注水防突技術應用效果來看，在高壓水擠壓作用下，煤壁出現(xiàn)了較多的裂隙，煤體得到了濕潤，鉆屑解吸特征數(shù)值K1 也出現(xiàn)了較為明顯的下降，瓦斯涌出的數(shù)值較為穩(wěn)定，工作面整體的煤塵含量也出現(xiàn)了下降，勞動作業(yè)環(huán)境得到了較為明顯的改善。

第三，從超前卸壓孔防突技術應用效果來看，煤體超前卸壓的效果明顯，瓦斯整體的涌出量較為穩(wěn)定，出現(xiàn)瓦斯超限的次數(shù)明顯的下降，鉆屑解吸特征數(shù)值K1 得到了一定的減少。

第四，從震動放炮防護技術應用效果來看，在采取了震動放炮措施后，導致巖體出現(xiàn)了較為明顯的震動，在放炮之后，煤層瓦斯整體的涌出量相對較大，瓦斯體積分數(shù)也明顯的提升。在施工之前，工作人員提前撤到了安全位置，在放炮的過程中，保證了作業(yè)的安全性。

第五，綜合防突技術應用效果。在對工作面采取了綜合防突技術后，煤與瓦斯突出危險性相對于先前有了明顯的降低，取得較好的防突效果，對于工作面掘進過程出現(xiàn)的瓦斯超限問題得到了較好的解決，掘進的速度得到了顯著的提升，有效緩解了采掘銜接較為緊張的問題，降低了煤與瓦斯出現(xiàn)突出事故的風險，保證了采掘工作的安全性。

結束語

煤礦在生產(chǎn)的過程中，對于煤與瓦斯突出煤層在開采時，需要將區(qū)域瓦斯治理措施和局部綜合防突措施全面有效結合起來，充分考慮各項防護措施的有效性，這對于提升煤與瓦斯突出防治效果，保證煤礦生產(chǎn)的安全性有著較為重要的意義。