超前頂板巷卸壓消突技術的試驗及應用研究＊

胡勝勇 周福寶 夏同強 劉應科

(中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116)

★煤礦安全 ★

超前頂板巷卸壓消突技術的試驗及應用研究＊

胡勝勇 周福寶 夏同強 劉應科

(中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116)

結合烏蘭煤礦的實際條件,針對松軟低透煤層抽放消突效果不理想的情況,從采掘布置上研究了超前頂板巷卸壓消突方法。使下部煤層瓦斯得到有效釋放,最終消除瓦斯積聚和釋放應力。

巷道布置 瓦斯防治 超前卸壓 卸壓巷道

AbstractBased on the actual conditions in Wulan Coal Mine combined with the not-so-ideal burst control measures realized by way of gas extraction from soft coal seams with lower permeability,more attention is given to a research on mining and heading arrangements for gas pressure reduction in advance roof entry based burst control method.In this way,gas in lower coal seams will get its free and effective release,thus finally eliminating gas accumulating and inflow stress.

Key wordsentry arrangement,gas control,advance pressure reduction,pressure reducing entry

1 前言

對于松軟低透煤層而言,順層孔及穿層孔預抽瓦斯效果較差。經現場打鉆考察可以發現:雖然每次施工了50～60 m的抽放鉆孔,但當鉆桿離開鉆孔后,鉆孔很快就塌孔,從孔口只能看到2～3 m鉆孔,嚴重影響鉆孔的瓦斯抽放效果。目前,對透氣性差的煤層,主要采取超前鉆孔法、保護層開采卸壓法及超前卸壓巷道消突法實施應力釋放防突。超前卸壓巷道消突法就是在待開掘的巷道上方或下方一定距離施工一條巷道提前釋放應力。突出礦井應當根據實際狀況和條件,制定出合理的防突措施。本文結合烏蘭礦的實際條件,從采掘布置對地應力變化的影響方面,在5347工作面試驗并應用了超前頂板巷卸壓消突技術。

2 礦井及試驗區概況

烏蘭煤礦是神華寧夏煤業集團公司所屬骨干企業之一,已有30多年的開采歷史,2008年核定礦井生產能力2.40 Mt/a,實際生產能力1.73 Mt/a,產品為優質動力煤。烏蘭煤礦瓦斯災害十分嚴重,建礦以來,曾多次發生煤與瓦斯突出事故。近年來,隨著礦井采掘活動的延伸,地應力、瓦斯壓力增大,煤層瓦斯含量增高,瓦斯災害越來越嚴重,瓦斯問題已成為制約烏蘭煤礦高效、安全生產的根本問題。

5347綜放工作面位于烏蘭井田南翼采區二水平一階段,開采3#煤層,工作面煤 (巖)層傾角為17～25°,平均19°。其鄰區5337工作面已采空,5336工作面局部區域已采空,其余均未開采。根據巷道實際及鉆孔揭露資料分析,本工作面內煤厚4.55～20.66 m,平均煤厚8.4 m,其中純煤厚為7.48 m,一般有5～6層夾矸,夾矸累計厚為0.92 m,煤層結構復雜,煤層下部煤較軟,尤為嚴重的是底分層有2.5 m左右厚構造軟分層,易片幫漏頂,中上分層節理發育,極易破碎,上部煤較硬。5347工作面南邊位于保護層卸壓保護范圍內,北邊為未卸壓區。超前頂板巷卸壓消突法試驗區選擇在5347北邊未保護區,其原始瓦斯含量為9.31 m3/t,煤層透氣性系數介于0.010～0.127 m2/﹙MPa2·d﹚之間。工作面平面圖見圖1。

圖1 5347綜放工作面平面圖

3 巷道布置原則及方案

3.1 巷道布置原則

(1)工作面瓦斯含量為9.31 m3/t,為了解決以后工作面回采時上隅角及回風的瓦斯超限問題,卸壓巷布置在被卸壓巷的上面,作為工作面回采時的瓦斯排放巷。

(2)為了緩解采掘接續緊張的局面,選擇在煤層中布置卸壓巷。

(3)3#煤層較厚,且上部煤較硬,其沿底板掘進的突出危險性大于沿頂板掘進,從防突的角度選擇卸壓巷沿煤層上部頂板掘進。

(4)日本能源中心專家齋藤完治等現場考察后,結合其本國的經驗建議:被卸壓巷與卸壓巷間的平距介于5～12 m之間,卸壓巷超前被卸壓巷至少20 m掘進,這樣能夠使被卸壓巷在卸壓巷的充分卸壓區內施工。

(5)卸壓巷與被卸壓巷在掘進過程中嚴格采取“四位一體”防突措施。

3.2 巷道布置方案

根據現場實際的煤層賦存情況,最終確定巷道的布置方案如下:

5347頂板巷 (卸壓巷)沿頂掘進,與5347風巷 (被卸壓巷)內錯11.5 m布置,掘進時始終超前風巷30 m,目的是掩護5347風巷的順利掘出,巷道布置示意圖見圖2。

圖2 巷道布置示意圖

3.3 煤巷掘進時的防突措施

5347頂板巷與5347風巷在掘進時嚴格執行《防突規定》“四位一體”防突措施,即:預測預報、防突措施、效果檢驗、安全防護。在防突預測方面采用鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面突出危險性,使用WTC瓦斯突出參數儀測定最大鉆屑量Smax和鉆屑解析指標 K1,根據最大鉆屑量 Smax和K1值預測工作面的突出危險性。當預測有突出危險性時,沿掘進工作面方向布置瓦斯排放鉆孔。執行局部防突措施后,繼續采用鉆屑指標法對工作面防治突出措施進行效果檢驗,當實測指標都小于臨界指標時,工作面防治突出危險措施有效,只要有一個指標等于或大于臨界值,工作面防治突出措施無效。當措施無效時,采取工作面短孔排放補充措施,消突措施效果經檢驗有效后,方可采取安全防護措施施工。

4 卸壓效果

防突預測鉆孔每鉆進1 m測定該1 m段的全部鉆屑量,如果實測得到的鉆屑量大于等于6 kg/ m時,則該工作面預測為有突出危險工作面。在方案實施過程中,收集了烏蘭礦5347風巷和頂板巷防突預測中的最大鉆屑量值Smax,其隨巷道掘進長度的變化情況如圖3所示。

由圖3可知,5347頂板巷實測的所有最大鉆屑量Smax明顯都要高于5347風巷的 Smax;頂板巷道在35～41 m處出現了兩次Smax大于6 kg/m的情況,即在此范圍內兩次預測有突出危險性,需采取防突措施,而在5347風巷掘進到此位置時 Smax為2.2 kg/m左右,遠遠小于《防突規定》中的臨界值6 kg/m,由此可見頂板巷的超前掘進對風巷造成了明顯的卸壓效果。

圖3 Smax隨巷道掘進長度的變化情況

現場實測的5347頂板巷的供風量為450～476 m3/min,瓦斯濃度為0.24～0.52%;5347風巷的供風量為442～465 m3/min,瓦斯濃度為0.12～0.28%。在5347頂板巷掩護風巷掘進過程中出現了明顯的瓦斯涌出量差異,兩條巷道的瓦斯涌出量差異變化關系如圖4所示。

圖4 兩條巷道的瓦斯涌出量差異變化關系

由圖4可知:5347頂板巷的瓦斯涌出量為1.087～2.387 m3/min;5347風巷的瓦斯涌出量為0.536～1.246 m3/min;5347頂板巷的瓦斯涌出量始終高于風巷的瓦斯涌出量。說明臨近風巷的卸壓瓦斯涌入5347超前掘進頂板巷,從而造成相鄰巷道的瓦斯涌出量的明顯差異。

5 結論

(1)從現場實測的鉆屑量數據及瓦斯涌出量數據可以看出:本次超前頂板巷卸壓消突技術的試驗很成功,卸壓效果明顯,大大降低了被卸壓巷的地應力并釋放了其瓦斯,為突出煤層掘進工作面快速掘進探索了一條有效途徑。

(2)本次試驗選擇的超前卸壓巷為煤巷,并位于被卸壓煤巷的上方,而超前卸壓巷道還可選擇在被卸壓巷道的上、下方的巖石或煤層中。如極近相鄰煤層的風、機巷分別同時掘進,上覆煤層的巷道作為下覆煤層巷道的超前卸壓巷,這種布置方式可有效降低掘進前方煤體的突出危險性。

(3)超前卸壓巷道的卸壓范圍、破壞范圍、最小超前距離及與被卸壓巷道的合理相對位置等有待進一步考察。

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[2]林府進,徐貴發,董鋼鋒.松軟突出煤層順層長鉆孔成孔技術研究 [J].礦業安全與環保,2006(4)

[3]于不凡.煤和瓦斯突出機理 [M].北京:煤炭工業出版社,1985

[4]劉操,張瀾濤.煤巷掘進突出預測指標研究 [J].河南理工大學學報,2009(4)

(責任編輯 張毅玲)

A research on the tests and application of burst control technology realized in advance entry opened in roof strata

Hu Shengyong,Zhou Fubao,Xia Tongqiang,Liu Yingke
(School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu province 221116,China)

TD712.6

B

胡勝勇 (1984-),男,湖北隨州人,中國礦業大學安全工程學院碩士研究生,研究方向:礦井瓦斯防治。

＊國家自然科學基金資助項目 (50604014),教育部新世紀優秀人才資助項目 (NCET-08-0838)