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，煤層中節理發育較為明顯。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

從現場勘察和理論分析來看，九里山礦3#煤層層出現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，其中出現的斷裂較小，斷層多數為正斷層。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，煤壁出現水平移動，其中存在的高瓦斯出現卸壓。同時，軟煤中包含的彈性能也被釋放，導致出現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，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一定的改變，特別是彈性模數也隨之下降，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逐步變化為游離狀態，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，也就是可以在確保人員安全、開采安全的基礎上，實現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。本次選擇使用BJW60YJ型水環式真空泵，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。從系統組成來看，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。

圖2 注水鉆孔布置示意

第三，注水參數設計。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，各個裂隙持續被聯通，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，時間通常控制在6 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

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。

表2 炮眼設計參數

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了明顯的下降，同時瓦斯壓力也出現了較大減少，這表明煤體整體出現了較為有效的卸壓，從現場檢測數值來看，鉆屑解吸特征數值K1 有了下降，但是下降數值不夠明顯，這表明煤層突出危險性出現了下降。

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，煤壁出現了較多的裂隙，煤體得到了濕潤，鉆屑解吸特征數值K1 也出現了較為明顯的下降，瓦斯涌出的數值較為穩定，工作面整體的煤塵含量也出現了下降，勞動作業環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定，出現瓦斯超限的次數明顯的下降，鉆屑解吸特征數值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

煤礦在生產的過程中，對于煤與瓦斯突出煤層在開采時，需要將區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，保證煤礦生產的安全性有著較為重要的意義。