（安全技术及工程专业论文）严重突出煤层水力掏槽措施研究与应用.pdf

河南理工大学硕士学位论文 s t u d ya n da p p h c a t i o no f1 1 1 r d r a u h cu n d e r m i n em e a s u r ei nc o a la n dg a s s e v e r eo u t b u 瑚tc o a lb e d h y d r a u l i cl 】i l d e 啪i n ei san e wd e v e l o p i n gm e a s u r ea g a i n s tc o a la 1 1 dg a so u t b l l r s ti n r e c e n ty e 踮s t h em s u r ei ss l l i tt oc o a lb e d 埘也s e v e r eo u t b u r s t 蛐di t sa p p l i c a t i o nt o j i a o z u od i g g i n g si se 饪色c d v e t h em 髓s u 糟b a r r a w si d e 觞矗o mh y d r a u l i cp u n c hm e a s u r e a g a i n s tc o a la n dg a so u t b u r s t ；i t sc o u f s ei s 也a tl l i 曲p r e s s u r ef l l l i d 龟姗r e st 1 1 ec o a lb o d m 协e g r e a td e a lo fg 豁i sr e l e a df 渤ll h ec o a lb o d y 趾dt h cs t 他s ss t a l eo fc o a lb o d yi s 锄e l i o r a t e d ；i t se s n t i a li s 也a ti 1 1r e l a t i v el i t n eo m s i d ef o r c ed e s t r o y st h ei 商l l s i ca i l ds t e a d y s 诅t eo fc o a lb o d y ，加c t i l r e sa l l dp o p sp a n i a lc o 越b o d y ，c h a n g e st h es t r e s so fc o a lb o d yi n w o r k i n gf a c e ，r e l e 勰e sag r c a td e a lo fg a s 矗d mt h ec o a lb o d y i i lt h i sp a p e r ，t h r o u g h 印p l y i n g 廿l em e 也o do fc o m b i l l i g 也e o r ya n a l y s e sa n de x p e r i m e n 招i nl a b o r a t o r ya 1 1 dj o bs i t e ， r e s e a r c h e st l l er a t i o n a l eo f l l y 出a u l i cu n d 锄i n em e a s u r c ，m 蜘) d u c e st l l eh y d i 州i cu n d e n n m e q u i p m e m ( i i l c l u d 【i i l g 廿l es y s t e mc q l l i p m e n to f 也em e a s u r c ，d r i v i n gs y g t e me 删p m e ma n d l a n e w a y 昭s t e me q l l i p m e n t ) ，t h ew l d e 皿协ej e ts t r e 锄a n d 也eb 踮i cp 耻锄e t e ro f j e ts 竹e 锄 e q u i p m e m 、t h ee x e c u t i o no fw o r ks y s t e m 锄ds a f b t ym e a s i l r eo fh y d 糟l d i cu n d e m l i n e ； a n a l ) ，z e st l l ea p p l i c a t i o ne 行酏to fh y 酬i cu n d e 皿i n em s u r e ，m a k e sc e r t 血t h ea d v a n c e d i s t a n c eo fm em e 船u r c ，p r 0 v c s 也ea c 嘲) 诅b i l i t yo fh y d r a u l i cu t l d e m l i n em e a s u r et oc o a lb e d w i 也s e v e r eo u t b l l r s t ；r e s e a r c h e st h el a wo fg g l l s l l i n gmm e 铺u r ea n da 舭rm e 船u r e ，t 1 1 e o u t b u r s tf a t a h e s so fm em e a s u r ei se l i m i n a t e d 丘o m 也ep o i mo fv i e wo fg a s ；也r o u g h e x p e r i m e n t a _ t i o n s i nl a b o r a t o r y 趾dj o bs i t e ，r e s e a r c h e s 也e p r e s s u r er e l i e fs 诅t l l so fm e m e l s u r ea n dp r o v e s 也ev a l i d i 坶o ft h em e a s u r ef b mt h ep o i n to fv i c 、o f 也e 冒o u n dg e s s ； p r o v e sm es e c t 】r i t yo fh y d l 枷i cu n d e 傩i n em e a s u r et 1 1 r o u g h 也eo u t b u r s ti i lt l l ec o u r s eo f 也e m e a s u r e i ti sp r o v e dt l l a tm e 曲a da d 印t a b i l i 吼v a l i d 时a i l ds e c 嘶t yo fh y d r a u l l c u n d e 珊i n em e 鼬u r ea p p l i e dt oc o 出b e dw i t l ls e v e r eo u t b u r s t ，m r o u g ha n a l y s i si nm e o r ya n d e x p e r i m 鼬t a t i o n k q 州o r d s ：h y d r a u l i c 硼d e 瑚i n e ；e 雎c tm d i u s ；g a sg u s h i n g ；d i s p l a c e m e n t 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： m 年舌月4 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名 加哆年乡月l 日 黼占月5 目 l 绪论 1 1 引言 1 绪论 我国是世界煤炭生产大国，2 0 0 2 年全国煤炭总产量近1 4 亿吨，2 0 0 3 年增至 1 6 亿吨，2 0 0 4 年达1 8 6 亿居世界首位【”。2 0 0 3 年世界煤炭产量5 0 亿吨，煤矿死 亡总数约8 0 0 0 人，我国煤炭产量约占全球3 5 ，死亡人数则占近8 0 ，2 0 0 3 年国 内煤矿平均每人每年产煤3 2 1 吨，效率仅为美国的2 2 ，南非8 1 ，而百万吨死 亡率是美国的1 0 0 倍，南非3 0 倍【2 。煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的自然灾害 之一，它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，往往表现为在煤矿井巷掘 进或采煤过程中，突然从煤( 岩) 壁内部向采掘工作空间迅速喷出煤( 岩) 和瓦斯。 聚集在煤层中处于高压状态的瓦斯有时会冲垮煤岩层或巷道壁，以极快的速度突 然大量泄出，冲出大量的煤岩固体物质，发生煤与瓦斯突出时强大的冲击力不仅 摧毁井巷设施，甚至使井巷风流逆转，破坏矿井通风系统，并可能使井巷充满瓦 斯和煤( 岩) 抛出物，造成人员瓦斯窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火 灾事故1 3 1 。2 0 0 4 年1 0 月2 0 日，河南大平煤矿发生特大煤矿事故，死亡1 4 8 人，事 故原因就是先发生瓦斯突出后引发瓦斯爆炸。 瓦斯灾害是困扰煤矿安全生产最严重的问题，在煤矿重大灾害事故中，7 0 以上是瓦斯灾害事故【4 】。严重突出地区煤巷掘进，一直是制约矿井生产能力提高的 熏要技术难题之一，其中突出防治技术是关键。 为有效防止掘进期间突出，国内外煤炭科技人员进行了较为广泛的研究，先 后试验应用了多项防突技术措旌，并取得了一定的防突效果。但随着矿井开采深 度的延伸，突出危险性日益严重，防突措施的局限性、片面性愈加显现，突出危 险煤层煤巷掘进速度缓慢、工作面接替紧张的现象愈发严重。 我国是世界上突出最为严重的国家之一，至2 0 0 3 年，我国已有2 0 个省( 区) 的一些矿井发生了突出，仅国有煤矿就有突出矿井2 5 0 多对，共发生突出1 4 3 0 0 多次，占世界总突出次数的3 7 ，仅强度超过千吨的特大型突出就有1 0 0 多次陋j 。 与各主要产煤国家相比，我国的煤炭赋存条件较差，主要依靠井工开采，随 着开采深度的延伸，煤层瓦斯含量逐渐增加，煤层瓦斯压力增大，突出的危险性 增高，防治难度越来越大1 6 】。近年来，通过贯彻“先抽后采、以风定产、监测监控” 十二字方针，瓦斯防治工作有了很大进展，但安全生产差距仍然较大。特别是在 河南理工大学硕士学位论文 突出的机理、预测、监控等方面，都有许多问题需要深入研究和探索。 为了防治突出，吨煤成本中平均增加1 5 元，甚至高达3 0 元，给企业造成了 沉重负担。根据对发生突出的作业地点统计，突出多数发生在煤巷掘进工作面 占所有突出次数的6 6 2 ，其平均突出强度为6 6 9 t ，次【5 】，煤巷掘进过程中频繁的 突出成为危及职工生命安全的主要威胁 同时掘进防突措施工序复杂，掘进速度 缓慢，造成采掘比例严重失调。严重突出矿井更是采掘效率低下，经营状况举步 维艰。 有效防治煤巷掘进突出，不仅是安全生产的保障，同时又加快煤巷掘进速度， 为回采工作面消除突出危险性拓展空间和时间。因此，研究煤巷掘进防突技术和 工艺是防突工作的重点，是突出矿井实现高产高效的关键，解决严重突出煤层掘 进防突技术问题既关系到煤矿职工的切身利益和生命安全，同时又是振兴煤炭经 济的迫切要求。 1 2 国内外煤巷掘进防突措施的研究现状 严重突出煤层煤巷掘进水力掏槽防突措旌在国际上是一种防突新技术。该技 术在我国北票已得到了很好的应用，大幅度的提高了掘进速度。在国外，如日本、 美国、澳大利亚等许多采煤国家出于对煤炭开采成本和生产安全考虑，多数采取 了关闭突出矿井，所以在近年来对煤巷掘进防突技术研究较少。前苏联是突出比 较严重的国家之一，在煤巷掘进防突技术方面进行了较为全面的研究，1 9 6 8 1 9 7 2 年，马凯耶夫煤矿安全研究院提出了沿巷道周边开卸压槽防突措施，在彼得洛夫 斯克深矿和巴日阿诺夫矿试验应用，取得了一定的防突效果，在顿涅茨克煤管局 基罗夫煤矿的突出危险煤层利用移动式水泵开卸压槽的工艺进行了实验1 ，也取 得了好的效果。同时马凯耶夫煤矿安全研究院又提出了煤体水力破裂方法，研究 试验了水力疏松、水力挤出、水力冲刷【9 】和低压湿润煤体等防突措施，在顿巴斯等 矿区的突出危险煤层掘进巷道广泛应用。我国周世宁院士对煤巷卸压槽的防突机 理进行了研究，在焦作矿区进行了试验运用，并取得了一定的效果。据统计，1 9 8 7 年前苏联东部煤田和北部煤田采取防突措施的1 6 7 个煤巷掘进工作面，其中的8 9 共1 4 8 个工作面采用水力化措施，防突效果十分显著，掘进瓦斯涌出量明显降低。 自1 9 5 0 年辽源矿务局富国西二坑首次发生突出以来，国内防突科技人员针对 无解放层可采的煤层条件，先后试验应用了松动爆破、超前排放钻孔、深孔控制 卸压爆破、水力化等多项防突措施，有效降低了突出强度和突出次数，取得了明 l 绪论 显防突效果。然而这些措施分别有其局限性，如松动爆破措施主要适用于煤质较 硬、突出强度较小的弱突出煤层；超前排放钻孔措施施工时间长，措施孔有效作 用距离短，效检超标率高，补充措施频繁；深孔控制卸压爆破措施由于装药工艺 没有根本解决，操作比较复杂，不利于推广应用：水力冲孔又称钻冲法，是针对 突出煤层施工钻孔时的自喷现象，采用压力水钻冲孔，激发喷孔达到释放突出能 量、消除一定范围内的煤层突出危险，措施主要适用于石门揭煤或自喷能力强的 软煤分层。水力掏槽借鉴了水力冲孔措施，水力冲孔措施可用于石门揭穿煤层， 也可用于煤巷掘进和回来工作面。我国从1 9 5 8 年以来，先后在北票、南桐、焦作 进行过多次试验：实践证明，在地应力大、瓦斯压力高、煤质松软的危险煤层中 用大直径超前钻孔经常出现园喷瓦斯、喷煤粉、卡钻、顶钻而打不进去的问题； 改用水力冲孔后，则能顺利地在煤层中冲出超前孔洞，且煤层瓦斯压力越大，煤 质越松软，冲孔速度越快【m 】。据调研，目前全国突出煤层掘进应用最普遍的局部 防突措施仍然是超前捧放钻孔措施，平均掘进速度仅有4 0 m 月左右。 水力掏槽措旋是近几年才在国内试验应用的防突新技术。该措施主要借鉴了 水力冲孔防突措施，水力冲孔措施是在进行采掘工作之前，使用高压水射流，在 突出危险煤层中，冲出若干直径较大的孔洞，冲孔过程中排出了大量瓦斯和一定 数量的煤炭，因而在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内可预 防突出的发生。水力掏槽的过程是高压射流破碎煤体、释放大量瓦斯、改变改善 煤体应力状态的过程。煤体的破坏首先是高能量的高压射流破碎煤体，形成直径 较小的槽孔：然后在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎孔周围 的煤体，形成大直径的槽孔：而槽孔上部煤体由于稳定状态被破坏，在水力和重 力的作用下充分垮落，形成近似矩形槽孔洞。 1 3 焦作矿区突出地区煤巷掘进状况 焦作矿区主采二1 煤层具有严重突出危险性。1 9 5 6 年6 月2 4 日李封矿天官区 第一次发生突出至今，有资料记载的各类突出共发生2 9 0 余次，特大型突出1 次， 突出煤炭1 5 0 0 t ，瓦斯量4 4 万m 3 ，大型突出1 2 次。从发生突出的工作地点来划分， 石门揭煤工作面突出7 次，平均突出强度4 9 州次；采煤工作面突出2 3 次，平均突 出强度4 9 3 t 次；煤巷掘进工作面突出2 5 9 次，占突出总次数的8 9 6 2 ，平均突出 强度9 5 t 次。可见焦作矿区绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面。 为了防治煤巷掘进突出，1 9 8 8 年以前曾采用留大根掘进、半边巷道掘进、前 1 绪论 显防突效果。然而这些措掩分别有其局限性，如松动爆破措施主要适用于煤质较 硬、突出强度较小的弱突出煤层：超前排放钻孔措施施工时间长，措施孔有效作 用距离短，效检超标率高，补充措施频繁；深孔控制卸压爆破措施由于装药工艺 没有根本解决，操作比较复杂，不利于推广应用；水力冲孔又称钻冲法，是针对 突出煤层施工钻孔时的自喷现象，采用压力水钻冲孔。激发喷孔达到释放突出能 量、消除一定范围内的煤层突出危险，措施主要适用于石门揭煤或自喷能力强的 软煤分层。水力掏槽借鉴了水力冲孔措施，水力冲孔措施可用于石门揭穿煤层， 也可用于煤巷掘进和回来工作面。我国从1 9 5 8 年以来，先后在北票、南桐、焦作 进行过多次试验：实践证明，在地应力大、瓦斯压力高、煤质松软的危险煤层中 用大直径超前钻孔经常出现园喷瓦斯、喷煤粉、卡钻、顶钻而打不进去的问题； 改用水力冲孔后，则能顺利地在煤层中冲出超前孔洞，且煤层瓦斯压力越大，煤 质越松软，冲孔速度越快【l “。据调研，目前全国突出煤层掘进应用最普遍的局部 防突措施仍然是超前排放钻孔措施，平均掘进速度仅有4 0 m 月左右。 水力掏槽措旅是近几年才在国内试验应用的防突新技术。该措旆主要借鉴了 水力冲孔防突措施，水力冲孔接谁是在进行采掘工作之前，使用高压水射流，在 突出危险煤层中，冲出若干直径较大的孔洞冲孔过程中排出了大量瓦新和定 数量的煤炭，因而在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内可预 防突出的发生。水力掏槽的过程是高压射流破碎煤体、释放大量瓦斯、改变改善 煤体应力状态的过程。煤体的破坏首先是高能量的高压射流破碎煤体，形成直径 较小的槽孔；然后在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎孔周围 的煤体，形成大直径的槽孔；而槽孔上部煤体由于稳定状态被破坏，在水力和重 力的作用下充分垮落形成近似矩形槽孔洞。 1 3 焦作矿区突出地区煤巷掘进状况 焦作矿区主采二1 煤层具有严重突出危险性。1 9 5 6 年6 月2 4 日李封矿天官区 第一次发生突出至今，有资料记载的各类突出共发生2 9 0 余次，特大型突出1 次， 突出煤炭1 5 0 0 t ，瓦斯量4 4 万m j ，大型突出1 2 次。从发生突出的工作地点来划分， 石门揭煤工作面突出7 次，平均突出强度4 9 2 u 次；采煤工作面突出2 3 次，平均突 出强度4 9 3 “次；煤巷掘进工作面突出2 5 9 次，占突出总次数的8 9 6 2 ，平均突出 强度9 5 “次。可见焦作矿区绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面。 为了防治煤巷掘进突出，1 9 踮年以前曾采用留大根掘进、半边巷道掘进、前 为了防治煤巷掘进突出，1 9 8 8 年以前曾采用留大根掘进、半边巷道掘进、前 河南理工大学硕士学位论文 探金属支架等被动防突措施，之后逐渐试验采用松动爆破和7 5 3 0 0 i n m 的不同直 径超前排放钻孔防突措施，尽管效果比较明显，但突出事故仍频繁发生。1 9 8 8 年 采用“四位一体”综合防突措施以后，瓦斯突出事故次数明显减少，但是由于措施的 局限性，效果检验超指标频繁，措施重复采取率高、实旖措施占用时间长，严重 制约掘进速度。1 9 9 4 1 9 9 5 年，试验应用综合掘进机配合开卸压槽措施，煤巷月 进尺最高达到9 0 余米，终因未能很好解决开卸压槽的机具问题，无法推广应用。 1 9 9 9 2 0 0 2 年进行了中高压注水防突技术研究，使掘进速度提高到平均6 0 “月以 上，较好的解决了掘进防突措施的适应性和有效性问题。 1 4 课题的提出 焦作矿区具有百年开采历史，开展瓦斯灾害防治研究将近五十年。集团公司 现有5 对生产矿井，皆为突出矿井。近年来，随着矿井开采深度逐渐增大，煤层 瓦斯含量高、透气性差、突出危险性十分严重，突出煤巷掘进速度平均每月只有 4 0 余米，采煤工作面1 3 00 n l 巷道至少需要掘进两年，采掘比例严重失调。为保证 采掘平衡，一个采煤工作面至少要配4 6 个掘进工作面，一个突出煤巷掘进区队 同期至少有4 个掘进工作面才能保证掘进的顺利进行，造成巷道掘进成本居高不 下。有些突出严重的工作面，如九里山矿1 5 0 1 1 工作面掘进期间连续发生大强度 突出，自1 9 9 8 年3 月份开始至2 0 0 4 年7 月份共7 6 个月掘进1 9 0 0 m ，月平均掘进 2 5 m ；朱村矿2 5 0 5 1 工作面运输巷两头对掘，连续6 个月平均进尺只有l3 2 m 月。 焦作矿区现采用的防突措施虽然可以解除掘进工作面突出危险性，但是措施 施工时间长，导致有效掘进时间短，掘进速度缓慢；同时在实施防突措施的过程 中，喷孔、卡钻等动力现象经常出现，甚至发生突出，如九里山矿、中马村矿执 行排放钻孔防突措施时，就发生了小型突出，并造成了人员伤亡，不能保证措旌 的安全性。 由于钻孔措施需要人员在现场旋工，施工过程中发生的突出给工人生命安全 带来严重的威胁，因此如何控制措施期间突出酿成的灾害成为亟待艉决的重大难 题。 因此，探索适应严重突出煤层条件的快速掘进综合防突技术，完善防突安全 技术装备、研究煤巷快速掘进工艺及施工组织管理，在保证安全前提下大幅度提 高掘进速度，已成为缓解采掘紧张局面、建设高产高效矿井、改变矿井安全经济 面貌的当务之急。 4 1 绪论 焦作煤业( 集团) 有限责任公司与河南理工大学等单位合作，充分调研国内 外煤巷掘进防突技术及掘进工艺，在总结焦作矿区煤层特点和瓦斯赋存规律基础 上，研究了适合严重突出煤层的煤巷快速掘进水力掏槽防突措施。先后在焦作矿 区的演马庄矿、九里山矿选择突出危险性最严重的工作面开展试验，取得了良好 的效果，在保证安全条件下，大幅度提高了严重突出煤层煤巷掘进速度。 1 5 本课题研究内容和主要技术指标 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 分析确定水力掏槽措施在严重突出煤层煤巷掘进的适应性和有效性； ( 2 ) 水力掏槽技术装备配套； ( 3 ) 煤巷快速掘进工艺和掘进施工组织管理： ( 4 ) 确定严重突出煤层水力掏槽快速掘进防突工艺并对掘进期间瓦斯涌出规 律、煤体及顶板变形规律以及掘进安全性进行考察与评价： ( 5 ) 通过实施水力掏槽措施前后的通风系统变化，评价实施水力掏槽后的通风 系统可靠程度，提高系统的安全性和抵抗灾变能力； 河南理工大学硕士学位论文 1 5 2 研究技术路线 课题研究技术路线如图卜l 所示。 图1 - 1研究技术路线泺程图 f i g 1 - lt e c h n o l 0 科w a yn o wc t 叫i nr e s e a r c h 1 5 3 关键技术 ( 1 ) 确定合理的水力掏槽防突工艺及措施参数： ( 2 ) 水力掏槽防突措施效果考察及措旌超前距确定： ( 3 ) 施工组织方法。 1 5 4 主要技术经济指标： 6 l 绪论 ( 1 ) 研究确定安全、有效、可操作性强的综合防突措施及时有效地消除掘进 工作面突出危险性： ( 2 ) 优化出适合焦作矿区的水力掏槽防突配套装备； ( 3 ) 应用水力掏槽措施在保证安全的前提下，试验掘进巷道1 0 0 0 m 以上： ( 4 ) 严重突出煤巷掘进速度同期相比提高6 0 以上。 1 6 创新点 ( 1 ) 以流变理论为指导，借鉴水力冲孔方法，研究出严重突出危险掘进工作面 水力掏槽防突措施。通过多个严重突出掘进工作面工业试验，有效解除了突出危 险，大幅度提高了掘进速度和掘进的安全性，证明水力掏槽防突措施具有广泛的 适用性、有效性和安全性： ( 2 ) 通过对水力掏槽措施考察，研究得出适合焦作矿区的水力掏槽措施参数和 合理的措施超前距： ( 3 ) 在严重突出地区试验2 0 0 0 余米巷道，水力掏槽措施后正常掘进期间未发 生一次突出巷道掘进速度是原来掘进速度的2 倍以上有效缓解了采掘接替紧 张局面，经济和社会效益十分显著。 河南理工大学硕士学位论文 2 水力掏槽防突措施试验地区概况 2 1 焦作矿区二1 煤层概况 焦作矿区主采煤层为石炭二迭纪山西组二l 煤，俗称大煤，煤种为变质程度 较高的无烟煤，煤层瓦斯含量高。煤层赋存稳定、结构简单，煤层直接顶一般为 砂岩或砂质泥岩，老顶为中粒砂岩，底板为砂质泥岩或砂岩，瓦斯封闭较好。煤 层倾角1 0 1 2 0 ，平均厚度一般为5 6 m 。一般情况下，在煤层顶板以下或靠近煤 层底板赋存有一层o 2 1 5 m 厚构造煤( 软煤分层) ，为二l 煤突出的主要来源。 焦作矿区现主采的五对生产矿井均为突出矿井，煤层瓦斯含量高( 一般可达 2 0 3 4 m 3 ，t r ) 、压力大( 古汉山矿1 3 采区实测瓦斯压力已达2 4 2 m p a ) 。根据焦作 矿区的实际开采经验，当煤层瓦斯含量大于1 3 m 3 t r ，或瓦斯压力大于0 6 5 m p a 时， 工作面就已具有突出危险。截至目前，在实际采掘过程中全局有资料记载的各类 突出己发生2 9 0 余次，特大型突出1 次，突出煤炭1 5 0 0 t ，瓦斯量4 4 万m 3 ，大型 突出1 2 次。而在众多的突出事故中，煤巷掘进工作面突出次数所占比例最大，占 突出总次数的近9 0 。 2 2 演马庄矿试验地区 演马庄矿位于焦作矿区东部，采用立井、多水平、上下山方式开拓，混合式 机械抽出通风，主、副井和东四斜井进风，东西两个风井回风。突出煤层掘进工 艺为远距离爆破掘进矿车运输，常规掘进防突措施为超前排放钻孔，采取防突措 施时间占巷道施工总时间的7 0 以上，突出地区巷道掘进速度平均为4 5 耐月，炮 后瞬间最高瓦斯浓度一般为0 9 7 。 二二采区位于演马庄矿西部，为新开拓采区。主采二1 煤层，煤层顶板标高 1 1 5 m 1 3 5 m ，老顶为中粒砂岩，直接顶为砂岩，厚度4 m ，有0 2 o 3 m 厚的泥 岩伪顶，底板为砂质泥岩，煤层走向n 3 7 。4 2 0 e ，煤层倾角1 1 。，平均厚度6 m ， 软煤分层厚度为o 5 1 2 m ，如图2 1 所示。 同标高的韩王矿二五采区与二二采区相邻，该地区曾发生多次规模较大的突 出，其中1 9 9 7 年8 月3 1 臼在标高1 2 4 m 的2 5 0 9 l 运输巷掘进爆破时发生6 3 l t 的 突出，瓦斯涌出量达1 3 6 4 9 8 m 3 ，抛渣距离达到1 4 8 m 。1 9 9 9 年8 月2 6 日在标高1 3 7 m 的2 5 1 1 l 运输巷掘进爆破时发生4 6 0 t 的突出，瓦斯涌出量达9 3 0 9 2 m 3 ，抛渣距离 2 水力掏槽防突措施试验地区概况 达到1 1 0 m 。2 0 0 0 年2 月1 3 日同巷道掘进爆破时发生2 0 9 t 的突出，瓦斯涌出量达 2 4 2 5 l m 3 ，抛渣距离达到4 1 7 m 。 图2 1 煤层柱状图 f i g 2 一lc o a lb e dh i s t o 茸枷 2 2 0 1 1 工作面实测煤层瓦斯含量为1 5 。9 3 m 3 t r ，煤层瓦斯压力，= o 6 5 m p a ， 瓦斯吸附常数d 为4 6 9 4 8 4 m 3 ，t ，6 为o 9 8 5 9 m p 分1 ，煤的灰份a f l 6 4 5 ，挥发份 矿8 0 1 ，硬度产0 4 ，尸= 1 1 。透气性系数为3 5 2 m 2 m p a 2 d ，钻孔瓦斯衰减系 数为o 0 4 8d _ l ；2 2 0 4 l 工作面实测煤层瓦斯含量为3 0 6 9 m 3 a “瓦斯压力为0 。9 6 m p a ， 瓦斯吸附常数口5 6 9 6 m 3 t ，6 = o 9 6 l m p a 1 ，t 3 l ，透气性系数为4 1 5 m 2 ，m p a 2 d ， 硬度户o 1 0 8 ，软分层厚度为0 3 1 2 m ，煤层具有严重的突出危险。 2 2 0 1 1 工作面设计走向长4 0 0 m 倾斜宽1 1 0 m ，巷道支护方式均采取锚网与钢 筋梯联合支护。2 2 0 4 1 工作面设计走向长度4 8 0 m ，倾斜宽度1 0 0 m ，巷道支护方式 也采取锚网与钢筋梯联合支护。 二二采区回风巷道断面均不小于5 4 m 2 ；掘进工作面均建立有独立的进回风系 统，采用两台2 3 0 k w 对旋风机，双趟8 0 0 m 高强度风筒。实行压入式局部通风； 在常规2 道风门的基础上，距风门5 m 工作面一侧另外加设一道反向风门，同时风 筒过风墙时硬质风筒外焊接6 根1 0 圆钢筋，通风系统稳定可靠。 风流路线为：主副井进风一西大巷一二二采区轨道上车场一二二轨道下山一 一车场一局部通风机一2 2 0 2 1 运输巷掘进工作面一乏风经掘进工作面专用回风一 二二采区回风下山一二二采区总回风一西风井。 2 3 九里山矿试验地区 九里山矿于1 9 8 3 年投产，设计生产能力9 0 万吨年，中央边界分区抽出式通 风，主副井迸风，东、西回风井出风。试验地区1 5 采区位于井田东部，采区内煤 河南理工大学硕士学位论文 层构造复杂，煤质松软。 突出煤层掘进工艺为远距离爆破掘进矿车运输，常规掘进防突措旋为小直径 超前排放钻孔，采取防突措时间占巷道施工总时间的7 0 以上，突出地区巷道掘 进平均速度不足4 0 州月，炮后瞬间最高瓦斯浓度一般为0 8 7 ，炮后瓦斯超限 时间一般为l 4 小时。 试验地点1 5 0 1 l 工作面位于九里山矿东翼1 5 采区上部，北部为东轨道大巷煤 柱，南部为1 5 0 3 l 工作面，西部为1 5 下山煤柱，东部为井田边界。井下标高2 6 5 3 0 4 m ，埋深4 0 0 m 左右，煤层倾角1 2 1 3 0 ，厚度5 3 m ，顶板以下赋存有厚度o 3 1 6 m 的软煤分层，局部地方全层发育。直接顶为1 1 2 7 m 厚粉砂岩，直接底板为 7 9 6 m 厚泥岩，如图2 1 所示。1 5 0 l l 工作面回风巷实测煤层瓦斯含量3 1 m 3 t r ，瓦 斯压力1 3 1 4 m p a 。 1 5 0 1 1 工作面设计走向长度8 2 0 m ，倾斜宽度1 2 0 m ，掘进巷道采用爆破掘进， 工钢棚支护方式，掘进断面6 6 i n 2 。1 5 0 1 1 工作面为集团公司突出最严重工作面之 一，自1 9 9 7 年掘进以来，到2 0 0 4 年7 月共掘进了1 4 0 0 m 巷道，还有4 0 0 余米巷 道尚未贯通。1 5 叭1 运输巷掘进期间曾发生过一次瓦斯突出，突出煤量1 3 5 t 、瓦斯 量3 4 5 7 4 m 3 。掘进期间喷孔、顶钻及响煤炮等动力现象十分严重，采取措施重复率 高达2 5 ，巷道掘进速度平均仅为2 9 耐月。 一五采区建立有稳定可靠的通风系统，掘进工作面建有独立的进回风系统， 采用两台2 3 0 k w 对旋风机，双趟8 0 0 m 高强度风筒压入式通风；试验期间在常 规2 道风门的基础上，距风门5 m 工作面一侧另外加设一道反向风门，铁质风简过 风墙时外焊接6 根1 0 圆钢筋。 风流路线为：主副井进风一东大巷一一五采区轨道上车场一一五轨道下山一 二车场一局部通风机一1 5 0 l l 运输巷掘进工作面一乏风经掘进工作面专用回风一 一五采区回风下山一一五采区总回风一东风井。 2 4 本章小结 本章介绍了试验区焦作矿区的概况，现主采的五对生产矿井均为突出矿井， 煤层瓦斯含量高、压力大。煤巷掘进工作面突出次数所占比例最大，占突出总次 数的近9 0 ，突出煤层掘进工艺为远距离爆破掘进矿车运输，常规掘进防突措施 为小直径超前排放钻孔，掘进速度缓慢。 3 水力掏槽防突快速掘进理论基础 3 1 前言 3 水力掏槽防突快速掘进理论基础 水力掏槽措施的过程就是高压射流破碎爆体、释放大量瓦斯、改变改善煤体 应力状态的过程。煤体的破坏首先是商能量的高压射流破碎煤体，形成直径较小 的槽孔；然后在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎孔周围的煤 体，形成大直径的槽孔；而槽孔上部煤体由于稳定状态被破坏，在水力和重力的 作用下充分垮落，形成近似矩形槽孔洞。因此煤体在掏槽期间是渐进的被破碎， 煤体的应力和瓦斯潜能也是渐进的释放，这和爆破破碎煤体具有本质的区别，也 是水力掏槽措施诱导突出远低于放炮诱导突出概率的主要原因 3 2 煤与瓦斯突出流变机理 煤与瓦斯突出现象是煤矿井下采掘过程中，煤岩大部分以粉碎状从煤岩体中 向采掘空间急剧( 数秒钟至数分钟内完成) 运动并伴有大量瓦斯喷出的一种强烈 的动力过程。迄今为止，对于突出过程中煤岩体破坏和破坏发展机理的认识，在 很大程度上是假说性的，随着对突出机理认识的不断深入，学者们逐渐倾向于“综 合作用假说”【儿】，即认为突出是由于地应力、煤体中瓦斯以及煤的物理力学性质 综合因素作用的结果，但综合假说没有考虑突出过程的时阃效应因素，不易圆满 解释延期突出以及连续突出等现象。中国矿业大学周世宁院士和何学秋博士通过 对含瓦斯煤岩流变特性的研究【1 2 l ，提出了突出机理的“流变假说”。该假说认为， 瞬时突出和延期突出分别是由含瓦斯煤岩的动态流变破坏和蠕变破坏发动，突出 发展过程是含瓦斯煤岩动态流变破坏过程。 “流变假说”按时间顺序可将采掘工作面前方煤体流变过程化分为瞬态流变 阶段、动态流变阶段和蠕变阶段。 在瞬态和动态流变阶段，由于浅部煤体应力增加速度较大，这部分煤体在较 短时间内屈服破坏，使集中应力向深部传播而卸压进入松弛状态。对于蠕变阶段， 可按空间位置划分为松弛区域a ( 动态流变阶段发生屈服的区域) 、集中应力区域 c ( 强流变区) 和稳态蠕变区域b ( 弱流变区) ，如图3 1 所示。在蠕变阶段，a 区 为含高压瓦斯的b 、c 区提供侧向应力，阻碍b 、c 区的蠕变变形。 b 区域煤体在比原始地应力稍高的应力作用下蠕变。如果地应力大于煤的长时 河南理工大学硕士学位论文 强度，煤体出现蠕变的i 、i i 阶段如图3 ，2 所示，最后以恒定变形速率蠕变。外载 荷对该煤体所作的功主要转化为新产生滑移面的表面功和摩擦功，摩擦产生热量 使煤体温度上升，促进吸附瓦斯解吸。如果地应力小于煤的长时强度，则蠕变变 形速度减缓，最终趋于零，外力所作的功主要以弹性潜能形式贮存于煤体中。 c 区域煤体的蠕变，当集中应力大于煤体的长时强度时，其与b 区类似。当在 较商的集中应力和瓦斯压力作用下，c 区域瓦斯压力梯度很大，煤体很快进入加速 破坏的蠕变第m 阶段，如果此时煤体的瓦斯压力仍保持很高，c 区域煤体变形推垮 a 区域煤体而发动突出。如果c 区域在加速蠕变破坏之前，该区域内的瓦斯得到充 分排放，由于突出的主要能量来源不存在了，即使进入蠕变加速破坏阶段，突出 也不能发生，而只能产生压出、片帮等常见的矿山压力现象。这也从另一个侧面 说明，在严重突出煤层巷道掘进过程中，做好并加强巷道支护的重要性。 图3 1 工作面前方动压效应示意图 f i g 矗ld y l l a i n i cd o m i n oo 彘c tp r e s s u r es k e t c hm a pi nt h e 舶n to f w o r k i n gf 8 c e 延期突出一般在恒应力作用下发生，瞬时突出一般在动应力作用下发生，突 出都是在动载荷作用下发展的。在突出的发展阶段中，随着突出发生界面和应力 集中区的向前推进，处于上一b 区域的外边界也因应力的升高而向煤体深部扩展， 从而引起大强度突出。 瓦斯突出的流变假说表明，没有不突出的煤层，突出与否其关键在于含瓦斯 1 2 3 水力掏槽防突快速掘进理论基础 煤的有效应力水平和煤层的长时强度的相互消涨关系。当有效应力水平大于煤层 的长时强度，并且瓦斯条件其备时，突出的发生是不可避免的；有效应力水平越 高，突出发生的时间间隔越短。因此，防止瓦斯突出( 不论是瓣时突出还是延期 突出) 的关键是降低煤层的应力水平，使煤层瓦斯得到充分的释放。 图3 ，2 煤岩体典型蠕变曲线示意图 f 培3 - 2r e p r 髂e r 向 i v ec r e e p h gc u “es k 吼c hm a po f c o a l 啦dt o c k 3 3 水力掏槽防突措施理论基础 基于对突出的流变机理的认识，煤层( 包括围岩) 中地应力和瓦斯压力是突出 的主要原动力，煤层是受力体，是破碎和抛出的对象。采掘工艺条件是突出发生 的外部诱导因素。目前的防突措施遵循以下几个基本原则： ( 1 ) 部分卸除煤层区域或采掘工作面前方煤体的应力，使煤体卸压并将集中应 力区推移至煤体深部； ( 2 ) 部分排放煤层区域或采掘工作面前方煤体中的瓦斯，降低瓦斯压力和前方 工作面煤体中的瓦斯压力梯度； ( 3 ) 改变煤体的物理性质，使其不易于突出，如煤层注水湿润后，煤体弹性减 小，塑性增大，煤的放散瓦斯初速度降低，使突出不易发生； ( 4 ) 改变采掘工艺条件，使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯压力状态平缓变 化，实现工作面本身自我卸压和排放瓦斯。如水平分层开采、刨煤机和浅截深机 组采煤、间歇作业等，皆属此类。 其中，上述前两个原则( 卸压和排放瓦斯) 是减小发生突出的原动力【l3 1 ，是 河南理工大学硕士学位论文 根本的办法，因此，它是国内外绝大多数防突措施制定的主要依据。诸如开采保 护层、预抽瓦斯、超前钻孔、水力冲孔和冲刷、松动爆破等。但不同的措施，卸 压和排放瓦斯的范围与程度也有很大差别，适用条件也不同。 开采保护层和预抽瓦斯是区域防突措施，它们是蕾选的防突措施，但焦作矿 区是低透气性的单一严重突出煤层，很难实施此类区域防突措施。 超前钻孑l 等常规局部防突措施由于措施本身的固有特征，如需人员现场施工、 施工工艺复杂、施工时间长及措施重复率高等缺陷，一定程度上限制了措施在严 重突出煤层掘进的安全性和掘进速度的提高。 在地应力作用下，煤层具有塑性变形位移流动的特征，即流变性能。掏槽期 间，掏出了很大的孔洞，在经过一段时间后发现孔洞的体积明显减小，甚至被周 围煤体的位移所充填。煤体位移的作用缓慢地由孔洞壁向周围煤体传播，也就不 断地扩大了掏槽的卸压排瓦斯范围，因而大大加强了预防突出的效果。 因此，水力掏槽措施的基本原理是在进行采掘工作之前，使用高压水射流， 在突出危险煤层中，冲出直径较大的孔洞。掏槽过程中排出了大量瓦斯和一定数 量的煤炭，因而在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内，则可 预防突出的发生。水力掏榷措施实质就是外力在较短时间内破坏煤体的原有平衡 稳定状态，部分煤体破碎抛出，促使所受应力状态发生变化，并释放大量瓦斯的 过程【1 4 1 。 由防突原理可看出水力掏槽措施有以下几个方面的优点： ( 1 ) 该措施保证了措施期间和措施后的安全性 首先保证了措施过程中的安全性，高压水射流破碎煤体的过程需要2 0 分钟左 右，是一个渐进( 相对松动爆破) 过程，降低了工作面前方的流变速度，减小了 动压，进而降低了导致突出的有效应力，减小了措施中诱导突出的可能性； 其次，冲出槽孔的尺寸相对钻孔尺寸要大的多，影响范围也大，工作面附近 煤体的地应力和瓦斯能得到更充分的释放； 第三，在实施过程中，高压水射流对前方煤体有1 6 2 q m p a 的推力，也降低 了发生突出所需要的有效应力； 第四，水力掏槽措旖实现了无人操作，即使发生了突出，也不会伤人，保证 了人身安全。 ( 2 ) 保证有效掘进时间 在2 0 分钟左右时间内，冲出深2 0 m 左右的槽孔，且在掏槽深度范围内一次性 1 4 3 水力掏槽防突快速掘进理论基础 消除了突出危险性，具有作业时间短、措施重复率低等特点。 因此，水力掏槽措施更适用于焦作矿区的单一可采严重突出煤层。 3 4 瓦斯涌出防治理论基础 瓦斯积聚和瓦斯突出问题是制约严重突出煤层巷道安全快速掘进的瓶颈。根 据焦作矿区的经验，在采取常规防突描掩之后，突出危险基本消除，但掘进速度 不能满足生产和预抽回采工作面瓦斯的要求，炮后瓦斯超限现象十分严重。据演 马庄矿和九里山矿统计，炮后瓦斯超限率超过7 0 。 水力掏槽措施过程中，掏槽尺寸大、掏槽速度快，工作面前方4 5 6 m 处的 应力集中带在3 5 m i n 内就可以完成掏槽，煤层在部分槽孔形成后向槽孔空间方 向产生大幅度位移使周围煤体充分卸压，煤层透气性增加2 3 个数量级；煤体 破碎、槽孔周边位移煤体和掏槽影响范围煤层中的瓦斯快速释放形成剧烈的瓦斯 涌出，使措旄过程中的瓦斯涌出达到峰值。而继续掏槽措施逐步进入原始应力区 时，槽孔周边煤体位移形成的碎煤和渗透性增加幅度逐步减少，瓦斯总体涌出水 平随之逐步下降。与其它措施相比较，水力掏槽措施的特点是掏槽过程及其结束 后一段时间内瓦斯涌出强度大，涌出集中，在正常掘进过程中很少再发生炮后瓦 斯超限现象。 采用局部通风机增加风蠡稀释煤体集中涌出的瓦斯和进行瓦斯抽放是解决瓦 斯积聚的两种途径【1 5 】。目前根据煤层瓦斯流动场理论建立起来的瓦斯抽放技术已 经广泛应用子实践中，如本煤层采掘前预抽放、边掘边抽和采空区抽放等；局部 通风机的性能也在急剧提高，目前两台2 3 0 k w 对旋风机的通风能力已经达到 1 0 0 0 m 供风8 0 0 1 2 0 0 m 3 m 【i i l ，基本可以满足l o m 3 m i n 的掘进工作面瓦斯涌出量 的稀释排放要求。 3 5 本章小结 本章以煤与瓦斯突出的流变机理为基础研究了水力掏槽防突措施快速掘进的 理论基础。水力掏槽措施的基本原理是在进行采掘工作之前，使用高压水射流， 在突出危险煤层中，冲出直径较大的孔洞，掏槽过程中排出了大量瓦斯和一定数 量的煤炭，因而在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内可预防 突出的发生：分析了水力掏槽措施中和措施后的瓦斯涌出的特点，提出了采用局 河南理工大学硕士学位论文 部通风机增加风量稀释煤体集中涌出的瓦斯和进行瓦斯抽放是解决瓦斯积聚的两 种途径。 4 水力掏槽措施设备工艺与施工组织 4 水力掏槽措施设备工艺与施工组织 4 1 水力掏槽措施设备配套 4 1 1 防突措施系统设备 ( 1 ) 供水泵 由于试验地区水量充足、水质较好，可以直接采用高压锅炉给水泵，以便提 供射流所需的压力和流量。根据煤的物理性质，选择台型号为d g l 5 0 1 3 0 1 2 水泵，电机转速2