突出煤层掘进水力掏槽防突技术研究

突出煤层掘进水力掏槽防突技术研突出煤层掘进水力掏槽防突技术研 究究 在理论研究分析指导下 结合工业试验 研究了严重煤与 瓦斯突出煤层巷道掘进防突技术 通过理论研究和工业试验 确定了水力掏槽新掘进防突措施 并提出了适合焦作矿区的防 突措施参数 系统评价了水力掏槽防突措施的有效性 适应性 和安全性 研究结果表明 水力掏槽防突措施是高压水通过水 枪产生高流量的稳定射流破碎前方煤体形成槽硐 槽硐周围煤 体得到充分卸压 释放出大量瓦斯 煤体物理力学性质发生改 变 当卸压槽具有足够面积时 在巷道周围形成卸压和排放瓦 斯的煤带 解除突出危险性 2000 米严重突出地区巷道掘进表 明 正常掘进期间未发生一次突出 巷道安全掘进速度提高 2 倍以上 采区水力掏槽防突措施每米掘进进尺的防突措施时间 是超前排放钻孔防突措施的 1 14 是注水防突措施的 1 7 有效缓解了采掘接替紧张局面 经济和社会效益显著 关键词 煤与瓦斯突出 水力掏槽 防突 高压射流 概述焦作矿区具 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 顶分层煤巷掘进主要采取超前排放钻孔配合边掘边抽和 中高压注水防突措施 但煤巷掘进速度平均每月只有 45 60 余 米 采煤工作面 1300m 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 15011 工作面掘进期间连续发生 大强度突出 自 1998 年 3 月份开始掘进至 2004 年 7 月份共 76 个月掘进 1900m 月平均掘进进尺为 25m 朱村矿 25051 工作 面运输巷两头对掘 连续 6 个月平均进尺只有 13 2m 月 1 概述概述 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 顶分层煤巷掘进主要采取超前排放钻孔配 合边掘边抽和中高压注水防突措施 但煤巷掘进速度平均每月 只有 45 60 余米 采煤工作面 1300m 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 15011 工作面掘进 期间连续发生大强度突出 自 1998 年 3 月份开始掘进至 2004 年 7 月份共 76 个月掘进 1900m 月平均掘进进尺为 25m 朱村 矿 25051 工作面运输巷两头对掘 连续 6 个月平均进尺只有 13 2m 月 焦作矿区现采用的防突措施虽然可以有效解除掘进工作面 突出危险性 但是措施施工时间长 有效掘进时间短 导致掘 进速度缓慢和严重的集中生产现象 为安全生产埋下重大隐患 因此 探索适应严重突出煤层条件的综合防突技术 在保证安 全的前提下大幅度提高掘进速度 已成为缓解采掘紧张局面 改变矿井经济与安全面貌的当务之急 2 水力掏槽措施防突机理研究分析水力掏槽措施防突机理研究分析 水力掏槽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 部分煤体破碎被冲出 槽洞周边煤体向外发生 位移 促使所受应力状态发生变化 有效应力降低 并释放大 量瓦斯的过程 水力掏槽措施的过程就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 形成近似矩形槽硐 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 掏槽过程中排出了大量瓦斯和一定数量的煤炭 因此在煤体中 形成一定的卸压 排放瓦斯区域 在这个区域内 破坏了突出 发生的基本条件 起到有效防治或抑制突出的效果 图 1 是通 过 ansys 数值模拟 槽孔底部的煤体和顶板发生了位移 位移 模式分别为底部煤体鼓起和顶板下沉 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 掏槽时和掏槽后的瓦斯排放量可 达掏槽有效影响区域内瓦斯总量 50 左右 预防突出效果显著 图 2 是焦作矿区突出煤层排放措施孔硐面积 通常为圆孔硐 与瓦 斯有效排放影响半径关系曲线图 理论研究与分析表明 水力掏槽措施在提高煤体透气性 改善煤层应力状态以及措施后煤体物理性质变化都具有非常积 极的影响 对突出的防治具有针对性和可行性 3 工业船工业船 3 1 试验地区 演马庄矿突出煤层掘进工艺为超前排放钻孔防突 远距离 爆破 掘进矿车运输 采取防突措施时间占巷道施工总时间的 70 以上 突出地区巷道掘进速度平均为 45m 月 炮后瞬间 最高瓦斯浓度一般为 0 9 7 二二采区为新开拓采区 主采 二 1 煤层 老顶为中粒砂岩 直接项为砂岩 厚度 4m 有 0 2 0 3m 厚的泥岩伪顶 底板为砂质泥岩 煤层倾角 11 平 均厚度 6m 构造软煤分层厚度为 o 5 1 2m 试验工作面实测煤层瓦斯含量为 30 69m3 t r 瓦斯压力 为 0 96mpa 瓦斯吸附常数 a 45 696m3 t b o 961mp 1 p 31 透气性系数为 4 15m2 mpa2 d 硬度 f o 1 0 8 软分 层厚度为 0 3 1 2m 煤层具有严重的突出危险 同标高地区曾 发生多次规模较大的突出 3 2 水力掏槽防突措旋有效性检验 水力掏槽防突措施采用预测 防突措施 措施效果检验和 安全防护措施 四位一体 综合防突技术思路 即首先进行突出 危险性预测 突出危险性预测及效检指标均采用 r 值指标法 其临界值 rm 为 6 当预测无突出危险时 留出预测超前距 直 接采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业 预测有突出危 险时采取水力掏槽综合防突措施 然后进行效果检验 措施效 果检验有效后 留出效检超前距采用远距离放炮安全防护措施 进行掘进作业 3 3 水力掏槽措施技术参数 措施超前距 在焦作矿区煤层条件下 当正前水力掏槽断 面积小于 1 om2 时 措施超前距保留 5 om 考虑到顶板支护 因素 当正前水力掏槽断面积大于 1 om2 时而又小于 2 0m2 时 措施超前距保留 3 0m 当正前水力掏槽断面积大于 2m2 时 措 施超前距保留 1 om 泵压 流量 通过理论计算和实际掏槽效果 水力掏槽泵 压确定为 16 20mpa 流量 150m3 h 水力掏槽尺寸 水力掏槽 13 20min 后 形成一道宽 800 1200mm 高 1 2 1 7m 深 10 32m 超前卸压槽 图 3 为实际拍摄的水力掏槽槽硐 3 4 试验情况采取水力掏槽消突措施后突出指标效检超标率 为 5 83 远低于常规的 30 措施超标率 效检不突出准确率 为 100 充分显示了水力掏槽消突措施的有效性和可靠性 平均月进尺达到 126m 最高达到 165m 月 较排放钻孔等常 规防突措施掘进速度提高到 2 倍以上 表 3 为 2004 年 8 月 11 月间水力掏槽消突措施应用情况表 水力掏槽期间瓦斯涌出量大幅度增加 图 4 是水力掏槽瓦 斯涌出规律 采取水力掏槽消突措施后 在爆破作业时 瓦斯 涌出强度降低 炮后瓦斯超限率急剧下降 由其它防突措施炮 后瓦斯超限的 50 以上降至目前的 18 9 并且炮后瓦斯浓度 一般在 o 3 o 9 之间 低于排放钻孔防突措施爆破后 0 9 7 的瓦斯浓度 同风量下比较 因此采取水力掏槽措施是 掘进爆破作业安全的重要保证 同时试验表明 措施后杜绝了 爆破作业诱导突出或出现瓦斯动力现象 水力掏槽消突措施不同于中高压注水 超前排放钻孔等防 突措施之处 一方面在于其显著的防突效果 另一方面在于其 简便快捷的操作和管理 表 2 为采取不同防突措施时的各项指 标对比情况 通过比较 采取水力掏槽消突措施后 每米进尺措施时间 是超前排放钻孔的 1 14 是注水防突措施的 1 7 为提高突 出煤层巷道的有效掘进时间奠定了基础 工程试验表明 掏槽后形成较大面积的槽洞对减少爆破工 程量 材料费用 提高爆破效果和增加一次爆破深度均有显著 作用 新的掘进工艺使掘进速度提高到原来的 2 倍以上 达到 全公司平均掘进水平的 2 4 倍 4 力掏槽防突措施评价力掏槽防突措施评价 4 1 广泛适应性 焦作矿区煤巷掘进突出统计表明 在采用排放钻孔等常规 措施期间 平均年掘进 4000 米巷道突出 4 6 次 采用水力掏 槽措施在焦作矿区试验期间掘进 2000 余米 共发生突出 2 次 其中 1 次为考察水力掏槽措旌安全距离诱发突出 1 次为措施 期间突出 掘进工作面遇到成组断层 煤层全部为软分层 采用 排放钻孔打钻时出现严重喷孔现象后 为保证施工安全 而采 用水力掏槽措施发生的突出 从千米巷道突出次数看 基本与 采用常规措施相当 采用水力掏槽措施并没有增加突出的概率 采用水力掏槽时 措施实施过程无人值守 保障了施工人 员在措施过程中的安全 而在严重突出煤层实施超前钻孔防突 措施的过程中 经常遭遇喷孔 卡钻 甚至发生突出 这给突 出措施的执行带来困难 也对施工人员的安全构成严重的威胁 因此 水力掏槽措施能够很好的适应于矿区的严重突出煤 层掘进消突 4 2 显著有效性 1 措施重复率低 采取水力掏槽措施 一般可以一次成槽 不需要反复的冲 刷 过程简单 水力掏槽措施之后 效检超标率明显降低 2 措施执行时间短 和其它防突措施相比 水力掏槽消突措施施工时间短 措 施仅需 10 30min 瓦斯在措施期间大量释放 措施后瓦斯浓 度一般在 40min 内降低到 0 1 o 4 保证了有效掘进时间 3 掘进速度大幅度提高 采取水力掏槽措施后 措施重复率低 措施执行时间短 掘进的有效时间增加 新的掘进工艺使严重突出煤巷掘进速度 提高到原来的 2 倍以上 达到全公司平均掘进水平的 2 4 倍 4 经济和社会效益显著 试验期间 杜绝了严重突出地区掘进的瓦斯灾害事故 实 现了安全快速掘进 产生直接经济效益 1400 余万元 4 3 可靠安全性 1 措施过程安全 水力掏槽消突措施是一种逐渐剥离破碎煤体 释放煤体有 效应力的过程 在采取水力掏槽措施过程中 掘进工作面采用 水力掏槽消突措施时实现无人操作 措施过程具有安全可靠性 避免了措施期间突出伤人事故的发生 2 掘进过程安全 采取水力掏槽措施过程中 掘进工作面原应力集中带向前 方和槽的两帮深部转移 卸压较快 瓦斯得到充分释放 掘进 过程中不会发生突出 而且 措施后在爆破和正常掘进期间瓦 斯浓度一般都不超限 在措施有效范围内掘进爆破后瓦斯涌出 呈现递减的规律 炮后瓦斯浓度一般为 0 3 0 9 仅比其 它工序升高 0 2 左右 掘进过程中瓦斯安全得到保障 3 防护措施可靠 由于实施了无人作业水力掏槽消突措施 同时在两道风门 的基础上增设一道风门 措施期间巷道内所有电器设备处于停 电状态 因此避免了突出直接伤人和电器设备失爆诱发瓦斯爆 炸的可能性 5 结论结论 1 理论研究分析表明