冷水江市乡镇煤矿局部防治突出技术措施的研究与应用

第第页冷水江市乡镇煤矿局部防治突出技术措施的研究与应用1前言

目前国内主要采用的局部防治突出技术措施按其对突出煤层的作用可分成两个方面:一方面是消除或剥弱煤与瓦斯突出的能量聚积,防止这种能量的突然释放,即卸除煤岩压力和瓦斯压力,属于这一类措施的主要有局部瓦斯抽放、排放钻孔、超前钻孔、水力冲孔、深孔松动爆破等;另一方面是增强煤体的稳定性,增加煤体的破碎阻力,使煤与瓦斯突出难于发生,属于这一类措施的主要有金属骨架、前探支架、防突挡板、做半面留半面等。在选用和实施局部防治突出措施时,由于突出机理较复杂,且施工作中干扰因素较多,各种措施的防治突出效果在各矿使用中有所差异,同时,因煤的性质不同,所采用的措施效果也会因地而异,因此,各突出矿井采用防治突出措施的各主要参数必须经过选用、试验测定、修改三个阶段,方能取得较好的防突效果。土朱煤矿自1990年以来对各种防治突出措施的实施效果进行了试验,并于1994年开始对局部防治突出措施的主要实施技术参数进行了考察测定,确定了符合本矿突出煤层特点的局部防治突出措施及其主要技术参数。

2突出概况

土朱矿位于涟邵煤田金竹山矿区西南部，桥头河向斜的西南端，西南起于石子岭断层及1勘探线以西200米与一平硐矿井相邻；东南翼至39勘探线与托山矿井相接，矿井设计生产能力为40万吨/年，因开采技术条件复杂，省煤炭厅于1977年核定生产能力为21万吨/年，近几年通过改扩后2023年核定生产能力达到30万吨/年。矿井其含煤地层为测水组下段，井田内含煤地层为测水组下段共含煤七层，其中2、3、4煤层为非突出煤层，5、6、7煤层及5煤分支煤层具有煤与瓦斯突出危险。截止于2023年底共发生过煤与瓦斯突出22次，其中最大突出强度为1100t。各煤层煤质牌号均为无烟煤，矿区内水文地质简单,无煤尘爆炸危险,无煤层自燃发火现象。

土朱煤矿自1974年始突至今,共发生煤与瓦斯突出23次。按突出基本情况统计如表2-1;按防突措施实施情况统计如表2-2。

土朱矿井突出基本情况统计表2-1

矿井突出次数

(次)最大突出

强度(t/次)平均强度

(t/次)累突煤量

(t)土朱矿231100107.12356

土朱矿井突出情况按防突措施实施统计表2-2

矿井未采取措施措施不力合计次数%次数%次数土朱188141923

3局部防治突出措施的应用及效果分析

自建矿到1988年以前,在局部防突措施管理方面,对石门揭煤与煤巷掘进只是直接采用震动性放炮和远距离放炮等安全防护措施进行处理。1988年煤炭部颁发《防治煤与瓦斯突出细则》后,至1989年“四位一体”综合防突措施便在我矿迅速得到推广应用。在1991～2023年期间,沿煤掘进工作面共进行了突出预测1521次,预报工作面有突出危险352次,采取防治突出措施352次。其中:实施了深孔松动爆破措施46次(沿煤巷道)、超前钻孔措施323次(其中实施孔径42mm的密集钻孔措施300次,实施孔径89mm的超前钻孔措施23次)。石门揭煤107个,进行工作面突出预测395次(包括过煤门预测),预报工作面有突出危险39次,其中瓦斯抽放13次、采取水力冲孔措施2次,排放钻孔措施35次,辅之采用金属骨架措施19次。石门揭煤突出15次,其中采取防治突出措施后因措施失效突出5次,未采取防治突出措施突出7次(误透突出煤层突出6次、预测失真突出1次)。防治突出措施应用情况见表3-1、表3-2。

表3-1石门工作面防突措施应用情况

矿

井石门揭煤工作面预测采取措施情况措施效果检验(个)突出(次)(次)有危险准确

率

(%)水力

冲孔

(次)排放

钻孔

(次)瓦斯抽放

(次)金属

骨架

(次)效果

检验

(次)有效

(次)准确

率

(%)采取

措施未采

措施(次)(%)矿10757345298.410022439292793.1

注:石门预测包括石门揭煤与过煤门预测。

表3-2沿煤掘进工作面防突措施应用情况

矿

井突出

煤层

巷道

长度

(m)工作面突出预测工作面采取措施情况千米掘进(次)有危险准确

率

(%)超前钻孔(次)松动

爆破

(次)效果

检验

(次)有效

(次)准确

率

(%)

巷道

突出

(次)巷道突出

(次)(次)(%)φ42φ89mm矿4189971707.21001422326706998.5

01

深孔松动爆破措施和水力冲孔措施未能得到推广应用,主要原因是措施工艺复杂,技术性强,工人难于掌握,同时因5煤层(包括5煤构造分岔煤层)极破碎为粉末煤,采取深孔松动爆破措施效果很不理想,无法达到放”闷炮”产生过多的裂隙释放瓦斯来增强煤体硬度以及形成采掘集中应力前移的目的，甚至在采取了深孔松动爆破措施后,还得再采取超前钻孔措施。水力冲孔对水压要求严格，煤层本身的易膨胀等原因造成冲洗出来的煤量和范围很难达到《规程》及《细则》的要求，因此,该二项措施未能在突出煤层中得到推广应用。目前矿井在沿突出煤层巷道主要采用超前钻孔措施,在石门揭煤工作面主要采用排放钻孔与金属骨架措施。但是,因超前钻孔措施与排放钻孔措施的技术参数尚末经实测确定,在实施时有效排放范围难以准确控制,因此,在实施措施后,仍有二次失效,并发生了煤与瓦斯突出。

4局部防治突出措施主要技术参数的测定

4.1.测定超前钻孔措施的有效排放半径和有效排放时间

4.1.1.测定方法及确定标准

测定超前钻孔措施有效排放半径和排放时间主要采用了两种方法:一是采用钻孔瓦斯流量法测定超前钻孔有效排放半径,即沿工作面软分层打三个相互平行的测量钻孔,孔径42mm,孔长5～7m,间距0.2～0.5m,封孔后立即测量各钻孔瓦斯涌出量,并每间隔2～10min测定一次,然后在距最边缘测量孔中心一定距离,打一个平行于测量孔的待考察孔,打完后,每隔2--10min测定各测量孔的瓦斯涌出量,测定2小时。其确定标准是按《防治煤与瓦斯突出细则》要求：如果连续三次测定测量孔的瓦斯涌出量都比打超前钻孔前增大10%,即表明该测量孔处于超前钻孔的有效排放半径之内来确定;二是采用钻屑指标法测定超前钻孔有效排放半径和排放时间,即在有突出危险的采掘工作面,在其软分层先打一个考察孔,测量每米的钻屑指标,然后,按施工要求确定排放时间,到时间后在距考察孔一定距离打一个与该孔呈一定角度的测试孔,测量每米的钻屑指标值。其确定标准是根据两个钻孔同一深度范围内所测数据和两点之间的间距,在一定时间后,当考察孔测定数据小于突出临界指标值时,相应两点之最大间距即为该措施的有效影响半径,该时间即为该半径的有效排放时间。

4.1.2.测定工程量

矿井12318分支煤复采工作面、12采区-50东一、二回风上山及12采区-50西翼石门、东二下山掏五煤分支巷道和12524机巷、12522机巷等处分别采用钻孔瓦斯流量法和钻屑指标法测定了超前钻孔的有效排放半径和有效排放时间,累计测定了6次,其中,采用瓦斯流量法测定孔径42mm超前钻孔措施3次,测得有效排放半径在0.2～0.4m间的1次,在0.3～0.5m间的有2次,测定孔径89mm超前钻孔措施1次,测得有排放半径在0.8～1.0m之间;采用钻屑指标法测定孔径89mm超前钻孔措施2次,测得有效排放半径在0.8～1.0m之间,其有效排放时间均为8小时。

4.1.3.测定结果

从以上测定可知,孔径42mm超前钻孔措施的有效排放半径可确定为0.3m,有效排放时间在现场均确定为8小时;孔径89mm超前钻孔措施的有效排放半径可确定为0.8m,有效排放时间为8小时。

4.2.测定排放钻孔措施的有效排放半径和有效排放时间

4.2.1.测定方法及确定标准

测定排放钻孔措施的有效排放半径和有效排放时间主要有两种方法:一是测定煤层瓦斯压力法,即在石门工作面选一排放孔，其位置在距预定位置一定距离打一排相互平行的测压钻孔,测定各孔的煤层瓦斯压力后,在预定位置打排放钻孔,打完钻孔后,每间隔1小时观测各测压孔的压力变化情况,在一定时间后,当某孔瓦斯压力下降到0.74mpa以下时,则该孔与排放孔间的距离即为该措施的有效排放半径,该时间即为有效排放时间;二是采用钻屑指标法测定排放钻孔有效排放半径和排放时间,其确定标准是根据两个钻孔同一深度范围内所测数据和两点之间的间距,在一定时间后,当考察孔测定数据小于突出临界指标值时,相应两点之最大间距即为该措施的有效影响半径,该时间即为该半径的有效排放时间。

4.2.2.测定工程量

矿井在12采区-50东翼运输石门和21采区的-120西翼运输石门等处对孔径89mm的排放钻孔措施进行了测定,在采用瓦斯压力测定法时,由于封孔质量和其它施工因素影响,测定均末成功。

4.2.3.根据矿井排放钻孔措施实施情况,在未现场测定之前,孔径89mm的排放钻孔措施有效排放半径可参照超前钻孔措施有效排放半径0.8m实行,其有效排放时间的选择,因石门工作面煤体处于原始状态,且煤层瓦斯赋存条件不同于沿煤巷道,瓦斯放散速度相对较小,其排放时间相对较长,我矿在现场实施孔径为89mm排放钻孔措施的有效排放时间一般为一周。

5防治突出措施参数测定结果检验

5.1.检验方法

采用钻屑指标法对所测定结果进行了检验,具体做法是:在有突出危险的掘进工作面,打一个孔径42mm或孔径89mm的超前钻孔,孔深8～10米,测定其每米的钻屑指标值,经其所测定的有效排放时间后,在距该孔孔距为有效排放半径的位置,打一个与之平行的孔径为42mm的检验孔,孔深8～10米,测定其每米的钻屑指标值,若所测指标值均降至突出临界指标以下,则证明该措施的排放半径和排放时间为有效。

5.2.检验情况

土朱煤矿在12518工作面和12522、12524工作面采用钻屑指标法对孔径42mm和孔径89mm超前钻孔措施的有效排放半径和有效排放时间进行了检验验证,经检验证明,突出煤层煤巷掘进孔径42mm和孔径89mm超前钻孔措施的有效排放半径分别为0.3米和0.8米,有效排放时间均为8小时是适合土朱煤矿突出煤层特点的。

6安全经济效益

6.1.采取防治突出措施,有效地抑制和减少了突出事故的发生。

自“四位一体”综合防突措施在土朱煤矿推广应用以来,在沿煤掘进巷道,除预测失真一次外，消除了煤与瓦斯突出事故,石门揭煤工作面突出次数也大幅度减小,对采取了按所确定防治突出措施技术参数设计施工防治突出措施的石门工作面也消灭了突出事故,其安全经济效益明显。

6.2.正确选用各种防突措施参数是提高措施安全可靠性的首要条件。

通过对超前钻孔有效排放半径和有效排放时间的测定与确定,能够合理地确定措施孔的数目和瓦斯排放时间,避免措施施工的盲目性,其安全经济效益是不可估量的。

6.2.1.确定了措施的有效排放半径,一方面避免了因措施孔数过少而使瓦斯排放不充分或瓦斯排放范围不够,在安全上有了一定的保证,同时避免了措施的重复施工,降低了劳动强度,提高了工效;另一方面避免了因施工措施孔数过多而增大了施工的劳动强度,提高了工效,加快了施工进度。

6.2.2.确定了措施的有效排放时间,一方面避免了因措施的排放时间不足、瓦斯排放不充分而盲目地施工或进行措施效果检验,降低了职工的劳动强度,提高了工效,同时保证了安全生产;另一方面避免了因排放时间过长而延误了工期和施工进度,相应地提高了单产单进,加快了掘进速度。

6.3.采取超前钻孔措施后,有效地防止了煤与瓦斯突出事故,同时,在掘进时瓦斯涌出量小,提高了安全性和成巷速度。

7认识与研究

7.1.超前钻孔措施的作用原理就是在掘进工作面的前方,穿透巷道集中应力带,使邻近掘进工作面前方的地应力和瓦斯压力都大大降低,即增大工作面前方减压带长度,从而使工作面前方压力梯度降低。这样,在工作面前方,人为地造成和保持了一个较长的卸压带(安全带),使得突出危险消失。

7.2.超前钻孔措施具有如下特点:

1).在实施超前钻孔措施时,在钻孔的开孔段钻进时,瓦斯涌出量增加不大,这是因为此段钻孔尚处于巷道自然卸压区内;随着钻进速度的增加,瓦斯涌出量也增加,当钻孔进入应力集中带时,煤炮剧烈,出现顶钻、喷瓦斯等现象,瓦斯涌出量迅速上升,这说明钻孔使应力状态发生急剧变化。在退钻过程中,瓦斯涌出量逐渐下降。

2).打钻过程中,钻孔瓦斯涌出量由两部分组成:一是来自打钻中被破碎的煤体,在打钻过程中,其所富含的瓦斯绝大部分放散出来了;二是由钻孔孔壁涌出,这部分瓦斯涌出量的大小取决于钻孔处的地质构造、钻孔直径和钻进速度。

3).在距离钻孔较近的煤体中,瓦斯放散速度大,而距离钻孔较远的煤体中,由于其透气性小,瓦斯流动阻力大,瓦斯运动速度显著地减弱,使得钻孔的瓦斯涌出量很快地衰减下来,这表明超前钻孔具有一定的瓦斯排放半径的特点。

7.3.根据多年来在煤与瓦斯突出巷道的试验,实施密集小直径(42mm)超前钻孔措施较适应土朱煤矿的突出煤层特点,且该措施具有如下优点:

1).打钻工艺设备简单。

2).施工速度快,时间短。

3).施工容易,垮孔与卡钻事故少。

4).施工时安全可靠,打钻时只需对工作面支护作适当的加固,不需特殊的防护措施即可保证作业的安全。（特殊地段初次实施时要加安全防护栏对作业人员进行保护）

7.4.土朱煤矿在采用超前钻孔(包括排放钻孔)措施作为一种主要的防治突出技术措施时,建议:

1).根据土朱煤矿突出煤层特点,尤其是五煤层和五煤层的底板构造分岔煤层,极破碎,透气性差的粉末煤,在实施措施时,易垮孔而影响瓦斯排放效果,因此,不适宜采用大直径钻孔。

2).采用中孔径(孔径89mm)超前钻孔(或排放钻孔)措施和密集小直径(孔径42mm)钻孔措施时,必须严格按其有效排放半径进行设计布孔。钻孔的控制范围:沿煤巷道应包括巷道断面和巷道轮廓线外顶部2～4米、两帮及巷底2米的范围;石门工作面应包括巷道断面和巷道轮廓线外顶部不小于6米、两侧和底部3～5米的范围。

3).钻孔应布置在煤质松软的软分层中。

4).措施孔设计必须依据于煤层的赋存条件,当煤层赋存条件发生变化时,钻孔数也应随之增减。

5).实施超前钻孔措施时,钻孔长度一般不得小于10米,钻孔超前于掘进工作