突出煤層掘進(jìn)水力掏槽防突技術(shù)研究

1、sweat is the lubricant of success.整合匯編簡(jiǎn)單易用（頁眉可刪）突出煤層掘進(jìn)水力掏槽防突技術(shù)研究 在理論研究分析指導(dǎo)下，結(jié)合工業(yè)試驗(yàn)，研究了嚴(yán)重煤與瓦斯突出煤層巷道掘進(jìn)防突技術(shù)。通過理論研究和工業(yè)試驗(yàn)，確定了水力掏槽新掘進(jìn)防突措施，并提出了適合焦作礦區(qū)的防突措施參數(shù)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了水力掏槽防突措施的有效性：適應(yīng)性和安全性。研究結(jié)果表明：水力掏槽防突措施是高壓水通過水槍產(chǎn)生高流量的穩(wěn)定射流破碎前方煤體形成槽硐，槽硐周圍煤體得到充分卸壓，釋放出大量瓦斯，煤體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。當(dāng)卸壓槽具有足夠面積時(shí)，在巷道周圍形成卸壓和排放瓦斯的煤帶，解除突出危險(xiǎn)性。2000米嚴(yán)重突

2、出地區(qū)巷道掘進(jìn)表明，正常掘進(jìn)期間未發(fā)生一次突出，巷道安全掘進(jìn)速度提高2倍以上；采區(qū)水力掏槽防突措施每米掘進(jìn)進(jìn)尺的防突措施時(shí)間是超前排放鉆孔防突措施的114，是注水防突措施的17，有效緩解了采掘接替緊張局面，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。關(guān)鍵詞煤與瓦斯突出；水力掏槽；防突：高壓射流；概述焦作礦區(qū)具有百年開采歷史，開展瓦斯災(zāi)害防治研究將近五十年。集團(tuán)公司現(xiàn)有5對(duì)生產(chǎn)礦井，皆為突出礦井。近年來，隨著礦井開采深度逐漸增大，煤層瓦斯含量高、透氣性差、突出危險(xiǎn)性十分嚴(yán)重，頂分層煤巷掘進(jìn)主要采取超前排放鉆孔配合邊掘邊抽和中高壓注水防突措施，但煤巷掘進(jìn)速度平均每月只有4560余米，采煤工作面1300m巷道至少需要掘進(jìn)兩

3、年，采掘比例嚴(yán)重失調(diào)。為保證采掘平衡，一個(gè)采煤工作面至少要配46個(gè)掘進(jìn)工作面，一個(gè)突出煤巷掘進(jìn)區(qū)隊(duì)同期至少有4個(gè)掘進(jìn)工作面才能保證掘進(jìn)的順利進(jìn)行，造成巷道掘進(jìn)成本居高不下。有些突出嚴(yán)重的工作面，如九里山礦15011工作面掘進(jìn)期間連續(xù)發(fā)生大強(qiáng)度突出，自1998年3月份開始掘進(jìn)至2004年7月份共76個(gè)月掘進(jìn)1900m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為25m；朱村礦25051工作面運(yùn)輸巷兩頭對(duì)掘，連續(xù)6個(gè)月平均進(jìn)尺只有13.2m月。1.概述焦作礦區(qū)具有百年開采歷史，開展瓦斯災(zāi)害防治研究將近五十年。集團(tuán)公司現(xiàn)有5對(duì)生產(chǎn)礦井，皆為突出礦井。近年來，隨著礦井開采深度逐漸增大，煤層瓦斯含量高、透氣性差、突出危險(xiǎn)性十分嚴(yán)重

4、，頂分層煤巷掘進(jìn)主要采取超前排放鉆孔配合邊掘邊抽和中高壓注水防突措施，但煤巷掘進(jìn)速度平均每月只有4560余米，采煤工作面1300m巷道至少需要掘進(jìn)兩年，采掘比例嚴(yán)重失調(diào)。為保證采掘平衡，一個(gè)采煤工作面至少要配46個(gè)掘進(jìn)工作面，一個(gè)突出煤巷掘進(jìn)區(qū)隊(duì)同期至少有4個(gè)掘進(jìn)工作面才能保證掘進(jìn)的順利進(jìn)行，造成巷道掘進(jìn)成本居高不下。有些突出嚴(yán)重的工作面，如九里山礦15011工作面掘進(jìn)期間連續(xù)發(fā)生大強(qiáng)度突出，自1998年3月份開始掘進(jìn)至2004年7月份共76個(gè)月掘進(jìn)1900m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為25m；朱村礦25051工作面運(yùn)輸巷兩頭對(duì)掘，連續(xù)6個(gè)月平均進(jìn)尺只有13.2m月。焦作礦區(qū)現(xiàn)采用的防突措施雖然可以有效

5、解除掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性，但是措施施工時(shí)間長(zhǎng)，有效掘進(jìn)時(shí)間短，導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢和嚴(yán)重的集中生產(chǎn)現(xiàn)象，為安全生產(chǎn)埋下重大隱患。因此，探索適應(yīng)嚴(yán)重突出煤層條件的綜合防突技術(shù)，在保證安全的前提下大幅度提高掘進(jìn)速度，已成為緩解采掘緊張局面、改變礦井經(jīng)濟(jì)與安全面貌的當(dāng)務(wù)之急。2.水力掏槽措施防突機(jī)理研究分析水力掏槽措施實(shí)質(zhì)就是外力在較短時(shí)間內(nèi)破壞煤體的原有平衡穩(wěn)定狀態(tài)，部分煤體破碎被沖出，槽洞周邊煤體向外發(fā)生位移，促使所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，有效應(yīng)力降低，并釋放大量瓦斯的過程。水力掏槽措施的過程就是高壓射流破碎煤體、釋放大量瓦斯、改變改善煤體應(yīng)力狀態(tài)的過程。煤體的破壞首先是高能量的高壓射流破碎煤體，形成直

6、徑較小的槽孔；然后在煤體瓦斯壓力梯度和射流殘余能量反射的作用下破碎孔周圍的煤體，形成大直徑的槽孔；而槽孔上部煤體由于穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，在水力和重力的作用下充分垮落，形成近似矩形槽硐。煤體在掏槽期間是漸進(jìn)的被破碎，煤體的應(yīng)力和瓦斯?jié)撃芤彩菨u進(jìn)的釋放，掏槽過程中排出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基本條件，起到有效防治或抑制突出的效果。圖1是通過ansys數(shù)值模擬，槽孔底部的煤體和頂板發(fā)生了位移，位移模式分別為底部煤體鼓起和頂板下沉。在地應(yīng)力作用下，煤層具有塑性變形位移流動(dòng)的特征，即流變性能。掏槽期間，掏出了很大的孔洞，在經(jīng)過一段時(shí)

7、間后發(fā)現(xiàn)孔洞的體積明顯減小，甚至被周圍煤體的位移所充填。煤體位移的作用緩慢地由孔洞壁向周圍煤體傳播，也就不斷地?cái)U(kuò)大了掏槽的卸壓排瓦斯范圍，掏槽時(shí)和掏槽后的瓦斯排放量可達(dá)掏槽有效影響區(qū)域內(nèi)瓦斯總量50左右.預(yù)防突出效果顯著。圖2是焦作礦區(qū)突出煤層排放措施孔硐面積(通常為圓孔硐)與瓦斯有效排放影響半徑關(guān)系曲線圖理論研究與分析表明：水力掏槽措施在提高煤體透氣性、改善煤層應(yīng)力狀態(tài)以及措施后煤體物理性質(zhì)變化都具有非常積極的影響，對(duì)突出的防治具有針對(duì)性和可行性。3.工業(yè)船3.1試驗(yàn)地區(qū)演馬莊礦突出煤層掘進(jìn)工藝為超前排放鉆孔防突、遠(yuǎn)距離爆破、掘進(jìn)礦車運(yùn)輸。采取防突措施時(shí)間占巷道施工總時(shí)間的70%以上，突出地

8、區(qū)巷道掘進(jìn)速度平均為45m月，炮后瞬間最高瓦斯?jié)舛纫话銥?.97。二二采區(qū)為新開拓采區(qū)。主采二1煤層，老頂為中粒砂巖，直接項(xiàng)為砂巖，厚度4m，有0.20.3m厚的泥巖偽頂，底板為砂質(zhì)泥巖，煤層傾角11，平均厚度6m，構(gòu)造軟煤分層厚度為o.51.2m。試驗(yàn)工作面實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量為30.69m3t.r，瓦斯壓力為0.96mpa，瓦斯吸附常數(shù)a=45.696m3t，b=o.961mp-1，p=31，透氣性系數(shù)為4.15m2mpa2.d，硬度f=o.10.8，軟分層厚度為0.31.2m，煤層具有嚴(yán)重的突出危險(xiǎn)，同標(biāo)高地區(qū)曾發(fā)生多次規(guī)模較大的突出。3.2水力掏槽防突措旋有效性檢驗(yàn)水力掏槽防突措施采用預(yù)測(cè)

9、、防突措施、措施效果檢驗(yàn)和安全防護(hù)措施“四位一體綜合防突技術(shù)思路，即首先進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及效檢指標(biāo)均采用r值指標(biāo)法，其臨界值rm為6。當(dāng)預(yù)測(cè)無突出危險(xiǎn)時(shí)，留出預(yù)測(cè)超前距，直接采用遠(yuǎn)距離放炮安全防護(hù)措施進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)；預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)時(shí)采取水力掏槽綜合防突措施，然后進(jìn)行效果檢驗(yàn)，措施效果檢驗(yàn)有效后，留出效檢超前距采用遠(yuǎn)距離放炮安全防護(hù)措施進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。3.3水力掏槽措施技術(shù)參數(shù)措施超前距：在焦作礦區(qū)煤層條件下，當(dāng)正前水力掏槽斷面積小于1.om2時(shí)，措施超前距保留5.om：考慮到頂板支護(hù)因素，當(dāng)正前水力掏槽斷面積大于1.om2時(shí)而又小于2.0m2時(shí)，措施超前距保留3.0m：當(dāng)正前水力

10、掏槽斷面積大于2m2時(shí)，措施超前距保留1.om。泵壓、流量：通過理論計(jì)算和實(shí)際掏槽效果，水力掏槽泵壓確定為1620mpa，流量150m3h。水力掏槽尺寸：水力掏槽1320min后，形成一道寬8001200mm，高1.21.7m，深1032m超前卸壓槽。圖3為實(shí)際拍攝的水力掏槽槽硐。3.4試驗(yàn)情況采取水力掏槽消突措施后突出指標(biāo)效檢超標(biāo)率為5.83，遠(yuǎn)低于常規(guī)的30措施超標(biāo)率，效檢不突出準(zhǔn)確率為100，充分顯示了水力掏槽消突措施的有效性和可靠性：平均月進(jìn)尺達(dá)到126m，最高達(dá)到165m月，較排放鉆孔等常規(guī)防突措施掘進(jìn)速度提高到2倍以上。表3為2004年8月11月間水力掏槽消突措施應(yīng)用情況表。水力掏

11、槽期間瓦斯涌出量大幅度增加，圖4是水力掏槽瓦斯涌出規(guī)律。采取水力掏槽消突措施后，在爆破作業(yè)時(shí)，瓦斯涌出強(qiáng)度降低，炮后瓦斯超限率急劇下降，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?jié)舛纫话阍趏.3o.9之間，低于排放鉆孔防突措施爆破后0.97的瓦斯?jié)舛?同風(fēng)量下比較)，因此采取水力掏槽措施是掘進(jìn)爆破作業(yè)安全的重要保證，同時(shí)試驗(yàn)表明，措施后杜絕了爆破作業(yè)誘導(dǎo)突出或出現(xiàn)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。水力掏槽消突措施不同于中高壓注水、超前排放鉆孔等防突措施之處，一方面在于其顯著的防突效果，另一方面在于其簡(jiǎn)便快捷的操作和管理。表2為采取不同防突措施時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比情況。通過比較，采取水力掏槽消

12、突措施后，每米進(jìn)尺措施時(shí)間是超前排放鉆孔的114，是注水防突措施的17，為提高突出煤層巷道的有效掘進(jìn)時(shí)間奠定了基礎(chǔ)。工程試驗(yàn)表明，掏槽后形成較大面積的槽洞對(duì)減少爆破工程量、材料費(fèi)用、提高爆破效果和增加一次爆破深度均有顯著作用，新的掘進(jìn)工藝使掘進(jìn)速度提高到原來的2倍以上，達(dá)到全公司平均掘進(jìn)水平的2-4倍。4.力掏槽防突措施評(píng)價(jià)4.1廣泛適應(yīng)性焦作礦區(qū)煤巷掘進(jìn)突出統(tǒng)計(jì)表明，在采用排放鉆孔等常規(guī)措施期間，平均年掘進(jìn)4000米巷道突出46次。采用水力掏槽措施在焦作礦區(qū)試驗(yàn)期間掘進(jìn)2000余米，共發(fā)生突出2次，其中1次為考察水力掏槽措旌安全距離誘發(fā)突出，1次為措施期間突出(掘進(jìn)工作面遇到成組斷層，煤層全

13、部為軟分層，采用排放鉆孔打鉆時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重噴孔現(xiàn)象后，為保證施工安全，而采用水力掏槽措施發(fā)生的突出)，從千米巷道突出次數(shù)看，基本與采用常規(guī)措施相當(dāng)，采用水力掏槽措施并沒有增加突出的概率。采用水力掏槽時(shí)，措施實(shí)施過程無人值守，保障了施工人員在措施過程中的安全。而在嚴(yán)重突出煤層實(shí)施超前鉆孔防突措施的過程中，經(jīng)常遭遇噴孔、卡鉆，甚至發(fā)生突出，這給突出措施的執(zhí)行帶來困難，也對(duì)施工人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，水力掏槽措施能夠很好的適應(yīng)于礦區(qū)的嚴(yán)重突出煤層掘進(jìn)消突。4.2顯著有效性(1)措施重復(fù)率低采取水力掏槽措施，一般可以一次成槽，不需要反復(fù)的沖刷，過程簡(jiǎn)單。水力掏槽措施之后，效檢超標(biāo)率明顯降低。(2)

14、措施執(zhí)行時(shí)間短和其它防突措施相比，水力掏槽消突措施施工時(shí)間短，措施僅需1030min，瓦斯在措施期間大量釋放，措施后瓦斯?jié)舛纫话阍?0min內(nèi)降低到0.1o.4，保證了有效掘進(jìn)時(shí)間。(3)掘進(jìn)速度大幅度提高采取水力掏槽措施后，措施重復(fù)率低，措施執(zhí)行時(shí)間短，掘進(jìn)的有效時(shí)間增加：新的掘進(jìn)工藝使嚴(yán)重突出煤巷掘進(jìn)速度提高到原來的2倍以上，達(dá)到全公司平均掘進(jìn)水平的2-4倍。(4)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著試驗(yàn)期間，杜絕了嚴(yán)重突出地區(qū)掘進(jìn)的瓦斯災(zāi)害事故，實(shí)現(xiàn)了安全快速掘進(jìn)，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益1400余萬元。4.3可靠安全性(1)措施過程安全水力掏槽消突措施是一種逐漸剝離破碎煤體、釋放煤體有效應(yīng)力的過程。在采取水力掏

15、槽措施過程中，掘進(jìn)工作面采用水力掏槽消突措施時(shí)實(shí)現(xiàn)無人操作，措施過程具有安全可靠性，避免了措施期間突出傷人事故的發(fā)生。(2)掘進(jìn)過程安全采取水力掏槽措施過程中，掘進(jìn)工作面原應(yīng)力集中帶向前方和槽的兩幫深部轉(zhuǎn)移，卸壓較快，瓦斯得到充分釋放。掘進(jìn)過程中不會(huì)發(fā)生突出。而且，措施后在爆破和正常掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛纫话愣疾怀?。在措施有效范圍?nèi)掘進(jìn)爆破后瓦斯涌出呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，炮后瓦斯?jié)舛纫话銥?.30.9，僅比其它工序升高0.2左右。掘進(jìn)過程中瓦斯安全得到保障。(3)防護(hù)措施可靠由于實(shí)施了無人作業(yè)水力掏槽消突措施，同時(shí)在兩道風(fēng)門的基礎(chǔ)上增設(shè)一道風(fēng)門，措施期間巷道內(nèi)所有電器設(shè)備處于停電狀態(tài)，因此避免了突出直接傷人和電器設(shè)備失爆誘發(fā)瓦斯爆炸的可能性。5.結(jié)論1)理論研究分析表明：水力掏槽措施在瓦斯