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摘 要:作为煤炭开采过程中可能发生的一种极其复杂的动力现象,煤与瓦斯突出能在短时间内给煤矿作业安全带来极大的威胁。一旦突出发生,治理工作将非常复杂并伴有极高的风险,因此必须从煤与瓦斯突出的形成及其影响因素出发,对其进行充分测控和预防。本文分析了影响煤与瓦斯突出危险性的各个因素,并以此为基础介绍了超前排放钻孔和中高压注水等防突技术的应用方法,介绍防突措施的落实,提高矿井生产的安全性。
关键词:煤巷掘进 煤与瓦斯突出 防突措施
中图分类号:TD7 文献标识码:A 文章编号:1674-198X(2012)05(c)-0058-01
1 煤与瓦斯突出对煤巷掘进的影响
1.1 煤与瓦斯突出的危害
作为煤炭开采过程中可能发生的一种极其复杂的动力现象,煤与瓦斯突出能在短时间内向掘进中的巷道喷出大量煤屑与瓦斯,并同时产生一定的动力效应,喷出的瓦斯能逆风流动,充斥在千余米的巷道内,给煤矿作业安全带来极大的威胁。由于矿井作业环境特殊而复杂,一旦突出形成,治理起来将非常困难,且伴有巨大的风险,因此,必须在矿井生产过程中,特别是在工作面掘进环节对突出现象予以重点防治,杜绝可能发生的安全问题。
1.2 影响煤与瓦斯突出危险性的因素分析
煤与瓦斯突出现象是由煤层瓦斯、地应力以及煤体结构等共同作用的结果,因此决定其危险性的因素也很复杂,地质构造在突出的发生中起着控制作用,而地应力则是突出的主要动力能源。以地质构造因素为例,形成于成煤后期构造作用的褶皱、断层等地质构造对煤与瓦斯突出的分布及其条件具有分区的指示作用,断层的性质、延伸长度、落差大小及瓦斯的赋存量也都有其具体的影响,因此不同构造的突出危险程度也有明显的差异。
2 煤巷掘进作业中综合防突技术的应用
根据煤炭科学研究总院抚顺分院所作《开滦煤业集团公司赵各庄矿13水平煤与瓦斯突出危险性区域划分评价报告》中结论,我矿13水平9煤层属于煤与瓦斯突出煤层,西翼主井保护煤柱至3道半石门之间为无突出危险区。
2.1 开采解放层措施分析
《防治煤与瓦斯突出规定》第四十条区域防突措施应当优先采用开采保护层。由于赵矿属于煤层群开采,该区域属于倾斜煤层,该区域主要可采煤层为第9,12煤层。９煤层位于12煤层上方,并且与12煤层之间的距离为28～40m,平均32m。符合开采下保护层有效垂距<100米的规定。首先开采下覆12煤层,然后再进行9煤层的采掘作业。开采保护层12煤层后,在被保护９煤层中受到保护的地区按无突出煤层进行管理。(表1)
2.2 超前排放钻孔防突措施分析
根据煤炭科学研究总院抚顺分院所定该开采区域9煤层为无突出危险区域,按照在未受到保护(开采解放层)的地区,采取防治突出措施。为减弱掘进前方的煤体压力以达到防突目的,在工作面前方煤体打超前排放钻孔(孔径75～120mm)并保留5米超前距离,释放煤体(瓦斯)压力。瓦斯涌出量较小时可选取较轻便易操作的架柱式钻机,以提高工效,在瓦斯压力较大区域,选择使用液压回转钻机(孔径94mm),以避免卡钻、夹钻等现象的发生。钻孔严格按照设计的方位和坡度施工,以确保巷道瓦斯的排放半径。根据两帮预测指标,指标较小处煤体应先施工,指标较大处煤体后施工,以有效减少卡钻和夹钻的次数。液压钻机钻至5～8m处时,瓦斯压力处于高峰值,经常发生喷孔和卡钻现象,因此此时多旋转加水排煤粉,以稀释瓦斯浓度。通过采取超前排放钻孔防突措施发现,超前排放钻孔防突措施目前在工作面掘进中的应用最为广泛,但存在效率低、占用时间长的缺点,严重影响掘进进度,在突出危险性小,掘进进度慢的矿井比较实用,在高突环境作业中常被中高压注水防突技术取代。
2.3 中高压注水防突措施分析
2.3.1 中高压注水防突措施的工作原理
中高压注水是指向煤体内部钻深孔并注入高压水使煤体变得湿润和疏松,从而改变其力学性质,达到瓦斯释放和煤体卸压的防突目的。当注水速度大于煤体对水分的吸收速度时,工作面前方煤体中原有的裂隙扩大,并产生了新的裂隙,煤层的透气性因而增大。卸压带向深部延长,集中应力带变得平缓并向深部推移。同时煤体的塑性随其湿润程度而增加,瓦斯释放的速度和突出的危险都有所降低,工作面煤尘也得到了良好的控制。在注水的同时,还应对煤巷两帮瓦斯进行预抽放,这一方法不但降低了巷道两帮及工作面前方的瓦斯压力,同时可使煤层结构发生一定的变化,导致煤层透气性上升、地应力下降,随着注水产生的加速应力集中带向煤体深处的扩展,瓦斯突出的危险性也沿巷道的一定宽度范围内得到了控制。
2.3.2 中高压注水防突措施的布置方法
具体的综合防突措施可根据生产煤层的赋存特点,将中高压注水技术与边掘边抽的防突方法适度结合,在掘进循环开始前进行。在巷道正头布置注水钻,钻孔3～5个,控制掘进工作面前方有突出危险的煤体。注水孔孔口位应设置在硬煤中,终孔点落至软煤分层。钻孔方向沿巷道轴线方向,以免破坏两帮抽放钻孔。注水孔孔径42mm,孔深8m；封孔深度3m；注水压力根据煤层埋藏深度及煤体坚固性系数确定,一般选择10MPa～12MPa。在突出危险性较大掘进工作面中可在巷道两帮交错开挖钻场,钻场间隔40m,钻场内布置钻孔6个,单孔深度40m～50m,控制巷道前方及外围5m煤体范围,进行抽放,降低掘进巷道前方煤体瓦斯含量。采用液压回转钻机打钻,孔径75mm,水力冲孔结合风力冲孔排出煤粉。外缘埋管后封孔,封孔后与瓦斯抽放管路联接进行抽放。巷道挂耳抽放一般在煤层相对较硬、透气性较好的矿井实行,效果较好。通过对掘进面实施挂耳抽放,可检测到煤体突出指标大幅度下降,保护巷道快速掘进。
2.3.3 中高压注水防突措施的效果分析
实践表明,综合防突技术的应用不但使瓦斯涌出量明显降低,也提高了巷帮瓦斯的抽放量,同时使煤体湿润,大大降低了煤尘等对工作面作用的影响,通过注水,煤体的电磁辐射强度与脉冲数均呈现出显著的下降趋势。此外,注水防突也可能导致顶板出现一定的位移,其原因是随着水流不断破坏卸压带以内煤体内部结构,并携带大量游离瓦斯在煤体裂隙间流动,使一部分孔裂隙闭合,近工作面煤体受挤压影响发生蠕动变化,结构疏松煤体发生垮落,结构相对紧密煤体则煤壁出现微小位移,出现顶板下沉,顶底板移近量增加的现象。
3 结语
综上所述,作为保证掘进工作面安全生产的工作重点之一,综合防突技术的应用既应做到稳定、可靠,又应考虑本井田的煤层特性与实际瓦斯分布情况。在适宜的环境中,也可以将超前排放钻孔措施与中高压注水技术结合使用,在降低煤体瓦斯压力的同时,消除煤尘对工作面的危害。
参考文献
[1] 李兆强.关于煤巷掘进煤与瓦斯突出影响因素探究[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2011(7).
[2] 万家君,冯步云.突出危险煤层中实现快速掘进的技术措施[J].煤矿安全,2006(2).
关键词:煤巷掘进 煤与瓦斯突出 防突措施
中图分类号:TD7 文献标识码:A 文章编号:1674-198X(2012)05(c)-0058-01
1 煤与瓦斯突出对煤巷掘进的影响
1.1 煤与瓦斯突出的危害
作为煤炭开采过程中可能发生的一种极其复杂的动力现象,煤与瓦斯突出能在短时间内向掘进中的巷道喷出大量煤屑与瓦斯,并同时产生一定的动力效应,喷出的瓦斯能逆风流动,充斥在千余米的巷道内,给煤矿作业安全带来极大的威胁。由于矿井作业环境特殊而复杂,一旦突出形成,治理起来将非常困难,且伴有巨大的风险,因此,必须在矿井生产过程中,特别是在工作面掘进环节对突出现象予以重点防治,杜绝可能发生的安全问题。
1.2 影响煤与瓦斯突出危险性的因素分析
煤与瓦斯突出现象是由煤层瓦斯、地应力以及煤体结构等共同作用的结果,因此决定其危险性的因素也很复杂,地质构造在突出的发生中起着控制作用,而地应力则是突出的主要动力能源。以地质构造因素为例,形成于成煤后期构造作用的褶皱、断层等地质构造对煤与瓦斯突出的分布及其条件具有分区的指示作用,断层的性质、延伸长度、落差大小及瓦斯的赋存量也都有其具体的影响,因此不同构造的突出危险程度也有明显的差异。
2 煤巷掘进作业中综合防突技术的应用
根据煤炭科学研究总院抚顺分院所作《开滦煤业集团公司赵各庄矿13水平煤与瓦斯突出危险性区域划分评价报告》中结论,我矿13水平9煤层属于煤与瓦斯突出煤层,西翼主井保护煤柱至3道半石门之间为无突出危险区。
2.1 开采解放层措施分析
《防治煤与瓦斯突出规定》第四十条区域防突措施应当优先采用开采保护层。由于赵矿属于煤层群开采,该区域属于倾斜煤层,该区域主要可采煤层为第9,12煤层。９煤层位于12煤层上方,并且与12煤层之间的距离为28～40m,平均32m。符合开采下保护层有效垂距<100米的规定。首先开采下覆12煤层,然后再进行9煤层的采掘作业。开采保护层12煤层后,在被保护９煤层中受到保护的地区按无突出煤层进行管理。(表1)
2.2 超前排放钻孔防突措施分析
根据煤炭科学研究总院抚顺分院所定该开采区域9煤层为无突出危险区域,按照在未受到保护(开采解放层)的地区,采取防治突出措施。为减弱掘进前方的煤体压力以达到防突目的,在工作面前方煤体打超前排放钻孔(孔径75～120mm)并保留5米超前距离,释放煤体(瓦斯)压力。瓦斯涌出量较小时可选取较轻便易操作的架柱式钻机,以提高工效,在瓦斯压力较大区域,选择使用液压回转钻机(孔径94mm),以避免卡钻、夹钻等现象的发生。钻孔严格按照设计的方位和坡度施工,以确保巷道瓦斯的排放半径。根据两帮预测指标,指标较小处煤体应先施工,指标较大处煤体后施工,以有效减少卡钻和夹钻的次数。液压钻机钻至5～8m处时,瓦斯压力处于高峰值,经常发生喷孔和卡钻现象,因此此时多旋转加水排煤粉,以稀释瓦斯浓度。通过采取超前排放钻孔防突措施发现,超前排放钻孔防突措施目前在工作面掘进中的应用最为广泛,但存在效率低、占用时间长的缺点,严重影响掘进进度,在突出危险性小,掘进进度慢的矿井比较实用,在高突环境作业中常被中高压注水防突技术取代。
2.3 中高压注水防突措施分析
2.3.1 中高压注水防突措施的工作原理
中高压注水是指向煤体内部钻深孔并注入高压水使煤体变得湿润和疏松,从而改变其力学性质,达到瓦斯释放和煤体卸压的防突目的。当注水速度大于煤体对水分的吸收速度时,工作面前方煤体中原有的裂隙扩大,并产生了新的裂隙,煤层的透气性因而增大。卸压带向深部延长,集中应力带变得平缓并向深部推移。同时煤体的塑性随其湿润程度而增加,瓦斯释放的速度和突出的危险都有所降低,工作面煤尘也得到了良好的控制。在注水的同时,还应对煤巷两帮瓦斯进行预抽放,这一方法不但降低了巷道两帮及工作面前方的瓦斯压力,同时可使煤层结构发生一定的变化,导致煤层透气性上升、地应力下降,随着注水产生的加速应力集中带向煤体深处的扩展,瓦斯突出的危险性也沿巷道的一定宽度范围内得到了控制。
2.3.2 中高压注水防突措施的布置方法
具体的综合防突措施可根据生产煤层的赋存特点,将中高压注水技术与边掘边抽的防突方法适度结合,在掘进循环开始前进行。在巷道正头布置注水钻,钻孔3～5个,控制掘进工作面前方有突出危险的煤体。注水孔孔口位应设置在硬煤中,终孔点落至软煤分层。钻孔方向沿巷道轴线方向,以免破坏两帮抽放钻孔。注水孔孔径42mm,孔深8m；封孔深度3m；注水压力根据煤层埋藏深度及煤体坚固性系数确定,一般选择10MPa～12MPa。在突出危险性较大掘进工作面中可在巷道两帮交错开挖钻场,钻场间隔40m,钻场内布置钻孔6个,单孔深度40m～50m,控制巷道前方及外围5m煤体范围,进行抽放,降低掘进巷道前方煤体瓦斯含量。采用液压回转钻机打钻,孔径75mm,水力冲孔结合风力冲孔排出煤粉。外缘埋管后封孔,封孔后与瓦斯抽放管路联接进行抽放。巷道挂耳抽放一般在煤层相对较硬、透气性较好的矿井实行,效果较好。通过对掘进面实施挂耳抽放,可检测到煤体突出指标大幅度下降,保护巷道快速掘进。
2.3.3 中高压注水防突措施的效果分析
实践表明,综合防突技术的应用不但使瓦斯涌出量明显降低,也提高了巷帮瓦斯的抽放量,同时使煤体湿润,大大降低了煤尘等对工作面作用的影响,通过注水,煤体的电磁辐射强度与脉冲数均呈现出显著的下降趋势。此外,注水防突也可能导致顶板出现一定的位移,其原因是随着水流不断破坏卸压带以内煤体内部结构,并携带大量游离瓦斯在煤体裂隙间流动,使一部分孔裂隙闭合,近工作面煤体受挤压影响发生蠕动变化,结构疏松煤体发生垮落,结构相对紧密煤体则煤壁出现微小位移,出现顶板下沉,顶底板移近量增加的现象。
3 结语
综上所述,作为保证掘进工作面安全生产的工作重点之一,综合防突技术的应用既应做到稳定、可靠,又应考虑本井田的煤层特性与实际瓦斯分布情况。在适宜的环境中,也可以将超前排放钻孔措施与中高压注水技术结合使用,在降低煤体瓦斯压力的同时,消除煤尘对工作面的危害。
参考文献
[1] 李兆强.关于煤巷掘进煤与瓦斯突出影响因素探究[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2011(7).
[2] 万家君,冯步云.突出危险煤层中实现快速掘进的技术措施[J].煤矿安全,2006(2).