突出煤層掘進防突技術研究
1 前言
煤與瓦斯突出（以下簡稱突出）是煤礦井下采掘生產過程中一種極其復雜的動力現象。研究表明：在煤巷掘進工作面，煤體支承的上覆巖層自重應力向周圍煤體轉移，形成遠大于煤體單向抗壓強度的支承應力，其性質為剪切應力，使周圍煤體受到破壞，發生流變，形成靠近工作面處一定長度的卸壓帶，卸壓帶范圍內的煤體只承受自重應力，所含瓦斯得到充分放散，煤體已經失去突出危險，并且阻礙前方煤體的突出。卸壓帶內煤體隨著變形持續向深部發展，在一定深度范圍內，煤體受力與變形相關變化，處于動平衡直至臨界平衡狀態，煤體受壓縮，積蓄很高的彈性潛能，地應力和瓦斯壓力增高，透氣性下降，瓦斯難以釋放，形成應力集中帶。在煤體深部，隨著流變變形的停止而逐漸進入原始應力帶。
一方面，只要掘進工作面前方卸壓帶長度足夠長，每次爆破掘進后的瞬間，工作面前方仍有足夠長的卸壓帶來阻擋有突出危險的煤體，突出就不會發生。當卸壓帶變短、應力集中帶靠近掘進工作面時，工作面附近煤體處于極限平衡狀態，瓦斯壓力梯度增高，掘進作業會破壞煤體的極限平衡狀態，破壞面以里的煤體連續剝離，暴露出新鮮面，高速破碎，瓦斯由已破碎有煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把粉碎煤拋向巷道，造成瓦斯突出。
另一方面，在突出準備階段，破壞煤的基本動力是彈性潛能釋放轉化的動能。其能量大小與煤的彈性有關，隨著彈性增大，工作面附近的彈性能量增大。由于煤質不同，其潛能釋放方式也不同，當煤遭到脆性破壞，能量快速、突然釋放；煤塑性強時，能量大部分消耗于逐漸變形及平緩的變形。
焦作礦區絕大多數突出與軟煤分層有關，軟煤是突出的主要發源地。筆者認為，要想避免煤巷突出，應從兩個方面采取措施：
一是對圍巖和煤體進行卸壓，降低瓦斯壓力，轉移地應力；
二是增強煤塑性，重點消除軟煤分層突出威脅。
焦作礦區是一個具有嚴重突出危險的礦區，隨著礦井開采濃度的增加，特別是掘進工作面瓦斯突出危險性越來越嚴重，松動爆破、超前暴露出適用范圍局限、措施重復率高、占用時間長、措施成本高等缺點，嚴重制約著掘進速度的提高，造成采掘比例失調，該礦區部分巷道措施情況如表1所示。
表1 焦作礦區部分礦井突出地區掘進情況
見表
突出不僅嚴重威脅煤礦安全生產，而且制約煤礦生產能力的發揮。防突技術措施工序復雜，造成煤巷掘進速度緩慢。突出后處理事故時間很長，影響了正常的采掘接替，嚴重制約礦井的生產能力。
2 中高壓注水綜合措施防突作用機理
中高壓注水綜合防突措施就是：巷道兩側布置長鉆孔抽放工作面前方及兩側煤體瓦斯，向掘進工作面前方應力集中帶內打短鉆孔進行中高壓注水。
該措施是邊掘邊抽鉆孔提前抽放瓦斯，增大煤體透水性。有利于煤層注水；較高的壓力水壓裂破壞煤體，增加煤體透氣性，提高瓦斯抽放效果。
煤的孔隙性決定煤吸附瓦斯的能力和煤的滲透特性。水分了具有明顯的極性，水分子間和水煤分子間的相互作用，大于甲烷和煤分子間的相互作用，容易被煤所吸附，以多分子層形式吸附在煤的內表面，形成煤-水-甲烷體系平衡狀態。當該平衡遭到破壞時，煤吸水的牢固性和吸住的水量超過甲烷，從而減少煤中的瓦斯量。煤中水分增加，煤抗壓強度和彈性模數顯著減小，塑性增強。
水在煤層中流動主要表現為在裂隙和大孔中進行的滲透過程，在微孔中主要表現為流體的擴散，從而擠出瓦斯。用很高壓力注水時，液體不會使煤體破裂，煤層將沿已有的削弱面-裂縫裂開，水以超過煤層自然吸收能力的流量進行注水，導致裂縫的敞開和擴展，消除煤體不穩定的平衡狀態，降低近工作面部分的承壓能力，增加臨界狀態帶深度，并把集中應力帶推向煤體深處。
通過研究和試驗表明，中高壓注水綜合防突措施具有以下防突效果：
（1）高墳水逐漸使煤體破裂，使應力集中帶前移，增加了巷道卸壓帶長度。
（2）高壓水通過軟煤分層時攜帶煤泥在煤層中運動，并順煤層的裂縫向巷道空間或鉆孔拔出，使煤體疏松，提高煤層透氣性，瓦斯壓力梯度降低。
（3）水封閉瓦斯流動通道，使瓦斯由吸附狀態轉為游離狀態更加困難。
（4）煤體濕潤，力學性質發生改變，彈性模數降低，增強煤體塑性，應力分布均勻。
（5）邊掘邊抽鉆孔及時抽出工作面正前瓦斯，同時截流抽放前方兩側煤體的瓦斯，擴大了措施控制范圍，有效防止瓦斯突出。
3 中高壓注水綜合防突措施
3.1 措施布置
中高壓注水綜合防突措施即邊掘邊抽與中高壓注水相結合的措施，在巷道兩幫邊掘邊抽鉆場抽放正前煤體瓦斯的同時，掘進工作面采取中高壓注水措施。
措施效果檢驗超標時輔助以φ42mm排放鉆孔，直至措施效檢有效后，留出效檢超前距采用遠距離放炮安全防護措施進行掘進作業。
正前中高壓注水措施，根據煤層賦予特點，布置注水鉆孔3～5個，控制掘進工作面前方有突出危險的煤體。注水孔孔口位置在硬煤中，終孔點落至軟煤分層。鉆孔方向沿巷道軸線方向，以免破壞兩幫抽放鉆孔。
注水孔孔徑φ42mm，孔深8m；封孔深度3m；注水壓力根據煤層埋藏濃度及煤體堅固性系數確定，一般選擇10～12MPa。巷道兩幫各布置3～5個30～50m而直徑為90的抽放鉆孔，鉆孔平行掘進方向，距巷道輪廓線為1.5～3.0m。
3.2 中高壓注水系統布置
根據中高壓注水措施的特點，焦作煤業集團科研所在試驗過程中，研究了耐高壓、易操作、性能可靠的AFS型水力自動封孔煤注水器，并獲得了國家發明專利，完善了中高壓注水操作系統，具體布置如圖1所示。
圖1 中高壓注水系統布置圖
3.3 中高壓注水措施考察
3.3.1 邊掘邊抽措施的考察
在試驗期間，隨巷道掘進測試注水前后的邊掘邊抽鉆孔的抽放參數，并繪制曲線圖（見圖2）。圖2表明：中高壓注水期間，巷道兩幫抽放孔明顯受到影響。
圖2 中高壓注水防突邊掘邊抽措施考察
據統計：注水前鉆孔瓦斯抽放量為0.0131～0.0706m3/min，平均為0.0316m3/min，平均為0.03835m3/min，鉆孔抽放量增加平均達21.4％以上，個別孔甚至成倍增加。
3.3.2 中高壓注水考察
研究過程中，對中高壓注水措施的主要參數進行了考察和統計。從表2可看出，在煤層賦存條件相同、埋藏濃度相近的情況下，注水壓力，注水時間基本相同。
注水時間、注水量與注水孔間距有關，相同的注水壓力下，間距越小，注水時間越短，注水量越少；間距相近，注水時間、注水量隨注水壓力升高而升高，但注水壓力過高反而又下降（見圖3）。
圖3 注水期間流量、壓力和時間的關系圖
在注水期間，注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀，直觀反映出中高壓注水作用于煤體是逐漸壓裂破碎。
通過對中高壓注水鉆孔實際影響范圍進行的考察和統計表明：中高壓注水鉆孔橫向影響半徑可達1～1.4m，沿縱向影響濃度則可超前鉆孔2m。同時，通過表2可看出，中高壓注水可使煤體產生明顯的位移。
表2 中高壓注水試驗參數
類別
注水時間
（min）
注水壓力
（MPa）
注水量
（m3）
順層影響
范圍（m）
沿層影響
范圍（m）
煤體位移
（mm）
演馬莊礦25071運輸巷
28
10～12
1.0
1.10
0.94
20～400
位村礦14121上風道
50
8～18
1.1
1.37
1.00
20～100
位村礦14121下風道
49
8～18
－
1.38
1.10
20～110
通過對注水掘進工作面瓦斯涌出觀測，得到以下瓦斯涌出規律：注水后掘進期間瓦斯涌出量明顯降低，炮后瓦斯濃度降低，且下降速度變快。
4 中高墳注水綜事防突措施實踐
從2001年開始，先后在朱壓礦、演馬莊礦、位村礦采用中高壓注水防突措施，對比措施前后掘進情況，中高壓注水防突措施明顯縮短了措施執行時間，簡化了措施工藝，提高了掘進速度，降低了掘進成本。
（1）防突效果方面：采取不同防突措施時期的檢出率（見表3），以及中高壓注水防突措施試驗前期或同期，其他巷道不同防突措施下的掘進各項指標，具體如表4所示。
表3 不同防突措施效檢對比
類別
措施名稱
效檢突出
率（％）
備注
演馬莊礦
25071運輸巷
中高壓注水綜合措施
10.3
采取小直徑排放鉆孔措施后，當班解除突出危險
25051運輸巷
大直徑排放鉆孔措施
51
重新采取大直徑排放鉆孔措施
25081運輸巷
抽放結合排放鉆孔措施
26.1
重新采取大直徑排放鉆孔措施
位村礦
14121上風道
大直徑排放鉆孔措施
38
重新采取大直徑排放鉆孔措施
中高壓注水綜合措施
22
采取小直徑排放鉆孔措施后，當班解除突出危險
14121下風道
大直徑排放鉆孔措施
35.3
重新要取大直徑排放鉆孔措施
中高壓注水綜合措施
22
采取小直徑排放鉆孔措施后，當班解除突出危險
表4 不同防突措施指標對比
類別
措施時間
（班/循環）
循環進尺
（m）
日進尺
（m）
措施工程量
（mm）
中高壓注水措施
演馬莊礦
1
2.5
3.5
9.1
位村礦
1
4.5
4.5
8.9
排放孔措施
演馬莊礦
4～5
4～5
1.2
74.7
位村礦
4～5
4～5
1.3
64
（2）節支降耗方面，單從不同措施下鉆機及通風電費計，在注水泵配置合理的情況下，每掘進一米可節省電纜324.5元；以掘進速度提高一倍計算，每月單通風費用一項可節省近萬元。
（3）安全生產環境方面，采取中高壓注水措施后有如下好處：
①煤體濕潤、煤塵降低、有利于掘進降塵；
②炮后瓦斯濃度降低、排放時間縮短，更有利于掘進作業。
③措施工程量的減少、工藝的簡化，加之顯著的防突效果，使掘進成本大幅度降低，其經濟和社會效益是十分顯著。
（4）掘進速度方面：朱村礦25051工作面掘進速度由原來的雙巷13.2m/月提高至單巷67.3m/月；演馬莊礦嚴重突出區掘進進尺由35m/月提高到84m/月；位村礦14121工作面掘進尺由39m/月提高至100m以上，并有效防治了煤與瓦斯動力現象，保證了掘進施工安全，經濟和社會效益十分顯著。
5 結論
（1）通過在焦作礦區的試驗，提出并確定了適合焦作礦區突出煤層掘進的合理防突措施、工藝及其參數。中高壓注水綜合防突措施與超前排放鉆孔等防空措施相比，措施工程量低、操作工藝簡便，是一種方便高效的防突措施。
（2）中高壓注水作用提高了邊掘邊抽鉆孔的抽放量，其影響作用是連續的，措施后效檢超標率從18.8％降低到1.4％，取得明顯的防突效果。
（3）中高壓注水措施后，煤體發生顯著位移；煤體水分明顯增加，使瓦斯放散能力降低；各作業工序瓦斯涌出比較均勻，瓦斯動力現象次數減少，炮后瓦斯濃度下降，取得明日為的瓦斯防治。
（4）中高壓注水措施具有顯著的防塵降塵作用，改善了工作面作業條件。
（5）采用中高壓注水綜合防突措施在不同煤層條件下3115m巷道進行試驗，巷道掘進速度平均提高一倍上，期間未發生一次突出，有效緩解了試驗礦井采掘接替緊張局面，就其取得的經濟效益達1100萬元，因此，經濟和社會效益十分顯著。
實踐證明：中高壓注水綜合防突措施能有效地防治突出，對于提高突出地區掘進速度、保證煤礦安全生產具有廣泛的適用性、有效性和可靠的安全性。
