淮北礦業(yè)集團(tuán)

會(huì)計(jì)學(xué)1淮北礦業(yè)集團(tuán)1.引言

煤與瓦斯突出是煤礦嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，是煤體在地應(yīng)力和瓦斯的共同作用下發(fā)生的一種異常動(dòng)力現(xiàn)象。我國(guó)是世界上煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重的國(guó)家之一?；幢钡V區(qū)是我國(guó)煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重礦區(qū)之一，歷史曾發(fā)生數(shù)十起煤與瓦斯突出，最大一次曾突出煤10500噸。在全國(guó)眾多的突出事故中，根據(jù)突出強(qiáng)度與巷道突出類型關(guān)系可知，發(fā)生在石門的突出強(qiáng)度最大，千噸以上的特大型突出事故中，石門揭煤工作突出就占77%。1.1遇到的問題第1頁(yè)/共28頁(yè)

淮北礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂及褶皺構(gòu)造分布廣泛，煤層厚度變化較大，在石門揭煤過程中常遇到突出煤層增厚區(qū)，給石門揭煤帶來困難。尤其是對(duì)于緩傾斜、特厚、極松軟低透氣性強(qiáng)突出煤層石門揭煤，穿煤段距離長(zhǎng)達(dá)幾十米，甚至上百米，石門揭煤突出危險(xiǎn)性大。第2頁(yè)/共28頁(yè)1.2解決的方法

傳統(tǒng)解決方法根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第四十九條規(guī)定，采用穿層鉆孔預(yù)抽石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施時(shí)，當(dāng)鉆孔不能一次穿透煤層全厚時(shí)，應(yīng)當(dāng)保持煤孔最小超前距15m。需要分段采區(qū)措施，分段施工，一是停頭次數(shù)多，揭煤時(shí)間長(zhǎng)；二是突出危險(xiǎn)性大，巷道施工無(wú)法得到保證。對(duì)于此種特殊情況下的石門揭煤，需尋求新的區(qū)域防突方法。

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新技術(shù)方法為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域性瓦斯治理，縮短揭煤工期，針對(duì)緩傾斜、特厚、松軟、強(qiáng)突煤層石門揭煤特點(diǎn)，研發(fā)了頂板巖巷穿層鉆孔綜合水力化石門揭煤區(qū)域防突技術(shù)。該技術(shù)采用頂板巖巷穿層鉆孔的水力鉆進(jìn)—水力沖煤—水力潤(rùn)濕的綜合水力化防突工藝，沖出大量的煤體及瓦斯，降低控制區(qū)域煤體應(yīng)力，增加煤層透氣性，加速瓦斯排放，同時(shí)軟化煤體，降低煤層突出危險(xiǎn)性。頂板巖巷穿層鉆孔與迎頭鉆孔共同控制整個(gè)揭煤區(qū)域，達(dá)到區(qū)域性消突的目的。同時(shí)建立了該技術(shù)的效果考核指標(biāo)體系，主要包括水力沖煤量、煤體含水率、殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量，分析確定了各指標(biāo)防突臨界值。第4頁(yè)/共28頁(yè)2.頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)工藝

頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)是以水力鉆進(jìn)—水力沖煤—水力潤(rùn)濕技術(shù)工藝，沖出大量煤屑及瓦斯、卸載煤體應(yīng)力、增加煤體塑性、增加煤層含水率軟化煤體為主要機(jī)理的防突技術(shù)。頂板巖巷綜合水力化防突工藝流程見下圖。第5頁(yè)/共28頁(yè)具體施工工藝（1）水力鉆進(jìn)鉆孔施工過程中，鉆頭旋轉(zhuǎn)，機(jī)械破煤，同時(shí)鉆桿排出的高壓水隨著鉆桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)行水力破煤。較軟的煤體及鉆孔鉆進(jìn)方向的煤體被破碎，在水壓作用下排出孔外。（2）水力沖煤水力沖煤過程包括高壓水力沖煤與低壓水力沖刷過程，通過高壓水力破煤，增大鉆孔孔徑，同時(shí)加快鉆孔周圍裂隙的發(fā)育，增加煤層透氣性，降低煤體應(yīng)力。水力沖刷時(shí)水壓低于高壓水力沖煤的水壓，依靠鉆桿上下不斷抽動(dòng)，沖刷鉆孔孔壁，將軟煤及破碎煤體沖出孔外，可以有效增大鉆孔孔徑，增加鉆孔卸壓范圍。高壓水力沖煤水壓為10MPa，低壓水力沖刷水壓為1.5MPa。（3）水力潤(rùn)濕鉆孔施工完畢后，封孔，連接井下水管，進(jìn)行靜壓注水，潤(rùn)濕煤體，增加煤體含水率，靜壓注水降低了硬煤分層的強(qiáng)度,增加了硬煤分層的塑性,由此導(dǎo)致整個(gè)煤層軟化,使石門揭煤工作面前方產(chǎn)生一個(gè)較長(zhǎng)的破裂帶和卸壓帶,使得具有突出危險(xiǎn)的軟分層內(nèi)瓦斯能夠在暴露前提前釋放，有效降低了石門揭煤工作面突出危險(xiǎn)性。水力潤(rùn)濕時(shí)間不低于10天。第6頁(yè)/共28頁(yè)施工裝備

綜合水力化技術(shù)使用主要裝備包括：高壓注水泵、鉆機(jī)、防噴孔裝置及井下配套設(shè)施。設(shè)備連接如下圖所示。第7頁(yè)/共28頁(yè)3.技術(shù)考核指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

淮北礦區(qū)構(gòu)建了“設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、評(píng)價(jià)”的防突管理程序，實(shí)行采掘工作面防突安全準(zhǔn)入制度，區(qū)域瓦斯治理效果未經(jīng)評(píng)價(jià)，嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動(dòng)。針對(duì)頂板綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)，建立了技術(shù)效果考核指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

根據(jù)頂板巖巷綜合水力化防突機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立了頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)考核指標(biāo)評(píng)價(jià)體系?？己酥笜?biāo)按優(yōu)先順序?yàn)椋簺_煤量指標(biāo)、煤體含水率指標(biāo)、殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量指標(biāo)。第8頁(yè)/共28頁(yè)1沖煤量指標(biāo)

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求，全斷面沖出的煤體總量（t）數(shù)值不得小于煤層厚度（m）乘以20。為了便于指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可根據(jù)此規(guī)定計(jì)算沖出煤量（20倍煤厚）占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比，計(jì)算方法如下：式中：η——20倍煤厚占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比，%；H——煤層厚度，m；α——煤層傾角，°；a——巷道高度，m；b——巷道寬度，m；ρ——煤體假密度，t/m3。

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淮北礦區(qū)煤層傾角較小，多為緩傾斜煤層，以青東煤礦為例，該礦7煤層傾角為22.3°，煤層平均厚度為1.9m，巷道高度為4m，寬度為5m，帶入上式計(jì)算沖出煤量（20倍煤厚）占控制范圍內(nèi)的煤體總量百分比為1.34%。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中水力沖孔沖煤量要求，計(jì)算出一般情況下沖出煤量（20倍煤厚）占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比為1.34%。綜合水力化技術(shù)要求沖煤量為水力沖孔沖煤量的1.5倍，沖出煤量占控制范圍內(nèi)煤體總量百分比為2.01%，確定綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)沖煤量指標(biāo)臨界值為2.0%。第10頁(yè)/共28頁(yè)2煤體含水率指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)煤層含水量增加時(shí)，其塑性增強(qiáng)，煤的瓦斯解吸速度也明顯降低，其結(jié)果導(dǎo)致煤的突出危險(xiǎn)性降低。當(dāng)煤的含水量增大時(shí)，煤層的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘度系數(shù)、彈性模量、殘余變形量、塑性指數(shù)都隨煤層中水分增加而下降。在石門揭煤過程中，靜壓注水可降低硬煤分層的強(qiáng)度,增加了硬煤分層的塑性,由此導(dǎo)致整個(gè)煤層軟化,使石門揭煤工作面前方產(chǎn)生一個(gè)較長(zhǎng)的破裂帶和卸壓帶,有效降低了石門揭煤工作面突出危險(xiǎn)性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)含水率的指標(biāo)研究結(jié)果，綜合水力化區(qū)域防突技術(shù)含水率指標(biāo)臨界值為4%。3殘余瓦斯壓力及含量

殘余瓦斯壓力及殘余瓦斯含量指標(biāo)臨界值根據(jù)礦井實(shí)際考察突出臨界值而確定。第11頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果4.1工程應(yīng)用情況

將頂板巖巷綜合水力化石門揭煤區(qū)域防突技術(shù)首次應(yīng)用于青東東翼回風(fēng)大巷揭穿8煤過程中，東翼回風(fēng)大巷揭8煤處探得煤層真厚達(dá)17m，煤層傾角為19°，且瓦斯壓力大，巷道斜穿煤層。在風(fēng)井東翼回風(fēng)石門距8煤法距5.5m處，通過施工探煤孔，探清了煤層層位。如下圖所示。第12頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果

在距離8煤法距15m處，進(jìn)行了突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果見下表。在距離8煤法距5.5m處，施工測(cè)壓孔及探煤孔過程中，多次出現(xiàn)卡鉆、頂鉆、抱鉆（共埋入鉆頭兩個(gè)，鉆桿40m）現(xiàn)象。前期施工8個(gè)探煤孔，有5個(gè)孔噴孔，噴出煤量50t左右，施工4個(gè)測(cè)壓孔有3個(gè)孔噴孔，綜合判定該石門工作面區(qū)域具有突出危險(xiǎn)性。地點(diǎn)煤層煤層瓦斯壓力/MPa△P/mmHgfDK東翼回風(fēng)石門8煤層1.613.460.2610.9413.3第13頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果

針對(duì)青東煤礦東翼回風(fēng)石門所揭8煤煤層及瓦斯賦存特點(diǎn)，本文制定了迎頭與頂板巷共同控制揭煤區(qū)域的綜合區(qū)域防突技術(shù)措施。主要包括：迎頭綜合水力化防突措施、頂板巖巷綜合水力化防突措施、穿煤段順層排放及金屬骨架煤體固化防突措施。A、迎頭綜合水力化防突措施

首先，在巷道迎頭采用綜合水力化措施施工鉆孔。由于煤層較厚，若鉆孔穿透煤層，終孔間距以2m計(jì)算，則需施工400個(gè)鉆孔，鉆孔工程量過大，且鉆孔過長(zhǎng)，施工困難。因此，前期在迎頭共設(shè)計(jì)了142個(gè)鉆孔，鉆孔布置見如下圖所示，保證穿煤鉆孔在煤厚6m處（見圖中的C-C面）的終孔間距為2m。第14頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果

在施工最后10個(gè)鉆孔過程中仍出現(xiàn)噴孔、卡鉆現(xiàn)象。為確保揭煤安全，將巷道輪廓線兩側(cè)控制范圍擴(kuò)展到15m，在迎頭兩側(cè)各施工一個(gè)巷幫鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)補(bǔ)充施工了56個(gè)鉆孔，前后共施工198個(gè)鉆孔，鉆孔控制到巷道輪廓線上部8m（沿煤層層面大于12m），左右各15m。在施工鉆孔過程中，孔內(nèi)共噴出煤量約200t。第15頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果迎頭鉆孔空間布置示意圖

迎頭采用綜合水力化防突措施后，沖出大量煤體。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，通過鉆孔自噴及水力沖煤措施后，石門工作面迎頭鉆孔內(nèi)共沖出煤粉量650t。第16頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果B、頂板巖巷綜合水力化區(qū)域防突措施

施工迎頭排放鉆孔時(shí)，由于煤層太厚，鉆孔施工困難，只能進(jìn)入煤層20-28m，迎頭鉆孔控制范圍見圖中A區(qū)域。迎頭施工的排放鉆孔無(wú)法一次性保護(hù)整個(gè)揭煤區(qū)域。為此，在施工迎頭排放鉆孔的同時(shí)，在迎頭后部拐點(diǎn)處沿煤層傾向施工一條頂板巖巷，頂板巖巷與風(fēng)井東翼回風(fēng)巷水平投影為15m，距煤層垂距10m。在巖巷中布置兩個(gè)鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)中施工鉆孔，控制迎頭鉆孔未保護(hù)到的區(qū)域。頂板巖巷鉆孔布置剖面見下圖。第17頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果頂板巖巷及鉆孔布置示意圖

沿煤層傾向，距煤層垂距10m，共施工長(zhǎng)度約104m；巷道采用小斷面，寬×高=3.2m×2.8m；在距離起坡點(diǎn)69m處布置1號(hào)鉆場(chǎng)，巷道端點(diǎn)布置2號(hào)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)位于巷道右?guī)?，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置140個(gè)孔，孔底間距為3m。采用綜合水力化措施后，頂板巷鉆場(chǎng)鉆孔共沖出煤粉量約300t。第18頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果C、順層孔、金屬骨架及煤體固化措施

由于煤層較厚，煤層穿煤段區(qū)域較長(zhǎng)，迎頭測(cè)定的殘余瓦斯壓力無(wú)法完全判斷整個(gè)穿煤段的突出危險(xiǎn)性。采用了探煤—施工順層排放孔—效果檢驗(yàn)—金屬骨架注漿加固—掘進(jìn)—探煤的循環(huán)進(jìn)尺方式。保證石門穿煤安全，直至進(jìn)入煤層底板法距5m位置。石門穿煤段，共施工5次金屬骨架及固化鉆孔掩護(hù)遞進(jìn)掘進(jìn)，循環(huán)預(yù)測(cè)及效果檢驗(yàn)共21次。其中，采用分段長(zhǎng)距離金屬骨架及煤體固化、短距離掘進(jìn)措施，每一循環(huán)施工金屬骨架孔及煤體固化段長(zhǎng)30m，加固完成后，掘進(jìn)施工25m，保留5m超前保護(hù)距離，骨架孔布置如下圖所示。第19頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果金屬骨架孔置示意圖斷面圖剖面圖第20頁(yè)/共28頁(yè)頂板巖巷綜合水力化石門揭煤區(qū)域防突工序第21頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果4.2工程應(yīng)用效果

整個(gè)揭煤過程歷時(shí)10個(gè)月（較分段采取措施提前6個(gè)月），共施工鉆孔478個(gè)鉆孔，鉆孔工程量2萬(wàn)余米，沖出煤量950t，單孔平均沖煤量1.99t，控制區(qū)域煤體重量為37282.5t，沖出煤量占控制區(qū)域煤體重量的百分比為2.55%，大于沖煤卸壓臨界值2%的指標(biāo)。水力化沖煤完畢后，封孔靜壓注水，現(xiàn)場(chǎng)采集樣，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)控制區(qū)域煤體含水率達(dá)到5.4%，含水率大于4%的臨界指標(biāo)。石門揭煤前測(cè)得該處8煤原始瓦斯壓力為1.6MPa，采取防突措施后測(cè)得殘余瓦斯壓力為0.35MPa，殘余瓦斯含量為4.68m3/t。巷道施工至8煤法距2m處利用遠(yuǎn)距離爆破安全順利揭開煤層，并安全快速穿過煤層，石門揭煤防突掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)128m。第22頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果4.3揭煤過程中含瓦斯煤體的流變特性分析

風(fēng)井東翼回風(fēng)石門在揭8煤過程中，共排出煤量約1000t，包括探煤測(cè)壓孔噴出約50t、石門工作面鉆孔內(nèi)排出煤粉量約650t、頂板巖巷鉆場(chǎng)內(nèi)排出煤粉量約300t。折合體積約770m3。然而，在揭開煤層后，發(fā)現(xiàn)巷道周圍沒有形成孔洞，已被煤體重新充填，并且煤體被壓實(shí)，不松散，比較堅(jiān)硬（軟分層的煤體被沖出）。這表明煤層具有強(qiáng)烈的突出危險(xiǎn)性，煤和瓦斯發(fā)生了流變運(yùn)移，在采取防突措施，排出防突區(qū)域煤體后，強(qiáng)大的突出動(dòng)力把遠(yuǎn)處煤體推向揭煤點(diǎn)附近，并重新壓實(shí)。第23頁(yè)/共28頁(yè)4.工程應(yīng)用及效果4.3揭煤過程中含瓦斯煤體的流變特性分析

風(fēng)井東翼回風(fēng)石門在揭8煤過程中，共排出煤量約1000t，包括探煤測(cè)壓孔噴出約50t、石門工作面鉆孔內(nèi)排出煤粉量約650t、頂板巖巷鉆場(chǎng)內(nèi)排出煤粉量約300t。折合體積約770m3。然而，在揭開煤層后，發(fā)現(xiàn)巷道周圍沒有形成孔洞，已被煤體重新充填，并且煤體被壓實(shí)，不松散，比較堅(jiān)硬（軟分層的煤體被沖出）。這表明煤層具有強(qiáng)烈的突出危險(xiǎn)性，煤和瓦斯