復(fù)雜地質(zhì)條件下煤巷掘進(jìn)綜合防突技術(shù)研究與應(yīng)用

黃超慧，魏宗勇，鄢 耀，沈廣輝，吳團(tuán)輝，李錦良，任本利

(1.平頂山煤業(yè)集團(tuán)四礦，河南 平頂山 467093；2. 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3. 西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；4. 河南平頂山天安煤業(yè)九礦有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000)

0 引 言

隨著采煤深度的不斷加深，煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，具有突出危險的煤層也越來越多[1-2]；且隨著高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化的發(fā)展，巷道實(shí)現(xiàn)安全快速掘進(jìn)已成為煤礦生產(chǎn)的必然要求。目前，我國大部分礦井的綜掘進(jìn)度基本上能滿足生產(chǎn)要求，但對于高瓦斯突出危險煤層煤巷掘進(jìn)來說，由于其具有煤與瓦斯突出危險性大、瓦斯涌出量高等特點(diǎn)，致使掘進(jìn)速度放慢，嚴(yán)重影響礦井巷道掘進(jìn)速度和安全生產(chǎn)[3-4]。因此，實(shí)現(xiàn)高瓦斯突出危險煤層煤巷安全快速掘進(jìn)已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。針對突出煤層煤巷快速掘進(jìn)問題，國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行了諸多研究[5-10]，也取得了豐碩成果，但針對復(fù)雜地質(zhì)條件下大埋深、高應(yīng)力、高瓦斯的煤巷掘進(jìn)防突技術(shù)研究相對較少。本文主要根據(jù)具體工程實(shí)踐，首先對煤巷前部區(qū)域突出危險性進(jìn)行預(yù)測，其次采用低抽巷穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)、煤巷條帶深孔卸壓釋放瓦斯技術(shù)、煤層注水技術(shù)等多手段綜合防突措施進(jìn)行消突，最后對消突效果進(jìn)行了校驗與驗證。結(jié)果表明，在多種消突手段聯(lián)合作用以及根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整防突措施參數(shù)情況下，成功消除了突出危險性，最后實(shí)現(xiàn)了煤巷安全快速掘進(jìn)施工，以期為相似工程問題提供研究基礎(chǔ)和新思路。

1 試驗煤巷掘進(jìn)工作面概況

試驗煤巷選取平頂山天安煤業(yè)九礦有限責(zé)任公司(以下簡稱“平煤九礦”)己16-17-22050機(jī)巷進(jìn)行試驗，該巷道位于己二下延采區(qū)東翼，西接己二下延皮帶下山，東距井田邊界約400 m，南部為己16-17-22050風(fēng)巷，北部無采動，地面對應(yīng)位置為彈花錘山東南側(cè)。機(jī)巷標(biāo)高為-570.2～-629.6 m，平均坡度為9°51′，對應(yīng)的地面位置標(biāo)高為127～138 m，垂深697.2～767.6 m。

機(jī)巷設(shè)計長度720 m，煤層平均厚度5 m，煤層厚度變化較大，煤層傾角最大為32°，最小為8°，平均為20°。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度約4.8 m，老頂為淺灰色中粒砂巖，直接底約4.8 m厚的砂質(zhì)泥巖。己16-17-22050機(jī)巷條帶上方、下方和前方均為實(shí)體煤，無采動應(yīng)力影響，機(jī)巷范圍內(nèi)，斷層較多。

2 巷道掘進(jìn)綜合防突技術(shù)

2.1 區(qū)域突出危險性預(yù)測

根據(jù)掘進(jìn)工作面前方煤體賦存情況，為了保證煤巷掘進(jìn)工作的安全開展，首先要對己16-17-22050機(jī)巷條帶煤體瓦斯突出危險性進(jìn)行預(yù)測。采取煤層瓦斯壓力和瓦斯含量進(jìn)行區(qū)域突出危險性預(yù)測，經(jīng)實(shí)測，己16-17-22050機(jī)巷瓦斯壓力最大值為2.1 MPa，瓦斯含量最大值為9.09 m3/t(部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1)，工作面及測試鉆孔布置見圖1。瓦斯壓力及含量均大于瓦斯壓力臨界值指標(biāo)0.74 MPa和瓦斯含量臨界值指標(biāo)8 m3/t。 該煤層堅固性系數(shù)f為0.2，瓦斯放散初速度為ΔP為12.6 mmHg,煤破壞類型為Ⅳ型，吸附常數(shù)a為23.031 m3/t，b值為0.524 MPa-1。巷道掘進(jìn)工作面具有煤與瓦斯突出危險性，必須采取相應(yīng)的區(qū)域防突措施進(jìn)行消突。

表1 機(jī)巷區(qū)域突出危險預(yù)測

2.2 區(qū)域防突措施選取

為有效保障己16-17-22050機(jī)巷煤巷安全掘進(jìn)，高效地對該區(qū)域進(jìn)行消突，結(jié)合其他礦井經(jīng)驗和現(xiàn)場實(shí)際制定了低抽巷穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯、煤巷條帶深孔卸壓釋放瓦斯和煤層注水等多措施相結(jié)合的綜合消突方案。低抽巷穿層鉆孔對煤巷條帶進(jìn)行預(yù)抽；煤巷條帶深孔卸壓釋放瓦斯作為補(bǔ)充措施；煤層注水進(jìn)一步的軟化煤體，利用高壓水在其孔隙、裂隙中流動、擴(kuò)散和滲透，起到水力疏松和擠出煤體瓦斯的作用，使煤層近工作面部分卸壓和釋放瓦斯。同時，增強(qiáng)煤的可塑性，煤的彈性模數(shù)降低，應(yīng)力分布變得均勻，使應(yīng)力集中帶前移，增加了巷道卸壓帶長度。

2.2.1 低抽巷穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)

采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，設(shè)計機(jī)巷低抽巷與機(jī)巷幫對幫外錯10.4 m，與煤層下界垂距為9 m，機(jī)巷低抽巷與機(jī)巷施工方位角相同，在己16-17-22050機(jī)巷低抽巷內(nèi)向煤巷掘進(jìn)工作面煤體超前進(jìn)行打鉆卸壓和抽放。

根據(jù)平煤股份瓦斯所提供的《己16-17-22050機(jī)巷低抽巷水力沖孔影響半徑初步分析報告》，己16-17-22050機(jī)巷低抽巷水力沖孔影響半徑：沖孔直接影響半徑4～5 m，沖孔后鉆孔封孔接抽一周抽放半徑可達(dá)4 m以上。水力沖孔影響半徑采用壓力法。

基于試驗，在對應(yīng)于己16-17-22050機(jī)巷低抽巷的位置每隔4 m布置一組穿層預(yù)抽鉆孔，每組設(shè)計17個鉆孔，每組1#鉆孔開孔位置距離巷道底板1.9 m，鉆孔間距為0.3 m。設(shè)計穿層預(yù)抽鉆孔終孔位置控制到機(jī)巷巷道兩側(cè)輪廓線外各30 m，穿層鉆孔全程下套管。穿層預(yù)抽鉆孔布置剖面見圖2。

圖1 采煤工作面及測試鉆孔布置

Fig.1 Coal mining working face and test drilling layout

圖2 低抽巷穿層預(yù)抽鉆孔布置剖面圖

Fig.2 Cross-sectional layout of pre-drainage boreholes in low suction roadway

為有效提高低抽巷穿層鉆孔的煤層瓦斯抽采效率，選用水力沖孔的水力方法對煤層卸壓與增透。水力沖孔選取奇數(shù)組1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#九個鉆孔；偶數(shù)組2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#八個鉆孔。 預(yù)抽鉆孔在施工完后采用高壓水沖孔，水力沖孔壓力設(shè)定為10～15 MPa，該沖孔壓力是根據(jù)最佳沖出煤量、影響半徑確定。

2.2.2 煤巷條帶深孔卸壓釋放瓦斯技術(shù)

為了進(jìn)一步消除該煤巷掘進(jìn)工作面突出危險性，以及工作面前方應(yīng)力，使工作面前方煤體卸壓、排放瓦斯和觀察突出預(yù)兆，綜合采用了煤巷條帶順層鉆孔深孔卸壓釋放瓦斯技術(shù)和煤層注水技術(shù)相結(jié)合的消突措施。

煤巷條帶深孔卸壓釋放瓦斯鉆孔終孔位置控制到巷道上幫輪廓線外15 m、下幫輪廓線外5 m、工作面前方60 m范圍，根據(jù)煤層厚度與控制范圍，設(shè)計2排，每排6個，共計12個，其投影孔深為60 m的深孔卸壓釋放鉆孔。 深孔卸壓釋放瓦斯鉆孔布置斷面圖與平面示意圖見圖3和圖4，表2為深孔卸壓釋放瓦斯鉆孔設(shè)計參數(shù)表。每循環(huán)深孔卸壓釋放鉆孔施工完畢后，允許進(jìn)尺40 m，保留20 m超前距。

圖3 深孔卸壓釋放鉆孔斷面布置示意圖

Fig.3 Diagram of section layout of deep hole pressure relief drilling

圖4 深孔卸壓釋放鉆孔平面布置

Fig.4 Diagram of section layout of deep hole pressure relief drilling

表2 鉆孔參數(shù)表

注：偏角“-”為左偏，開口高度、鉆孔傾角可根據(jù)現(xiàn)場煤層賦存情況在現(xiàn)場自行調(diào)整

2.2.3 煤層注水技術(shù)

煤層注水鉆孔設(shè)計2排，每排6個，共計12個注水鉆孔，投影孔深22 m。注水鉆孔終孔位置控制巷道兩側(cè)輪廓線外各5 m、工作面前方22 m，煤層注水壓力不低于8 MPa。煤層注水鉆孔布置斷面圖與平面示意圖見圖5和圖6。

圖5 煤層注水鉆孔布置斷面圖

Fig.5 Section diagram of water injection borehole arrangement in coal seam

圖6 煤層注水鉆孔布置平面圖

Fig.6 Layout plan of water injection boreholes in coal seam

2.3 區(qū)域防突措施效果檢驗

區(qū)域防突措施效果檢驗采用實(shí)測殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量。當(dāng)實(shí)測煤體殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa、殘余瓦斯含量小于8 m3/t，并且效檢打鉆期間未出現(xiàn)噴孔、頂鉆、響煤炮等瓦斯動力現(xiàn)象時，效檢區(qū)域為無突出危險區(qū)；當(dāng)實(shí)測煤體殘余瓦斯壓力大于等于0.74 MPa、殘余瓦斯含量大于等于8 m3/t或效檢打鉆期間出現(xiàn)噴孔、頂鉆等任一瓦斯動力現(xiàn)象時，則此檢驗測試點(diǎn)周圍半徑100 m內(nèi)的預(yù)抽區(qū)域均判定為預(yù)抽防突效果無效，即為突出危險區(qū)，對檢驗點(diǎn)周圍半徑100 m內(nèi)進(jìn)行加密穿層預(yù)抽鉆孔或延長抽放時間后，并再次進(jìn)行區(qū)域措施效果檢驗直至效果檢驗指標(biāo)達(dá)到臨界值以下。

在機(jī)巷預(yù)抽范圍內(nèi)，在對應(yīng)于機(jī)巷低抽巷的位置每隔50 m布置一個效檢孔，效檢孔布置在兩組措施孔中間，終孔位置控制到機(jī)巷巷道中間，測定預(yù)抽范圍內(nèi)殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量，效果檢驗鉆孔布置剖面圖見圖7。

圖7 效果檢驗鉆孔布置剖面示意圖

Fig.7 Diagram of borehole arrangement profile for effectiveness inspection

經(jīng)過區(qū)域防突措施效果檢驗，瓦斯壓力、瓦斯含量都降到安全值以下，瓦斯壓力最高值為0.5 MPa，瓦斯含量最高值為3.56 m3/t。 表3是區(qū)域突出危險預(yù)測時，危險性最大區(qū)域采取措施后的效果校驗值。

表3 區(qū)域防突措施效果檢驗

2.4 區(qū)域驗證

2.4.1 區(qū)域驗證方法

在己16-17-22050機(jī)巷煤巷掘進(jìn)過程，采用以復(fù)合指標(biāo)法為主，鉆屑指標(biāo)法為輔的區(qū)域驗證指標(biāo)體系對機(jī)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行區(qū)域驗證。

用風(fēng)動鉆機(jī)帶動直徑42 mm麻花鉆桿進(jìn)行打鉆，鉆進(jìn)速度控制在每分鐘1 m，鉆進(jìn)到2 m時，開始測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值、Δh2值；偶數(shù)米測定K1值，奇數(shù)米測定Δh2值，每米測定瓦斯涌出初速度q值以及鉆屑量S值，當(dāng)以上指標(biāo)均不超限時，為無突出危險工作面，當(dāng)以上指標(biāo)任一超限時，為突出危險工作面。經(jīng)試驗，各項指標(biāo)臨界值見表4。

表4 區(qū)域驗證指標(biāo)及臨界值

2.4.2 區(qū)域驗證鉆孔布置

在工作面向前方煤體施工3個直徑為42 mm、孔深為9.0 m的驗證鉆孔，鉆孔應(yīng)當(dāng)盡量布置在軟分層中，一個鉆孔位于掘進(jìn)巷道斷面中部，并平行于掘進(jìn)方向，其他鉆孔開孔口靠近巷道兩幫0.5 m處，終孔點(diǎn)位于巷道斷面兩側(cè)輪廓線外3 m處。區(qū)域驗證鉆孔布置斷面圖與平面圖見圖8和圖9。在區(qū)域驗證鉆孔中不得與其他孔穿孔，若發(fā)生穿孔，重新打孔進(jìn)行測試。

2.4.3 區(qū)域驗證結(jié)果分析

以下列舉了己16-17-22050機(jī)巷2019年3月區(qū)域驗證測試數(shù)據(jù)，其中，復(fù)合指標(biāo)法q值、S值數(shù)據(jù)見表5。由表5可知，3月份機(jī)巷測試17次，其中，瓦斯涌出初速度q最大值為2.56 L/min，低于臨界值4.5 L/min，鉆屑量S最大值為3.5 kg/m，低于臨界值5.5 kg/m，驗證為無突出危險性。

圖8 區(qū)域驗證鉆孔布置斷面示意圖

Fig.8 Section diagram of borehole arrangement for regional verification

圖9 區(qū)域驗證鉆孔布置平面示意圖

Fig.9 Plane sketch of borehole layout for regional verification

表5 區(qū)域驗證指標(biāo)測試記錄表

圖10是機(jī)巷掘進(jìn)451～469 m掘進(jìn)段中3個驗證孔鉆屑指標(biāo)法Δh2、K1值的最大值。 由圖10可知，鉆屑解吸指標(biāo)Δh2最大值為60 Pa，低于臨界值200 Pa；鉆屑解吸指標(biāo)K1最大值為0.03 mL/(g·min1/2)，低于臨界值0.5 mL/(g·min1/2)。測試期間最大值均小于臨界值，且在區(qū)域驗證過程中未出現(xiàn)噴孔、煤炮聲、頂鉆、夾鉆等異常情況，說明區(qū)域防突措施有效，該區(qū)域驗證為無突出危險性。

圖10 鉆屑指標(biāo)法測試值

Fig.10 Test value of drilling cuttings index method

區(qū)域驗證為無突出危險時，在采取安全防護(hù)措施后允許進(jìn)尺6 m，保留不低于2 m的預(yù)測超前距；區(qū)域驗證指標(biāo)超標(biāo)或施工超前鉆孔發(fā)現(xiàn)了突出預(yù)兆，重新實(shí)施區(qū)域防突措施，以致驗證指標(biāo)降到臨界值以下。經(jīng)過三種手段的綜合應(yīng)用，最終有效地消除了突出危險，實(shí)現(xiàn)了巷道的安全快速掘進(jìn)。

3 安全防護(hù)措施

為確保機(jī)巷巷道的安全掘進(jìn)，結(jié)合機(jī)巷掘進(jìn)的現(xiàn)場實(shí)際，采取安全防護(hù)措施主要有獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)、避難硐室、反向風(fēng)門、遠(yuǎn)距離放炮、壓風(fēng)自救系統(tǒng)以及個體防護(hù)等。

1) 己16-17-22050機(jī)巷施工了專用獨(dú)立回風(fēng)通道與己二回風(fēng)下山連通，保證工作面回風(fēng)流經(jīng)專用回風(fēng)通道直接進(jìn)入專用回風(fēng)下山。

2) 在機(jī)巷距離回風(fēng)口每隔300 m構(gòu)筑一個避難硐室，避難硐室構(gòu)筑在人行側(cè)。避難硐室外設(shè)置物理反光等醒目警示標(biāo)志，強(qiáng)化日常維護(hù)管理。

3) 在機(jī)巷車場和機(jī)巷外段各構(gòu)筑兩道牢固可靠的防突反向風(fēng)門，防逆流裝置牢固、靈敏、可靠。

4) 巷道掘進(jìn)工作面每隔50 m設(shè)置一組壓風(fēng)自救，每組5個壓風(fēng)自救袋。 壓風(fēng)自救袋風(fēng)壓大于0.1 MPa，平均每人的壓縮空氣供給量大于0.1 m3/min。

5) 采用遠(yuǎn)距離爆破掘進(jìn)巷道，巷道爆破掘進(jìn)期間，在距回風(fēng)口500 m以內(nèi)爆破時，所有人員全部撤到防突反向風(fēng)門以外新鮮風(fēng)流中。每次爆破作業(yè)之前，由跟班隊長負(fù)責(zé)指定專人關(guān)閉防突反向風(fēng)門、防逆流裝置，并切斷防突反向風(fēng)門以里所有非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備電源。工作面爆破30 min后，方可由班長、瓦檢員、爆破工進(jìn)入工作面驗炮，確認(rèn)無異常后，其他人員方可進(jìn)入工作面工作。

4 結(jié) 論

1) 低抽巷穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)、煤巷條帶深孔卸壓釋放瓦斯技術(shù)與煤層注水等綜合防突方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)突出煤層的消突；采用復(fù)合指標(biāo)法與鉆屑指標(biāo)法雙重驗證方式，測試數(shù)據(jù)均低于臨界值，無突出危險，證明采用的綜合防突技術(shù)能有效防治煤與瓦斯突出。

2) “四位一體”綜合防突措施實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)工作面的安全快速掘進(jìn)，很好地解決了己16-17-22050機(jī)巷掘進(jìn)防突難題，保障了平煤九礦合理的生產(chǎn)布局，為相似條件下煤與瓦斯突出煤層掘進(jìn)工作面提供了可靠的技術(shù)支持。