掘進巷道水力消突技術研究與應用①

摘 要：大部分大眾煤礦的突出都和軟煤分層又關，突出的主要發源地是軟煤。如果想要煤巷避免突出，有以下兩種方法：（1）減小圍巖和煤體的壓力來降低瓦斯壓力和地應力；（2）將煤的可塑性加強，目的是將軟煤分層突出的威脅消除。

關鍵詞：水力 消突 技術

中圖分類號：TD712.62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0078-03

1 煤巷掘進工作面突出機理

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，形成地應力帶。在煤體深部隨著流變變形的停止而逐漸進入原始應力帶。

2 高壓注水綜合措施防突作用機理

煤這種固體具有多孔性，而這個空隙也是煤吸附瓦斯能力和滲透特性的決定因素。具有明顯極性的水分子相互作用與水煤分子，比甲烷分子相互作用與煤分子要大，所以更容易被煤吸附，通過多分子形式在煤的表面吸附，水在大孔中是自由狀態，構成煤-水-甲烷體系平衡狀態。煤被破壞的時候，煤對水的吸附性更強，所以水量比甲烷多，這樣達到降低瓦斯在煤中的含量。而煤中含有越多的水分子，越會降低起本省的抗壓強度和彈性模數，因此降低其粉碎性，增強可塑性。

水在煤層中流動重要是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。

水和煤的接觸時間不長，水來不及進入微小孔隙，就不能從中擠出大量瓦斯，時間很長時才能深深地進入煤中，并把大量的瓦斯置換出來，實驗證明，一般需要幾小時甚至幾十小時。擴散運動只能在滲透運動波及的容積中進行，不會擴大煤體濕潤范圍，煤的結構也不發生任何明顯的變化。

煤自身的裂縫孔隙會隨著其中水運動的壓力變化而發生容積結構的變化。煤孔隙間充滿的水具有越高的壓力，煤的結構單元就被壓縮的越緊，滲透容積隨著壓力的增大而增大。吸附水的薄膜將孔隙裂縫的煤壁覆蓋，吸附水并不滲透，與此同時，煤的透水性和透氣性被降低。隨著水壓的增高，吸附薄膜的外面部分由于分子間的相互作用力減弱，就開始參加滲透過程。因此，隨著注水壓力增高，煤層的透水性也增大。

煤的地應力狀態很大的影響著滲透性，如果想要取得效果均勻濕潤的煤體，就不能在卸壓區注水；反之，透水性在最大應力區會顯著降低。

水分顯著影響煤體的透氣性能。當孔隙被水充滿的程度較高時（大于80%），干煤的透氣性比濕煤的大數十倍甚至百倍。

瓦斯排放也影響到煤體的透水性。煤飽含瓦斯時就趨于膨脹，放出瓦斯時就收縮。煤排出瓦斯后，煤的大分子之間的距離可減小17%，透氣性隨排放瓦斯程度增加而增大，透水性也增大。

媒體不會因為很高壓力的注水而破裂，而會沿著已有的削弱面—裂縫裂開。注水的時候用大于煤層自燃吸收能力的流量進行，會敞開和擴展裂縫，媒體的不穩定狀態被消除，近工作面的承受壓力被降低，臨界狀態帶深度增加，推動集中應力帶向媒體深處移動。

可見，使用不同的注水方式，其作用機理和產生的效果差別很大。煤層注水需要很長時間，不改變煤的結構，煤的透氣性降低；水力擠出方式注水時間短水的擴散作用微弱，當煤層中有揉皺分層時將只沿該分層發生移動，在煤體均質性很低時容易發生水的泄露而影響作用效果。

3 項目研究實施方案

綜合研究水-煤-瓦斯體系的作用機理，我礦與河南理工大學課題組合作，根據安陽大眾煤業公司煤層賦存條件，提出了高壓注水結合巷旁邊掘邊抽綜合防突措施；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高壓注水。邊掘邊抽鉆孔提前抽放瓦斯，增大煤體透水性，提高瓦斯抽放效果。兩種措施互為作用，具有以下防突效果。

（1）煤體逐漸被高壓水破裂后，會促使應力集中帶向前運動，從而加長巷道卸壓帶。

（2）高壓水會攜帶經過軟煤分層時帶出來的煤泥在煤層中運動，之后通過煤層的裂縫至巷道空間或鉆孔排出，這樣會疏松煤體，媒體增加透氣性，降低瓦斯壓力梯度。

（3）水封閉瓦斯流動通道，使瓦斯有吸附狀態轉為游離狀態更加困難。

（4）使煤體濕潤，力學性質發生改變，彈性模數降低，增強了煤體的塑性，應力分布變得均勻。

（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，擴大了措施作用范圍，有效防止瓦斯突出。

4 高壓注水綜合防突措施及工藝

中高壓注水綜合防突措施，采用危險性預測預報、防突措施、措施效果檢驗和安全防護措施相結合：“四位一體”的防突技術思路。在掘進工作面預測無突出危險時，留出預測超前距，采用遠距離放炮安全防護措施進行掘進作業。預測有突出危險時，則采取中高壓注水綜合防突措施；之后進行措施效果檢驗，檢驗超標時采取輔助防突措施，直至措施效果檢驗有效后，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。

4.1 掘進工作面巷道邊掘邊抽措施

掘進巷道兩幫邊掘邊抽，不僅可有效截流巷幫瓦斯，降低掘進工作面瓦斯涌出，而且對于削弱掘進工作面兩隅角應力集中有積極的作用，同時，在高壓注水期間，受高壓水的增透作用影響，鉆孔可及時抽取工作面前方游離瓦斯，提高注水防突效果。在巷道掘進期間，每隔55 m在巷道兩幫各做一個抽放鉆場，每個鉆場布置水平抽放孔4個，上、下兩排各2個，孔深60 m，孔徑75 mm，鉆孔方向平行于巷道走向，為防止巷道掘進時破壞抽放鉆孔，靠近巷道側鉆孔距巷道輪廓線應不小于5 m。鉆場施工抽放鉆孔后，應及時連孔抽放，并在鉆場口外安設抽放參數測量裝置。邊掘邊抽鉆場在實際掘進55 m后重新布置。（見圖1）

4.2 中高壓注水措施及工藝參數

掘進工作面中高壓注水綜合防突措施注水系統，由煤層注水泵、水箱、高壓管、封孔注水器等組成，。

注水鉆孔采用普通煤電鉆施工，孔徑42 mm。注水泵選擇具有足夠壓力和流量的煤層注水泵或乳化液泵，如KBZ-100/150型、7BG-150型煤體注水泵及乳化液泵。為便于操作和控制，注水系統中安設有壓力表、水表及卸壓閥門等附件。

4.3 注水孔布置

軟分層是大眾礦區二1煤層中發生突出的主要策源地，防突措施應有效控制軟分層。如果軟分層賦存于煤層底部或頂底，注水孔控制掘進本分層的同時，增加下向注水鉆孔，控制掘進影響范圍內的煤層全厚。注水孔沿巷道掘進方向布置，防止因煤體壓裂出水，破壞兩幫邊掘邊抽鉆孔。

4.4 注水孔深度及鉆孔間距

受采掘活動、煤巖瓦斯等賦存影響，掘進工作面前方形成卸壓帶、集中應力帶和原始應力帶，其應力分布規律如圖4所示。卸壓帶內煤體原有裂隙張開、擴大，新的裂隙形成，使煤體結構變地疏松、滲透性急劇提高，所承受的應力小于煤體原始應力，特別是近工作面范圍煤體破裂嚴重，幾乎不承載，可認為是充分卸壓帶或完全卸壓帶；集中應力帶內煤體裂隙及大孔隙則受壓閉合，其結構致密、滲透性降低，所承受應力大于煤體原始應力；而再向深部則處于原始應力帶。

注水孔深及間距，取決于煤層滲透性及注水壓力、注水時間等因素。對于掘進工作面來說，卸壓帶長度越大，其抵抗突出的能力越強；應力集中帶集中系數越高，發生突出的危險性越高。注水的目的是削弱或解除掘進工作面前方的應力集中，加大卸壓帶長度，增強煤體穩定性。因此，注水孔的深度應達到或超過掘進工作面前方應力集中帶。

大眾礦區二1煤層頂分層掘進工作面前方2 m范圍內基本處于充分卸壓帶，4～9 m處于應力集中帶范圍，其中5～8 m最易發生噴孔、頂鉆等動力現象，是應力最為集中的地帶。為避免注水孔過深導致注水時間延長而影響掘進速度，注水孔深度選擇為一班或兩班掘進進尺加措施超前距，即注水孔深為9 m。

注水孔間距影響措施的防突效果。在煤體滲透性、注水壓力不變的情況下，間距小，注水時間短，但煤體濕潤效果差；間距大，煤體水分增加，但注水時間必然延長。注水孔間距根據注水鉆孔滲透半徑確定，結合國內外注水經驗，以不大于2 m為適宜，掘進斷面內采用三花眼形式布置3個。

注水孔的施工順序：首先施工工作面兩幫注水鉆孔，進行單孔或者雙孔同時注水，然后施工中間注水孔。

4.5 注水封孔深度

根據圖4所示掘進工作面前方的應力分布規律，如封孔深度位于完全卸壓區域內，注水過程中高壓水沿封孔段周圍煤體內的裂隙很快與外部溝通導致泄水，難以取得注水效果；封孔段進入甚至超過集中應力帶，封孔段以外煤體得不到有效的濕潤，不能消除應力，由于高壓水的作用，產生一個應力增高區，形成滲透屏障，較大幅度降低了煤體的滲透性，不利于瓦斯的排放和卸壓。

因此，注水封孔深度必須超過完全卸壓區，但也應小于應力最集中區深度，即位于卸壓帶向集中應力帶過渡區間，深度一般為2～5 m。

4.6 注水壓力

注水壓力是煤層注水的主要物理參數。注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤的結構不會發生變化，等同于低壓注水濕潤措施，短時注水起不到卸壓防突的效果。合理的注水壓力，應能快速、有效破裂松動煤體，從而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結構，削弱工作面前方的集中應力程度，排放煤體瓦斯。

也就是說，高壓水要有效壓裂疏松煤體，至少要克服煤體水平應力，采用動壓注水的方式，根據要壓裂的軟煤分層的煤質松軟情況和封孔的深度，具體確定注水壓力。

4.7 注水時間

注水時間與注水壓力、注水流量等參數密切相關，注水壓力不同、流速不同，相同條件下達到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，在這一過程中，高壓水在煤體內部不斷蓄積勢能，直至達到破碎煤體；爾后高壓水在溝通裂隙間流動。因而在整個過程中注水壓力及注水流速等參數不斷發生著變化。

當注水泵處壓力降低為初始壓力的30%時，或注水流速明顯增加、工作面煤壁、頂板或鉆孔出水后，可以作為注水結束時間。

4.8 防突措施效果檢驗及補充防突措施

根據大眾礦區突出危險性預測的經驗及高壓注水綜合防突措施的特點，掘進工作面注水防突措施效果檢驗采用q值指標法，具體效檢方法如下。

（1）在掘進工作面布置效檢鉆孔3個，直徑42 mm、孔深3.5 m。鉆孔布置在軟分層中，一個鉆孔位于巷道工作面中部，并平行于掘進方向，其他鉆孔的終孔點應位于輪廓線外2～4 m處。

（2）根據鉆孔的最大瓦斯涌出初速度確定突出危險性。

（3）采用q m值指標法臨界指標q m為4.5L/min，當任何一個鉆孔中的q≥q m時，工作面檢測為有突出危險；當q

效果檢驗有突出危險時，采取小直徑排放鉆孔防突措施鉆孔孔深與注水孔深度相同，鉆孔數目根據檢驗指標確定。

4.9 安全措施

在進行中高壓注水綜合防突技術實驗期間，為保證施工現場安全，除執行《煤礦安全規程》有關規定和本礦制定的《掘進作業規程》外，還必須執行以下安全措施。

（1）采取高壓注水防突措施，注水泵的操作地點應在掘進工作面的反向風門外進行。注水操作地點附近設壓風自救系統和直通調度的電話，并應加強支護。

（2）開始注水前要檢查注水系統的密封性。掘進工作面必須支設迎面柱，注水封孔器以柔性裝置固定在迎面柱上。掘進工作面正前所有人員必須撤離至反向風門以外。以上措施執行后，方可開泵注水。

（3）注水期間，嚴禁人員進入掘進工作面。

（4）在高壓水管上應當設置壓力表和卸壓三通閥，調整該閥可保證壓力平緩上升和減壓，卸壓三通閥應裝在注水泵附近。當高壓管路處于承壓狀態時，禁止連接、拆卸和修理高壓管件。在高壓管路的密封遭到破壞時，禁止使用高壓管路。在注水期間，必須有專人負責看管水泵，并嚴格按照措施第一條規定執行。

（5）向煤層注水時，在前3～5 min內必須緩慢地增高水的壓力至最大值，注水時，操作人員與注水鉆孔的距離應不少于50 m。

（6）注水時，由當班施工小組組長負責觀察注水系統壓力表及流量表的變化。當注水壓力出現明顯下降，且流量急劇增加時注水可結束。

（7）注水期間，注水泵安設地點必須懸掛便攜式瓦斯監測儀，隨時監測巷道瓦斯涌出變化。

（8）注水結束，工作人員進入掘進工作面，嚴禁正對注水器行走。

（9）加強掘進頭隅角的煤體支護。

（10）注水器使用前后，應由專人負責管理維護，發現問題及時解決，保證注水器處于最好的狀態。

（11）掘進時安全技術措施執行掘進作業規程，掘進作業規程由礦總工程師組織編制。

5 采取措施后產生的效益

（1）通過采用高壓注水新技術，既解決了傳統的放松動炮釋放瓦斯導致瓦斯超限的弊病，又解決了采取小直徑排放鉆孔措施時間太長的問題。

（2）經過三個月的試驗，對于我公司煤質松軟特點，高壓注水防突較為適合，而且效果良好。注水期間既無瓦斯超限，經過效果檢驗，86%不超標，保證了作業人員的施工安全。

（3）通過采取了高壓注水措施后，提高了掘進速度。2008年3、4兩個月采取小直徑排放鉆孔，月進度平均為25 m；2008年6、7、8三個月采取注水消突措施后，掘進速度平均為46 m，效果明顯。綜合經濟效益顯著。

6 結論

通過實際工作中對煤巷掘進工作面的突出機理，以及高壓注水綜合措施防突作用機理的研究，總結出了適合煤巷掘進工作面的高壓注水綜合防突措施及施工工藝，取得了顯著的效果，值得推廣應用。