突出煤層掘進工作面綜合防突措施研究

郭旭峰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 概述

山西新元煤炭有限責任公司3412進風巷位于井田一水平四采區，工作面西鄰3411工作面，南鄰西膠帶運輸大巷、西輔助運輸大巷、西回風大巷(北)，東鄰3413工作面，北抵新元礦礦界。3412進風巷設計長度為1946m，巷道斷面規格為：寬×高=5.2×3.2m，回采煤層為3#石炭系煤層，煤層平均厚度為2.4m，煤層平均傾角為6°，根據相關部門對新元礦3#煤層瓦斯鑒定結果顯示，3#煤層相對瓦斯涌出量為21m3/t，絕對瓦斯涌出量為209.93m3/min，煤層具有瓦斯突出危險性。

3412進風巷沿3#煤層底板平行掘進，掘進工作面無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為3.8m，基本頂主要細砂巖為主，平均厚度為7.2m，工作面采用綜合機械化掘進工藝，截至目前巷道已掘進560m。巷道在前期掘進期間受煤層高濃度高壓力瓦斯影響，工作面瓦斯濃度在0.8%～1.2%之間，經常出現工作面瓦斯超限斷電現象，且巷道在掘進至220～490m之間共計發生三次瓦斯突出事故，最大一次突出事故時突出煤量達52m3，突出瓦斯量達8.7m3，造成工作面支護及機電設備損壞嚴重，經濟損失達72萬元，嚴重威脅著巷道安全施工。對此山西新元煤炭有限責任公司通風部防突隊通過技術研究，決定對3412進風巷后期掘進期間，采取“瓦斯預抽+超前卸壓+鉆孔注水+松動爆破”等綜合防突措施，力求保證巷道安全快速掘進。

2 3412進風巷綜合防突措施應用

2.1 瓦斯預抽防突技術措施

1）原理：通過對掘進煤層施工抽放鉆孔、建立抽放系統進行瓦斯預抽，可有效降低煤體內瓦斯濃度及壓力，使煤體卸壓釋放部分彈性潛能，提高煤體透氣性及強度，加大了煤體抗突出阻力。

2）瓦斯抽放系統：采用ZDY4000S鉆機以及長度為1.5m，直徑為64mm鉆桿，并配套直徑為105mm鉆機鉆頭10個，直徑為133mm擴孔鉆頭2個等進行鉆孔施工；采用型號為BJW60YJ型水環式真空泵作為移動抽放泵，泵站抽放瓦斯能力為72m3/min；采用直徑為200mm，長度為5.0m無縫鋼管作為抽放管路；采用聚氨酯作為封孔材料，封孔長度不得低于8.0m。

3）抽放鉆孔布置參數：①3412進風巷掘進工作面共布置兩排瓦斯抽放鉆孔，每排布置四個鉆孔，上排鉆孔距頂板1.0m布置，下排鉆孔距頂板2.0m布置，鉆孔間距為1.0m，鉆孔深度為60m；②上排鉆孔以5°仰角布置，下排鉆孔垂直工作面煤壁布置，其中兩幫鉆孔與巷幫成10°夾角布置，如圖1所示。③每個鉆場瓦斯抽放時間不得低于10d，瓦斯抽放后掘進時超前允許掘進距離為40m。

圖1 新元礦3412進風巷瓦斯抽放鉆孔平、剖面示意圖

2.2 超前卸壓防突技術措施

1）原理：在掘進工作面煤體施工一定數量的超前鉆孔，使工作面煤壁前方一定距離煤體卸壓、釋放瓦斯，并將應力集中帶及瓦斯壓力帶向前推移，延長煤體卸壓帶（安全帶），從而達到防突的目的。

2）超前卸壓孔布置參數：3412進風巷掘進工作面共布置16個卸壓孔，其中長壁與短壁卸壓孔各八個且相間布置，長壁卸壓孔孔深為32m，直徑為105mm，短壁卸壓孔孔深為3.5m，孔徑為42mm，卸壓鉆孔均勻布置工作面煤壁斷面上，中間孔垂直煤壁布置，幫孔與巷幫成15°夾角布置，頂孔成15°仰角布置，底孔成15°俯角布置；其中打一次長壁卸壓孔允許掘進距離為20m，打一次短壁卸壓孔允許掘進2.0m。

2.3 高壓注水防突技術措施

1）原理：在煤體內施工注水鉆孔并采用高壓水作為動力擠壓煤體，使煤體產生裂隙，加大了煤體透氣性，從而使煤壁前方高濃度高壓力瓦斯被提前擠壓施工，并增大泄壓帶，從而降低煤體突出危險性。

2）注水系統：高壓注水系統主要包括著3BZ-140/20型注水泵、壓力表、高壓注水管、封孔器、控制閥、流量表等，其中注水泵功率為55KW,注水壓力為20MPa，注水流量為140L/min。

3）注水鉆孔布置參數：3412進風巷工作面煤壁共布置兩排高壓注水鉆孔，每排3個，第一排鉆孔施工在距巷道頂板1.0m處，第二排鉆孔施工在距巷道頂板2.5m處，鉆孔直徑為50mm，深度為25m，其中兩幫鉆孔與巷幫成30°夾角布置，中間鉆孔垂直煤壁布置。

4）注水工藝：高壓注水鉆孔施工完后，采用高壓泵依次向鉆孔內注水，注水壓力不得低于15MPa，在注水過程中發現鄰孔有出水現象時及時停止注水，并開始對第二個鉆孔進行注水，通過現場觀察記錄發現，第一個注水孔注水時間在10min左右，其它注水孔注水時間在6min左右。

2.4 松動爆破防突技術措施

1）原理：在煤層突出臨界指標變化不明顯時，采用松動爆破的方法時突出煤層產生距離震動，瞬間改變前方煤體應力及瓦斯動力狀態，從而誘導煤體提前發生突出，保證巷道掘進安全。

圖2 3412進風巷松動爆破炮眼布置參數及平剖面示意圖

2）松動爆破施工工藝：①工作面共布置三排松動爆破孔，每排四個，鉆孔間距為1.5m，鉆孔排距為1.0m，第一排鉆孔施工在距頂板0.5m處，鉆孔排距為1.0m，鉆孔深度為2.0m，鉆孔直徑為42mm，其中幫孔、頂底孔與煤壁成75°夾角布置，其它鉆孔垂直煤壁布置，如圖2所示；②每個鉆孔填裝一支長度為300mm，裝藥量為300g礦用乳化炸藥，鉆孔裝藥后采用水炮泥進行封孔，封孔長度不得低于0.5m，每次爆破鉆孔數量不得超過五個。

2.5 防突措施指標選擇

新元礦對3#煤層煤與瓦斯突出預測預報中采用煤巖體普氏系數f、鉆屑解吸特征K1值以及破壞類型作為敏感指標，將突出區域分為三類：嚴重突出危險區域、突出危險區域和突出威脅區域。

1）嚴重突出危險區域：破壞類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，巖體普氏系數f≤0.5，且鉆屑解吸特征K1≥0.9ml/（g.min0.5）。

2）突出危險區域：破壞類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，巖體普氏系數0.5＜f＜0.6，且鉆屑解吸特征0.7≤K1＜0.9 ml/（g·min0.5）。

3）突出威脅區域：破壞類型為Ⅱ、Ⅲ，巖體普氏系數f＝0.6，且鉆屑解吸特征K1＜0.7ml/（g.min0.5）。

3 應用效果分析

3412進風巷在后期掘進期間采取“瓦斯預抽+超前卸壓+鉆孔注水+松動爆破”等綜合防突措施，有效降低了巷道掘進時瓦斯涌出量，工作面瓦斯濃度控制在0.5%以下，未發生一起瓦斯超限斷電現象；大大降低了掘進煤層瓦斯突出危險性，在后期回采時巷道掘進867m處在揭露F4斷層時僅發生一次煤與瓦斯突出事故，但突出煤量僅為11.2m3，瓦斯噴出量為2.4m3，未造成煤礦人員傷亡及經濟損失；同時采取綜合防突措施后大大提高了巷道掘進效率，由原來巷道掘進量為3.5m/d，提高至8.7m/d，實現了巷道安全高速掘進。

4 結束語

山西新元煤炭有限責任公司通風部防突隊通過技術研究，對3412進風巷掘進期間采取“瓦斯預抽+超前卸壓+鉆孔注水+松動爆破”等綜合防突措施，實際應用效果表明，采取綜合防突措施，降低了工作面瓦斯涌出量，消除了掘進煤層煤與瓦斯突出危險性，提高了巷道掘進效率，取得了顯著成效。