石門揭煤立體綜合防突技術研究

許朋德，萬恒州

(貴州嶧興礦業有限公司， 貴州 六盤水市 553000)

0 引言

石門揭煤易發生煤與瓦斯突出事故，對石門揭煤時發生煤與瓦斯突出的形成機理、防治措施等，眾多學者進行了相關研究，解北京等[1]運用匈牙利算法和模擬退火算法，設計開發出石門揭煤瓦斯抽采鉆孔參數自動優化設計軟件，并將設計鉆孔立體地呈現出來。郝建國[2]針對石門揭煤施工時存在的一系列問題，采用了“壓裂-固化-預抽”的揭煤技術。李遠知等[3]通過數值模擬分析了石門揭煤時間與抽采半徑的關系，并進行了現場試驗。周震等[4]通過對石門揭煤煤樣進行低溫凍結試驗，揭示了石門揭煤煤體在低溫狀態下的力學特性。劉軍等[5]提出了石門揭煤時采用圓內接多邊形的設計方案，并優選出了最佳實施方案。張連偉[6]在石門揭煤期間，通過采用瓦斯預抽、水力沖孔、煤體固化等措施，降低揭煤點及其周圍煤層瓦斯含量、瓦斯壓力。馮康武[7]采用水力割縫形成縫槽后，在鉆孔中同時實施水力壓裂的煤層增透方法，增加了待揭露區域煤層的透氣性，縮短了預抽時間。汪北方等[8]通過數值模擬方法研究了石門揭煤突出機理，提出瓦斯預抽措施配以改進金屬骨架的綜合防突技術方案。學者們從煤的力學特性、瓦斯抽采、加固措施等方面開展了研究，基于上述研究成果，本文從空間立體的角度去分析石門揭煤過程中的瓦斯抽采，提出了石門揭煤的立體綜合防突技術。

1 石門揭煤突出原理

石門揭煤過程均采用爆破破碎煤巖體，炸藥在炮眼中產生的高溫高壓氣體作用于被爆破的煤巖體上，使被爆破的煤巖體產生劇烈的變形和破壞。根據Ⅴon Mises準則，如果煤體內任何一點的等效應力強度σi滿足如下關系，則煤體破壞：

式中，σi為煤體在單軸受力條件下的破壞強度，MPa；σd為煤體單軸動態抗拉強度，MPa。

放炮后煤體只有巷道空間方向的自由度，從而使得被爆破煤巖體只能向采掘空間拋出。同時，炸藥爆炸產生的擾動沖擊波，會促使原本處于吸附-解吸平衡的狀態被打破，大量處于吸附態的瓦斯解吸為游離態的瓦斯，使煤層中的瓦斯壓力升高，為煤與瓦斯突出創造了有利條件。

瓦斯壓力的變化將引起煤巖體有效應力的改變，從而使煤巖體的力學性質如應力、應變和強度特性等發生明顯變化。假設瓦斯壓力為p，則煤體骨架的有效應力可寫為：

式中，σ"為煤體骨架的有效應力，MPa；σ為煤體的應力，MPa；α為瓦斯壓力系數，為簡化討論，取為1。

在應力平面內畫出有效應力表示的莫爾圓以及實際應力的莫爾圓，如圖1所示。圖中，AB線為瓦斯壓力為0時的莫爾包絡線，曲線I為有效應力的莫爾圓，曲線Ⅱ為實際應力的莫爾圓。當瓦斯壓力為0時，莫爾圓在包絡線AB的里邊，見曲線Ⅱ，當瓦斯壓力增加時，該曲線向左移動，直到它與莫爾包絡線相切，此時煤巖體發生破壞。

圖1 瓦斯壓力對煤巖強度的影響

由上述分析可知，爆破揭煤不僅會使大量煤巖體朝采掘空間拋出，且爆破產生的沖擊波會使遠端煤體中的吸附態瓦斯解吸為游離態，使遠端煤體的有效應力降低，因此，石門揭煤容易引發煤與瓦斯突出。

2 立體揭煤防突技術

針對石門揭煤過程中容易發生煤與瓦斯突出的問題，眾多學者對石門揭煤技術措施進行了研究，其中，在掘進工作面采用扇形鉆孔抽采瓦斯，仍然是主流方式。但是，該方式不僅時間長，而且施工鉆孔后，由于鉆孔內的壓力降為大氣壓力，在地應力及煤層瓦斯壓力的共同作用下，鉆孔周圍的煤體有效應力大幅增加，煤體的原生裂隙大量閉合，形成“瓶塞效應”，大幅降低了鉆孔周圍煤體的透氣性。

在認真分析研究以往揭煤經驗的基礎上，提出了“以抽為本，立體消突”多層次、全方位的區域綜合防突措施。該措施能在煤體內形成縱橫交錯的孔洞，能有效地改變鉆孔周圍的應力分布，且增大抽采負壓接觸煤體的表面積。從而使石門揭煤區域的瓦斯流動遵循Darcy定律：

式中，ν為瓦斯滲流速度；u為瓦斯動力黏度；k為煤體滲透率。

3 工程實踐

3.1 煤層概況

某礦 4#煤層為緩傾斜煤層，煤層平均傾角為6°，平均厚度為3 m，煤層厚度大且較穩定，煤心一般呈柱狀，有時中夾一層粉末狀煤，煤層結構較簡單，夾矸一般為 0～1層，為泥巖或炭質泥巖，直接頂板為粉砂質泥巖或泥質粉砂巖，老頂（5 m左右）為灰巖。4#煤層首采工作面實測瓦斯含量為24.21 m3/t，絕對瓦斯壓力2.5 MPa，4#煤層具有煤與瓦斯突出危險性。

3.2 揭煤方案設計

針對某礦4#煤層實測瓦斯含量為24.21 m3/t，絕對瓦斯壓力2.5 MPa，煤層具有煤與瓦斯突出危險性。本文根據相關規程規范要求，結合石門揭煤區域立體綜合防突技術的相關技術思路，提出該礦4#煤層首采工作面上順槽的石門揭煤工作面施工方案（如圖2所示）。

圖2 石門揭煤施工方案設計流程

3.3 現場施工情況

為了更快、更安全地揭開4#煤層，在石門距煤層最小法向距離10 m前施工了2個穿過煤層全厚的超前探測鉆孔，探明前方煤層賦存穩定，在距離煤層最小法向距離7 m處采取立體區域防突措施，具體措施如下所述。

在 4#煤層首采工作面上順槽底抽巷左幫，施工2個揭煤鉆場，鉆場寬4.5 m、深4 m、高3 m，在底抽巷兩個鉆場內施工穿層鉆孔112個，并在石門揭煤工作面施工順層鉆孔 35個。在待揭煤體及兩側15 m的范圍內形成縱橫交錯的抽采鉆孔，鉆孔竣工平面如圖3所示，鉆孔竣工剖面如圖4所示。

圖3 1401回風順槽區域施工鉆孔竣工平面

圖4 1401回風順槽區域施工鉆孔竣工剖面

3.4 抽采總量

4#煤層實測瓦斯含量為24.21 m3/t，石門揭煤預抽鉆孔控制范圍內的瓦斯儲量為388 750 m3，根據預抽期間實測的抽采濃度及抽采流量計算，平均抽放瓦斯純流量為2 m3/min，在累計抽采100 d后，實際抽采瓦斯總量為288 000 m3，瓦斯抽采率高達74.08%。

3.5 區域驗證

根據實際抽采的瓦斯量，初步計算可知該石門揭煤區域已消突，按照《防治煤與瓦斯突出細則》，區域防突措施的效果檢驗時，施工4個鉆孔（揭煤區域內的下部、中部和兩側各1個，兩側檢驗點位于預抽區域內，距邊緣不大于2 m的范圍）直接測定殘余瓦斯含量指標和鉆屑瓦斯解吸指標。殘余瓦斯含量臨界值取8.00 m3/t，鉆屑瓦斯解吸指標臨界值取200 Pa。

經測定殘余瓦斯含量指標和鉆屑瓦斯解吸指標均小于臨界值，效果檢驗為無突出危險。掘進至法向距離5 m時進行區域效果驗證，區域驗證時施工5個鉆孔，分別位于石門的上部、中部、下部和兩側，區域防突措施的區域驗證采用鉆屑指標法，驗證結果為區域殘存瓦斯含量和Δh2均未超標。

石門揭煤工作面掘進至法向距離1.5 m時，進行了揭開煤層前最后一輪效檢，布置5個效檢孔。校檢采用鉆屑瓦斯解吸指標 Δh2和S值，效檢結果未超標，無突出危險性。過煤門期間嚴格按照措施進行工作面日常預測、效檢。4#煤層首采工作面上順槽石門揭煤工作順利完成。

4 經濟效益分析

在安全施工的前提下，通過縱橫交錯的立體區域綜合防突技術，4#煤層首采工作面上順槽石門揭煤工作順利完成，顯著縮短了揭煤工期，保證了礦井提前投產。措施抽采時間平均縮短3個月以上，產生直接經濟效益2700萬元，節省了3個月的人工成本、設備折舊費及銀行利息等。

5 結論

（1）通過對石門揭煤過程中煤層有效應力的變化進行分析，揭示了石門揭煤發生煤與瓦斯突出的基本原理，針對現今抽采鉆孔的“瓶塞效應”，提出縱橫交錯的立體綜合防突措施。

（2）現場試驗縱橫交錯的立體區域綜合防突技術，在突出煤層石門揭煤過程中，100 d抽采瓦斯量達288 000 m3，瓦斯抽采率達74.08%，取得良好的抽采效果，使礦井在揭煤過程中節約了時間，節省了人工、設備成本。