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1、突出煤层掘进水力掏槽防突技术研究 在理论研究分析指导下，结合工业试验，研究了严重煤与瓦斯特别煤层巷道掘进防突技术。通过理论研究和工业试验，确定了水力掏槽新掘进防突措施，并提出了合适焦作矿区的防突措施参数，系统评价了水力掏槽防突措施的有效性：适应性和安全性。研究结果说明：水力掏槽防突措施是高压水通过水枪产生高流量的稳定射流破碎前方煤体形成槽硐，槽硐四周煤体得到充分卸压，释放出大量瓦斯，煤体物理力学性质发生改变。当卸压槽具有足够面积时，在巷道四周形成卸压和排放瓦斯的煤带，解除特别危险性。2000米严重特别地区巷道掘进说明，正常掘进期间未发生一次特别，巷道安全掘进速度提升2倍以上；采区水力掏槽防突措
2、施每米掘进进尺的防突措施时间是超前排放钻孔防突措施的114，是注水防突措施的17，有效缓解了采掘接替紧张局面，经济和社会效益显著。关键词煤与瓦斯特别；水力掏槽；防突：高压射流；概述焦作矿区具有百年开采历史，开展瓦斯灾害防治研究将近五十年。集团公司现有5对生产矿井，皆为特别矿井。近年来，随着矿井开采深度逐渐增大，煤层瓦斯含量高、透气性差、特别危险性十分严重，顶分层煤巷掘进主要采用超前排放钻孔配合边掘边抽和中高压注水防突措施，但煤巷掘进速度平均每月只有4560余米，采煤工作面1300m巷道至少必须要掘进两年，采掘比例严重失调。为确保采掘平衡，一个采煤工作面至少要配46个掘进工作面，一个特别煤巷掘进
3、区队同期至少有4个掘进工作面才干确保掘进的顺利进行，造成巷道掘进成本居高不下。有些特别严重的工作面，如九里山矿15011工作面掘进期间连续发生大强度特别，自1998年3月份开始掘进至2004年7月份共76个月掘进1900m，月平均掘进进尺为25m；朱村矿25051工作面运输巷两头对掘，连续6个月平均进尺只有13.2m月。 1.概述 焦作矿区具有百年开采历史，开展瓦斯灾害防治研究将近五十年。集团公司现有5对生产矿井，皆为特别矿井。近年来，随着矿井开采深度逐渐增大，煤层瓦斯含量高、透气性差、特别危险性十分严重，顶分层煤巷掘进主要采用超前排放钻孔配合边掘边抽和中高压注水防突措施，但煤巷掘进速度平均每
4、月只有4560余米，采煤工作面1300m巷道至少必须要掘进两年，采掘比例严重失调。为确保采掘平衡，一个采煤工作面至少要配46个掘进工作面，一个特别煤巷掘进区队同期至少有4个掘进工作面才干确保掘进的顺利进行，造成巷道掘进成本居高不下。有些特别严重的工作面，如九里山矿15011工作面掘进期间连续发生大强度特别，自1998年3月份开始掘进至2004年7月份共76个月掘进1900m，月平均掘进进尺为25m；朱村矿25051工作面运输巷两头对掘，连续6个月平均进尺只有13.2m月。 焦作矿区现采纳的防突措施虽然可以有效解除掘进工作面特别危险性，但是措施施工时间长，有效掘进时间短，导致掘进速度缓慢和严重的
5、集中生产现象，为安全生产埋下重大隐患。因此，探究适应严重特别煤层条件的综合防突技术，在确保安全的前提下大幅度提升掘进速度，已成为缓解采掘紧张局面、改变矿井经济与安全面貌的当务之急。 2.水力掏槽措施防突机理研究分析 水力掏槽措施实质就是外力在较短时间内破坏煤体的原有平衡稳定状态，部分煤体破碎被冲出，槽洞周边煤体向外发生位移，促使所受应力状态发生变化，有效应力降低，并释扩大量瓦斯的过程。 水力掏槽措施的过程就是高压射流破碎煤体、释扩大量瓦斯、改变改善煤体应力状态的过程。煤体的破坏首先是高能量的高压射流破碎煤体，形成直径较小的槽孔；然后在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎孔四周的煤体，
6、形成大直径的槽孔；而槽孔上部煤体由于稳定状态被破坏，在水力和重力的作用下充分垮落，形成近似矩形槽硐。煤体在掏槽期间是渐进的被破碎，煤体的应力和瓦斯潜能也是渐进的释放，掏槽过程中排出了大量瓦斯和一定数量的煤炭，因此在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内，破坏了特别发生的基本条件，起到有效防治或抑制特别的效果。图1是通过ANSYS数值模拟，槽孔底部的煤体和顶板发生了位移，位移模式分别为底部煤体鼓起和顶板下沉。 在地应力作用下，煤层具有塑性变形位移流动的特征，即流变性能。掏槽期间，掏出了很大的孔洞，在经过一段时间后发现孔洞的体积显然减小，甚至被四周煤体的位移所充填。煤体位移的作用缓慢地由
7、孔洞壁向四周煤体传播，也就不断地扩展了掏槽的卸压排瓦斯范围，掏槽时和掏槽后的瓦斯排放量可达掏槽有效影响区域内瓦斯总量50左右.预防特别效果显著。图2是焦作矿区特别煤层排放措施孔硐面积(通常为圆孔硐)与瓦斯有效排放影响半径关系曲线图 理论研究与分析说明：水力掏槽措施在提升煤体透气性、改善煤层应力状态以及措施后煤体物理性质变化都具有非常积极的影响，对特别的防治具有针对性和可行性。 3.工业船 3.1试验地区 演马庄矿特别煤层掘进工艺为超前排放钻孔防突、远距离爆破、掘进矿车运输。采用防突措施时间占巷道施工总时间的70%以上，特别地区巷道掘进速度平均为45m月，炮后瞬间最高瓦斯浓度一般为0.97。二二
8、采区为新开拓采区。主采二1煤层，老顶为中粒砂岩，直接项为砂岩，厚度4m，有0.20.3m厚的泥岩伪顶，底板为砂质泥岩，煤层倾角11，平均厚度6m，构造软煤分层厚度为O.51.2m。 试验工作面实测煤层瓦斯含量为30.69m3t.r，瓦斯压力为0.96MPa，瓦斯吸附常数a=45.696m3t，b=O.961MP-1，P=31，透气性系数为4.15m2mpa2.d，硬度f=O.10.8，软分层厚度为0.31.2m，煤层具有严重的特别危险，同标高地区曾发生多次规模较大的特别。 3.2水力掏槽防突措旋有效性检验 水力掏槽防突措施采纳猜测、防突措施、措施效果检验和安全防护措施“四位一体综合防突技术思路
9、，即首先进行特别危险性猜测，特别危险性猜测及效检指标均采纳R值指标法，其临界值RM为6。当猜测无特别危险时，留出猜测超前距，直接采纳远距离放炮安全防护措施进行掘进作业；猜测有特别危险时采用水力掏槽综合防突措施，然后进行效果检验，措施效果检验有效后，留出效检超前距采纳远距离放炮安全防护措施进行掘进作业。 3.3水力掏槽措施技术参数 措施超前距：在焦作矿区煤层条件下，当正前水力掏槽断面积小于1.Om2时，措施超前距保留5.Om：合计到顶板支护因素，当正前水力掏槽断面积大于1.Om2时而又小于2.0M2时，措施超前距保留3.0m：当正前水力掏槽断面积大于2m2时，措施超前距保留1.Om。 泵压、流量
10、：通过理论计算和实际掏槽效果，水力掏槽泵压确定为1620MPa，流量150M3h。 水力掏槽尺寸：水力掏槽1320min后，形成一道宽8001200mm，高1.21.7m，深1032m超前卸压槽。图3为实际拍摄的水力掏槽槽硐。 3.4试验状况采用水力掏槽消突措施后特别指标效检超标率为5.83，远低于常规的30措施超标率，效检不特别准确率为100，充分显示了水力掏槽消突措施的有效性和可靠性：平均月进尺达到126m，最高达到165m月，较排放钻孔等常规防突措施掘进速度提升到2倍以上。表3为2004年8月11月间水力掏槽消突措施应用状况表。 水力掏槽期间瓦斯涌出量大幅度增加，图4是水力掏槽瓦斯涌出规
11、律。采用水力掏槽消突措施后，在爆破作业时，瓦斯涌出强度降低，炮后瓦斯超限率急剧下降，由其它防突措施炮后瓦斯超限的50以上降至目前的18.9，并且炮后瓦斯浓度一般在O.3O.9之间，低于排放钻孔防突措施爆破后0.97的瓦斯浓度(同风量下比较)，因此采用水力掏槽措施是掘进爆破作业安全的重要确保，同时试验说明，措施后杜绝了爆破作业诱导特别或出现瓦斯动力现象。 水力掏槽消突措施不同于中高压注水、超前排放钻孔等防突措施之处，一方面在于其显著的防突效果，另一方面在于其简便快捷的操作和管理。表2为采用不同防突措施时的各项指标对比状况。 通过比较，采用水力掏槽消突措施后，每米进尺措施时间是超前排放钻孔的114
12、，是注水防突措施的17，为提升特别煤层巷道的有效掘进时间奠定了基础。 工程试验说明，掏槽后形成较大面积的槽洞对减少爆破工程量、材料费用、提升爆破效果和增加一次爆破深度均有显著作用，新的掘进工艺使掘进速度提升到原来的2倍以上，达到全公司平均掘进水平的2-4倍。 4.力掏槽防突措施评价 4.1广泛适应性 焦作矿区煤巷掘进特别统计说明，在采纳排放钻孔等常规措施期间，平均年掘进4000米巷道特别46次。采纳水力掏槽措施在焦作矿区试验期间掘进2000余米，共发生特别2次，其中1次为视察水力掏槽措旌安全距离诱发特别，1次为措施期间特别(掘进工作面碰到成组断层，煤层全部为软分层，采纳排放钻孔打钻时出现严重喷
13、孔现象后，为确保施工安全，而采纳水力掏槽措施发生的特别)，从千米巷道特别次数看，基本与采纳常规措施相当，采纳水力掏槽措施并没有增加特别的概率。 采纳水力掏槽时，措施实施过程无人值守，保证了施工人员在措施过程中的安全。而在严重特别煤层实施超前钻孔防突措施的过程中，常常遭遇喷孔、卡钻，甚至发生特别，这给特别措施的执行带来困难，也对施工人员的安全构成严重的威胁。 因此，水力掏槽措施能够很好的适应于矿区的严重特别煤层掘进消突。 4.2显著有效性 (1)措施重复率低 采用水力掏槽措施，一般可以一次成槽，不必须要反复的冲刷，过程简单。水力掏槽措施之后，效检超标率显然降低。 (2)措施执行时间短 和其它防突
14、措施相比，水力掏槽消突措施施工时间短，措施仅必须1030min，瓦斯在措施期间大量释放，措施后瓦斯浓度一般在40min内降低到0.1O.4，确保了有效掘进时间。 (3)掘进速度大幅度提升 采用水力掏槽措施后，措施重复率低，措施执行时间短，掘进的有效时间增加：新的掘进工艺使严重特别煤巷掘进速度提升到原来的2倍以上，达到全公司平均掘进水平的2-4倍。 (4)经济和社会效益显著 试验期间，杜绝了严重特别地区掘进的瓦斯灾害事故，实现了安全快速掘进，产生直接经济效益1400余万元。 4.3可靠安全性 (1)措施过程安全 水力掏槽消突措施是一种逐渐剥离破碎煤体、释放煤体有效应力的过程。在采用水力掏槽措施过
15、程中，掘进工作面采纳水力掏槽消突措施时实现无人操作，措施过程具有安全可靠性，避免了措施期间特别伤人事故的发生。 (2)掘进过程安全 采用水力掏槽措施过程中，掘进工作面原应力集中带向前方和槽的两帮深部转移，卸压较快，瓦斯得到充分释放。掘进过程中不会发生特别。而且，措施后在爆破和正常掘进期间瓦斯浓度一般都不超限。在措施有效范围内掘进爆破后瓦斯涌出浮现递减的规律，炮后瓦斯浓度一般为0.30.9，仅比其它工序升高0.2左右。掘进过程中瓦斯安全得到保证。 (3)防护措施可靠 由于实施了无人作业水力掏槽消突措施，同时在两道风门的基础上增设一道风门，措施期间巷道内所有电器设备处于停电状态，因此避免了特别直接伤人和电器设备失爆诱发瓦斯爆炸的可能性。 5.结论 1)理论研究分析说明：水力掏槽措施在瓦斯、应力及煤体物理性质改变等特别主导因
