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1、快速渐进式石门揭煤技 术 方 案 一. 研究的目的和意义我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，目前约有250对突出矿井，突出总次数超过2万次左右。在全国煤矿所发生的各类突出事故中，石门工作面所发生的平均突出强度最大，高达316 t/次；在我国发生的突出吨数达到千吨以上的特大型突出事故中，其中石门揭煤工作面所发生的突出比例高达77%。世界上最大最强的煤与瓦斯突出是发生在前苏联时期的顿巴斯矿区加加林矿，石门揭煤所发生的突出量高达14000 t；在我国发生的最大一次突出是在天府矿务局三汇坝一井石门揭煤过程所发生的，突出的煤炭含量达12780 t，突出的瓦斯量为140万m。由于石门揭煤突出强度大，
2、波及范围广，造成的破坏严重，能给矿井带来毁灭性的灾难。由于石门揭煤过程中所需时间最长、突出危险性最大，石门揭煤已经成为煤矿安全生产过程中的难点和采掘部署的瓶颈重点。石门揭煤的最大特点就是在煤层揭露之前，煤体瓦斯处于原始状态，一旦揭开，暴露面处的煤体内极易形成较高的应力和瓦斯压力梯度，再加上煤体与岩体的交界面处岩性突变，因此在石门揭煤时最容易发生突出，并且容易发生大型的突出。针对我国煤矿突出灾害，虽然国家提出了突出预测、局部防突措施、措施效果检验、人身安全防护之“四位一体”的综合防突措施，但仍然存在安全技术支撑不足，“四位一体”的石门揭煤过程如图1所示。1）在石门距煤层10m垂直岩柱处施工测压孔
3、和探煤孔，确定煤层原始瓦斯压力和突出危险性以及煤层所在位置及其赋存状态；2）在距离煤层7 m处，采取各种防突措施，经过一定时间后，进行指标检验，如果指标不超，可以继续掘进；3）在距离煤层5 m 范围内，进一步检验验证，如果超标，则必须进一步采取各种防突措施，并经过一定时间后，进行进一步的指标检验，如果指标不超，可以进一步掘进；4）当掘进至距煤层法向距离2 m时，准备好各种安全防护措施，并采用全矿井撤人断电，一次性放炮揭开石门。目前的揭煤技术存在两大难题:一个是传统揭煤技术侧重于安全角度而存在揭煤速度慢，揭煤时间长的问题，一个是防治措施不到位而致安全性不够。由于揭煤时间长，揭煤过程复杂，平均揭煤
4、时间达到110257d。总体上，在石门揭煤过程中研究一种技术可行、经济合理、生产安全的快速揭煤技术有很大的理论和应用价值，既能提高揭煤速度、减少措施工程量、缩短工期，又节约了成本，缓解了安全投入少的压力，寻求一种快速揭煤技术即为本项目的主要研究内容。目前国内外石门揭煤防突技术主要包括：瓦斯预抽、水力冲孔、高压注水、排放钻孔、金属骨架和震动放炮等措施，每一项措施在一定的适用条件下均取得了较好的效果。保证揭煤安全的前提下，为了提高揭煤效率，急需立项开展有关图1 正常石门揭煤作业过程快速渐进式石门揭煤技术的研究，该项目主要针对现场瓦斯压力和防突参数快速测定，各种防突技术综合利用及其相互有机配合，减少
5、各种防突技术的施工及其消突周期，同时在揭煤过程中完全保证揭煤的安全可靠。做到以下几点：瓦斯压力及突出参数测定时间短、各种防突技术施工快、消突效果好以及一次性揭煤过程安全可靠。 针对以上问题，在对各石门揭煤突出危险性指标测定的过程中，我们对测量不确定度的来源进行了分析，分别建立了评定各突出预测指标测量结果不确定度的数学模型，对各预测指标的测定结果进行了测量不确定度评定。提出比较完善的快速渐进式石门揭煤技术方案，研究快速渐进式石门揭煤技术的原理，确定煤层突出危险性多参数综合指标预测标准以及预测孔的立体化布置，建立可移动式安全屏障区，并确定其范围。在安全屏障区的掩护下，采取浅掘浅进的方式揭开煤层，安
6、全性大幅度提高的同时，揭煤时间也大大缩减。采用快速渐进式石门揭煤技术，可将时间缩短至1530天。二. 石门揭煤过程突出防治技术研究现状现在，大多数学者和现场所接受的煤与瓦斯突出机理是综合假说。综合假说认为突出是瓦斯、地应力和煤的物理力学性质三个因素综合作用的结果。地应力场中的高应力区及应力梯度区使煤层或围岩既积聚了足够的弹性变形潜能，又控制了瓦斯压力场，往往能够全断面、瞬间地将煤体顶出煤层的高瓦斯压力区和低透气性区。因此，以消除地应力和瓦斯压力为主要目的，兼顾改变煤体结构状态及其力学性质研究新的高效快速防突技术很有必要。目前揭煤防突技术主要包括：预抽煤层瓦斯或排放瓦斯、水力冲孔、煤层固化配合金
7、属骨架等，每一样技术措施均有其突出的特点和特殊的使用条件，但总的原则应该是瓦斯压力和地应力下降，煤体得到充分卸压而失去突出危险性。预抽煤层瓦斯或排放瓦斯的防突措施是非常有效的，但是也存在以下不足：1）为了确保揭煤巷道周边的煤体得到充分的卸压，需要的瓦斯预抽和排放时间较长。2）需要布置的钻孔数较多，打钻施工时间长。3）由于钻孔数较多，煤体也受到钻孔的较大破坏，抵抗煤与瓦斯突出的能力大大消弱。4）巷道成型不好。因此，该措施要求煤层有较好的透气性，并且有大于3个月的排放瓦斯时间，否则，达不到高效快速防突的目的。水力冲孔也是一种非常有效的防突措施，它是在进行采掘之前，以岩柱或煤柱作为安全屏障，利用钻机
8、打孔，通过钻头的切割和高压水射流冲击煤体，激发煤层发生可控制的喷煤喷瓦斯。当部分煤体和瓦斯从形成的孔洞中排出后，孔洞周围的煤体内发生变形，地应力降低，透气性增高，大量的瓦斯从中渗流出来，定范围内的煤层中瓦斯压力及瓦斯含量降低，强度提高，相应的初始释放瓦斯膨胀能降低，从而使煤体失去突出能力。由于水力冲孔是通过钻孔进行的，钻孔排瓦斯通道有限，当孔内连续发生喷煤喷瓦斯的时候，孔洞中的压力就会升高，阻碍突出的进一步发展。当煤和瓦斯沿管路排出一些后，压力下降，又可能产生新的突出。因此 这种突出是受管路排放煤和瓦斯的能力控制，是一种人工控制的突出，适用于有自喷能力的突出危险煤层，在技术上要求较高，同时也要
9、求具有实施这一措施的足够时间。煤层固化配合金属骨架，该防突技术措施为：向突出煤层压注固化剂，可提高煤体强度，同时配合金属骨架，增强煤体抵御突出的能力，阻止瓦斯潜能转化为突出动能。该防突技术克服了常规措施的不足，它不仅减缓了煤体弹性能和瓦斯潜能的释放，并着重加强了煤体的自身承载能力和对突出的抵御作用。三. 本项目研究的技术路线本项目采用理论分析、实验研究、数值模拟和现场跟踪考察及现场实测等手段开展研究。图2课题研究的技术路线四. 主要技术方案本项目采用理论分析、实验研究、数值模拟和现场跟踪考察及现场实测等手段开展研究。提出比较完善的快速渐进式石门揭煤技术方案，从快速渐进式石门揭煤技术的原理出发，
10、确定煤层突出危险性多参数综合指标预测标准以及预抽孔和预测孔的合理化布置，同时建立可移动式安全屏障区，在安全屏障区的掩护下，采取浅掘浅进的方式揭开煤层，在安全性大幅度提高的同时大大缩减揭煤时间。 有关防突技术方案制定的原则: 部分卸除煤体的应力，将集中应力区推移至煤体深部。 部分排除煤体中的瓦斯，降低瓦斯压力，减小工作面前方的瓦斯压力梯度。 增大煤体的承载能力和稳定性。 改变煤体物理力学性质，使其不易于发生突出，如煤层注水后，煤体湿润，弹性减小，塑性增大，使突出不易发生。 改变采掘工艺条件，使采掘工作面前方煤体应力和瓦斯动力学状态平缓变化，达到工作面本身自我卸压。如渐进渐掘，间歇作业等，皆属此类
11、。防突技术方案主要包括：1）原始瓦斯参数、突出危险性分析以及突出指标确定；2）瓦斯抽放半径的考察及钻孔布置与瓦斯抽放消突时间的确定；3）抽放孔加注固化剂；5）巷道周边增加金属骨架；6）一次性放炮揭煤。4.1 原始瓦斯参数、突出危险性分析以及突出指标确定石门揭煤的突出预测指标种类较多，其表现形式也各种各样，但是这些预测指标中，往往又具有一些共同的特征。初始释放瓦斯膨胀能、K1和h2能够直接反映煤层突出的各种影响因素，现将突出预测指标分为如下三类：1）单项指标进行预测时，只能够反映对象某一方面影响的指标。由于它不能全面反映影响对象的各因素，因此很少单独使用。一般是由多个单项指标组合在一起形成组合指
12、标，进而对对象进行预测。如赋存深度H 、瓦斯压力P 、瓦斯放散初速度P、煤体的坚固性系数 f 等。（1）地应力突出与地应力、瓦斯压力和煤体强度这三项因素有关，但地应力这一因素现场很难直接测定，尤其是软煤层内的地应力目前还没有办法测定。因此，在煤与瓦斯突出预测中一般使用其它指标来反映地应力的作用，其中比较有代表性的就是煤层的赋存深度H 指标。H 指的是煤层的埋藏深度。随着煤的埋藏深度的增加，上覆岩层的重量逐渐增加，此时煤体所受的自重应力也相应的增大。它反映的是仅仅是上覆岩层引起的地应力。地应力包括煤层的自重应力和构造应力，尤其是对煤与瓦斯突出过程起作用的地应力，它还包括煤矿井下由于采掘等各种人工
13、影响而所产生的应力集中和叠加。在这种情况下，单纯的用埋藏深度来反映地应力在突出中的作用是不全面的。大量的煤与瓦斯突出的统计资料表明，煤与瓦斯突出往往发生在地应力异常的区域，这些地方的自重应力的大小相对于构造应力往往相差一个数量级。这时，使用埋藏深度H 这个指标来反映地应力在突出中的作用，其实是不准确的。（2）瓦斯压力根据煤体质点在突出中的能量耗散规律，在地应力完成了对煤体的破坏后，煤体能否抛出并形成突出就只取决于其释放出的瓦斯能的大小。而我们知道，煤层的瓦斯压力是决定瓦斯能大小的主要因素。瓦斯压力越大，煤层暴露后释放的瓦斯能越大，相应的突出危险性也就越高。因此，使用煤层瓦斯压力来作为评定突出危
14、险性大小的一个指标是有一定的理论依据的。（3）煤体强度在煤与瓦斯突出的发生、发展过程中，就煤质自身而言，人们公认的观点只有两个因素：一是煤放散瓦斯的能力。在突出的最初一段时间内煤中所含的瓦斯放散出的越多，在突出过程中就越容易形成携带煤体运动的瓦斯流，其突出危险性也就越大；相反，如煤中含有大量瓦斯，但在短时间内放出的量很小，那么这种煤虽含有大量瓦斯，但不易形成瓦斯流，其突出危险性也就较小。二是煤的强度。强度越大越不容易破坏，对突出发展的阻力就越大，突出的危险性就越小；相反，煤的强度越小越易破坏，其阻力就越小，破碎所需的能量就越小，突出危险性也就越大。在反映煤体强度的指标中比较有代表性的是p指标和
15、f指标。p是煤的瓦斯放散初速度。它是指在1个大气压下吸附瓦斯后第4560s期间向真空环境释放的瓦斯放散量P2与第 010 s 内放散量P1的差值，反映了煤放散瓦斯的能力。煤体对瓦斯的解吸和吸附是互为可逆的过程，因此煤体释放瓦斯的能力与吸附性能也是成正比的。煤对瓦斯的吸附能力越强，它在 1 个大气压下吸附后的瓦斯含量就越大，相应的p 指标就越大。即瓦斯放散初速度随煤的变质程度增高而增大，这一点也已经由大量的实验证明。从这方面来看，p指标是能够反映煤的上述因素对突出的影响的。f 是煤的坚固性系数，是反映煤体这种颗粒状固体力学性质的一种相对指标。其值越大，表示这种煤体越稳定，在外力的作用下越不容易破
16、碎，在同样的地应力和瓦斯压力下越不容易发生突出。 f 指标所反映的是上述两因素中的第二个。突出是在地应力、瓦斯压力作用下，发生在软煤中的一种动力现象。也就是说，大量强度较低软煤的存在是突出发生的前提。因此，煤的坚固性系数是预测煤层有没有突出危险的重要参数。2）综合指标能够综合反映各个单项因素在突出过程中作用的指标，如解吸指标K1 和h2。首先对单项指标进行研究，并在此基础上分析各组合指标理论上的合理性；对于综合指标，则可直接对其进行分析K1 和h2同属钻屑瓦斯解吸指标，其理论基础都是煤屑瓦斯涌出规律。它可以反映煤与瓦斯突出危险性及用于确定煤层的瓦斯含量。国内外研究者先后在实验室对煤屑瓦斯涌出规律进行了比较深入的研究，同
