突出煤层掘进防突技术研究
1 前言
煤与瓦斯突出（以下简称突出）是煤矿井下采掘生产过程中一种极其复杂的动力现象。研究表明：在煤巷掘进工作面，煤体支承的上覆岩层自重应力向周围煤体转移，形成远大于煤体单向抗压强度的支承应力，其性质为剪切应力，使周围煤体受到破坏，发生流变，形成靠近工作面处一定长度的卸压带，卸压带范围内的煤体只承受自重应力，所含瓦斯得到充分放散，煤体已经失去突出危险，并且阻碍前方煤体的突出。卸压带内煤体随着变形持续向深部发展，在一定深度范围内，煤体受力与变形相关变化，处于动平衡直至临界平衡状态，煤体受压缩，积蓄很高的弹性潜能，地应力和瓦斯压力增高，透气性下降，瓦斯难以释放，形成应力集中带。在煤体深部，随着流变变形的停止而逐渐进入原始应力带。
一方面，只要掘进工作面前方卸压带长度足够长，每次爆破掘进后的瞬间，工作面前方仍有足够长的卸压带来阻挡有突出危险的煤体，突出就不会发生。当卸压带变短、应力集中带靠近掘进工作面时，工作面附近煤体处于极限平衡状态，瓦斯压力梯度增高，掘进作业会破坏煤体的极限平衡状态，破坏面以里的煤体连续剥离，暴露出新鲜面，高速破碎，瓦斯由已破碎有煤中解吸、涌出，形成瓦斯流，把粉碎煤抛向巷道，造成瓦斯突出。
另一方面，在突出准备阶段，破坏煤的基本动力是弹性潜能释放转化的动能。其能量大小与煤的弹性有关，随着弹性增大，工作面附近的弹性能量增大。由于煤质不同，其潜能释放方式也不同，当煤遭到脆性破坏，能量快速、突然释放；煤塑性强时，能量大部分消耗于逐渐变形及平缓的变形。
焦作矿区绝大多数突出与软煤分层有关，软煤是突出的主要发源地。笔者认为，要想避免煤巷突出，应从两个方面采取措施：
一是对围岩和煤体进行卸压，降低瓦斯压力，转移地应力；
二是增强煤塑性，重点消除软煤分层突出威胁。
焦作矿区是一个具有严重突出危险的矿区，随着矿井开采浓度的增加，特别是掘进工作面瓦斯突出危险性越来越严重，松动爆破、超前暴露出适用范围局限、措施重复率高、占用时间长、措施成本高等缺点，严重制约着掘进速度的提高，造成采掘比例失调，该矿区部分巷道措施情况如表1所示。
表1 焦作矿区部分矿井突出地区掘进情况
见表
突出不仅严重威胁煤矿安全生产，而且制约煤矿生产能力的发挥。防突技术措施工序复杂，造成煤巷掘进速度缓慢。突出后处理事故时间很长，影响了正常的采掘接替，严重制约矿井的生产能力。
2 中高压注水综合措施防突作用机理
中高压注水综合防突措施就是：巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯，向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。
该措施是边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯，增大煤体透水性。有利于煤层注水；较高的压力水压裂破坏煤体，增加煤体透气性，提高瓦斯抽放效果。
煤的孔隙性决定煤吸附瓦斯的能力和煤的渗透特性。水分了具有明显的极性，水分子间和水煤分子间的相互作用，大于甲烷和煤分子间的相互作用，容易被煤所吸附，以多分子层形式吸附在煤的内表面，形成煤-水-甲烷体系平衡状态。当该平衡遭到破坏时，煤吸水的牢固性和吸住的水量超过甲烷，从而减少煤中的瓦斯量。煤中水分增加，煤抗压强度和弹性模数显著减小，塑性增强。
水在煤层中流动主要表现为在裂隙和大孔中进行的渗透过程，在微孔中主要表现为流体的扩散，从而挤出瓦斯。用很高压力注水时，液体不会使煤体破裂，煤层将沿已有的削弱面-裂缝裂开，水以超过煤层自然吸收能力的流量进行注水，导致裂缝的敞开和扩展，消除煤体不稳定的平衡状态，降低近工作面部分的承压能力，增加临界状态带深度，并把集中应力带推向煤体深处。
通过研究和试验表明，中高压注水综合防突措施具有以下防突效果：
（1）高坟水逐渐使煤体破裂，使应力集中带前移，增加了巷道卸压带长度。
（2）高压水通过软煤分层时携带煤泥在煤层中运动，并顺煤层的裂缝向巷道空间或钻孔拔出，使煤体疏松，提高煤层透气性，瓦斯压力梯度降低。
（3）水封闭瓦斯流动通道，使瓦斯由吸附状态转为游离状态更加困难。
（4）煤体湿润，力学性质发生改变，弹性模数降低，增强煤体塑性，应力分布均匀。
（5）边掘边抽钻孔及时抽出工作面正前瓦斯，同时截流抽放前方两侧煤体的瓦斯，扩大了措施控制范围，有效防止瓦斯突出。
3 中高压注水综合防突措施
3.1 措施布置
中高压注水综合防突措施即边掘边抽与中高压注水相结合的措施，在巷道两帮边掘边抽钻场抽放正前煤体瓦斯的同时，掘进工作面采取中高压注水措施。
措施效果检验超标时辅助以φ42mm排放钻孔，直至措施效检有效后，留出效检超前距采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业。
正前中高压注水措施，根据煤层赋予特点，布置注水钻孔3～5个，控制掘进工作面前方有突出危险的煤体。注水孔孔口位置在硬煤中，终孔点落至软煤分层。钻孔方向沿巷道轴线方向，以免破坏两帮抽放钻孔。
注水孔孔径φ42mm，孔深8m；封孔深度3m；注水压力根据煤层埋藏浓度及煤体坚固性系数确定，一般选择10～12MPa。巷道两帮各布置3～5个30～50m而直径为90的抽放钻孔，钻孔平行掘进方向，距巷道轮廓线为1.5～3.0m。
3.2 中高压注水系统布置
根据中高压注水措施的特点，焦作煤业集团科研所在试验过程中，研究了耐高压、易操作、性能可靠的AFS型水力自动封孔煤注水器，并获得了国家发明专利，完善了中高压注水操作系统，具体布置如图1所示。
图1 中高压注水系统布置图
3.3 中高压注水措施考察
3.3.1 边掘边抽措施的考察
在试验期间，随巷道掘进测试注水前后的边掘边抽钻孔的抽放参数，并绘制曲线图（见图2）。图2表明：中高压注水期间，巷道两帮抽放孔明显受到影响。
图2 中高压注水防突边掘边抽措施考察
据统计：注水前钻孔瓦斯抽放量为0.0131～0.0706m3/min，平均为0.0316m3/min，平均为0.03835m3/min，钻孔抽放量增加平均达21.4％以上，个别孔甚至成倍增加。
3.3.2 中高压注水考察
研究过程中，对中高压注水措施的主要参数进行了考察和统计。从表2可看出，在煤层赋存条件相同、埋藏浓度相近的情况下，注水压力，注水时间基本相同。
注水时间、注水量与注水孔间距有关，相同的注水压力下，间距越小，注水时间越短，注水量越少；间距相近，注水时间、注水量随注水压力升高而升高，但注水压力过高反而又下降（见图3）。
图3 注水期间流量、压力和时间的关系图
在注水期间，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状，直观反映出中高压注水作用于煤体是逐渐压裂破碎。
通过对中高压注水钻孔实际影响范围进行的考察和统计表明：中高压注水钻孔横向影响半径可达1～1.4m，沿纵向影响浓度则可超前钻孔2m。同时，通过表2可看出，中高压注水可使煤体产生明显的位移。
表2 中高压注水试验参数
类别
注水时间
（min）
注水压力
（MPa）
注水量
（m3）
顺层影响
范围（m）
沿层影响
范围（m）
煤体位移
（mm）
演马庄矿25071运输巷
28
10～12
1.0
1.10
0.94
20～400
位村矿14121上风道
50
8～18
1.1
1.37
1.00
20～100
位村矿14121下风道
49
8～18
－
1.38
1.10
20～110
通过对注水掘进工作面瓦斯涌出观测，得到以下瓦斯涌出规律：注水后掘进期间瓦斯涌出量明显降低，炮后瓦斯浓度降低，且下降速度变快。
4 中高坟注水综事防突措施实践
从2001年开始，先后在朱压矿、演马庄矿、位村矿采用中高压注水防突措施，对比措施前后掘进情况，中高压注水防突措施明显缩短了措施执行时间，简化了措施工艺，提高了掘进速度，降低了掘进成本。
（1）防突效果方面：采取不同防突措施时期的检出率（见表3），以及中高压注水防突措施试验前期或同期，其他巷道不同防突措施下的掘进各项指标，具体如表4所示。
表3 不同防突措施效检对比
类别
措施名称
效检突出
率（％）
备注
演马庄矿
25071运输巷
中高压注水综合措施
10.3
采取小直径排放钻孔措施后，当班解除突出危险
25051运输巷
大直径排放钻孔措施
51
重新采取大直径排放钻孔措施
25081运输巷
抽放结合排放钻孔措施
26.1
重新采取大直径排放钻孔措施
位村矿
14121上风道
大直径排放钻孔措施
38
重新采取大直径排放钻孔措施
中高压注水综合措施
22
采取小直径排放钻孔措施后，当班解除突出危险
14121下风道
大直径排放钻孔措施
35.3
重新要取大直径排放钻孔措施
中高压注水综合措施
22
采取小直径排放钻孔措施后，当班解除突出危险
表4 不同防突措施指标对比
类别
措施时间
（班/循环）
循环进尺
（m）
日进尺
（m）
措施工程量
（mm）
中高压注水措施
演马庄矿
1
2.5
3.5
9.1
位村矿
1
4.5
4.5
8.9
排放孔措施
演马庄矿
4～5
4～5
1.2
74.7
位村矿
4～5
4～5
1.3
64
（2）节支降耗方面，单从不同措施下钻机及通风电费计，在注水泵配置合理的情况下，每掘进一米可节省电缆324.5元；以掘进速度提高一倍计算，每月单通风费用一项可节省近万元。
（3）安全生产环境方面，采取中高压注水措施后有如下好处：
①煤体湿润、煤尘降低、有利于掘进降尘；
②炮后瓦斯浓度降低、排放时间缩短，更有利于掘进作业。
③措施工程量的减少、工艺的简化，加之显著的防突效果，使掘进成本大幅度降低，其经济和社会效益是十分显著。
（4）掘进速度方面：朱村矿25051工作面掘进速度由原来的双巷13.2m/月提高至单巷67.3m/月；演马庄矿严重突出区掘进进尺由35m/月提高到84m/月；位村矿14121工作面掘进尺由39m/月提高至100m以上，并有效防治了煤与瓦斯动力现象，保证了掘进施工安全，经济和社会效益十分显著。
5 结论
（1）通过在焦作矿区的试验，提出并确定了适合焦作矿区突出煤层掘进的合理防突措施、工艺及其参数。中高压注水综合防突措施与超前排放钻孔等防空措施相比，措施工程量低、操作工艺简便，是一种方便高效的防突措施。
（2）中高压注水作用提高了边掘边抽钻孔的抽放量，其影响作用是连续的，措施后效检超标率从18.8％降低到1.4％，取得明显的防突效果。
（3）中高压注水措施后，煤体发生显著位移；煤体水分明显增加，使瓦斯放散能力降低；各作业工序瓦斯涌出比较均匀，瓦斯动力现象次数减少，炮后瓦斯浓度下降，取得明日为的瓦斯防治。
（4）中高压注水措施具有显著的防尘降尘作用，改善了工作面作业条件。
（5）采用中高压注水综合防突措施在不同煤层条件下3115m巷道进行试验，巷道掘进速度平均提高一倍上，期间未发生一次突出，有效缓解了试验矿井采掘接替紧张局面，就其取得的经济效益达1100万元，因此，经济和社会效益十分显著。
实践证明：中高压注水综合防突措施能有效地防治突出，对于提高突出地区掘进速度、保证煤矿安全生产具有广泛的适用性、有效性和可靠的安全性。
