1前言
目前國內(nèi)主要采用的局部防治突出技術(shù)措施按其對突出煤層的作用可分成兩個方面:一方面是消除或剝?nèi)趺号c瓦斯突出的能量聚積,防止這種能量的突然釋放,即卸除煤巖壓力和瓦斯壓力,屬于這一類措施的主要有局部瓦斯抽放、排放鉆孔、超前鉆孔、水力沖孔、深孔松動爆破等;另一方面是增強煤體的穩(wěn)定性,增加煤體的破碎阻力,使煤與瓦斯突出難于發(fā)生,屬于這一類措施的主要有金屬骨架、前探支架、防突擋板、做半面留半面等。在選用和實施局部防治突出措施時,由于突出機理較復(fù)雜,且施工作中干擾因素較多,各種措施的防治突出效果在各礦使用中有所差異,同時,因煤的性質(zhì)不同,所采用的措施效果也會因地而異, 因此,各突出礦井采用防治突出措施的各主要參數(shù)必須經(jīng)過選用、試驗測定、修改三個階段,方能取得較好的防突效果。土朱煤礦自1990年以來對各種防治突出措施的實施效果進行了試驗,并于1994年開始對局部防治突出措施的主要實施技術(shù)參數(shù)進行了考察測定,確定了符合本礦突出煤層特點的局部防治突出措施及其主要技術(shù)參數(shù)。
2突出概況
土朱礦位于漣邵煤田金竹山礦區(qū)西南部，橋頭河向斜的西南端，西南起于石子嶺斷層及1勘探線以西200米與一平硐礦井相鄰；東南翼至39勘探線與托山礦井相接，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為40萬噸/年，因開采技術(shù)條件復(fù)雜，省煤炭廳于1977年核定生產(chǎn)能力為21萬噸/年，近幾年通過改擴后2006年核定生產(chǎn)能力達到30萬噸/年。礦井其含煤地層為測水組下段，井田內(nèi)含煤地層為測水組下段共含煤七層，其中2、3、4煤層為非突出煤層，5、6、7煤層及5煤分支煤層具有煤與瓦斯突出危險。截止于2006年底共發(fā)生過煤與瓦斯突出22次，其中最大突出強度為1100t。各煤層煤質(zhì)牌號均為無煙煤，礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)簡單,無煤塵爆炸危險,無煤層自燃發(fā)火現(xiàn)象。
土朱煤礦自1974年始突至今,共發(fā)生煤與瓦斯突 出23次。按突出基本情況統(tǒng)計如表2-1;按防突措施實施情況統(tǒng)計如表2-2。
土朱礦井突出基本情況統(tǒng)計表2-1

礦 井	突出次數(shù) (次)	最大突出 強度(t/次)	平均強度 (t/次)	累突煤量 (t)
土朱礦	23	1100	107.1	2356

土朱礦井突出情況按防突措施實施統(tǒng)計表2-2

礦 井	未采取措施		措施不力		合計
	次數(shù)	%	次數(shù)	%	次數(shù)
土朱	18	81	4	19	23

3局部防治突出措施的應(yīng)用及效果分析
自建礦到1988年以前,在局部防突措施管理方面,對石門揭煤與煤巷掘進只是直接采用震動性放炮和遠(yuǎn)距離放炮等安全防護措施進行處理。1988年煤炭部頒發(fā)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》后, 至1989年“四位一體”綜合防突措施便在我礦迅速得到推廣應(yīng)用。在1991～2013年期間,沿煤掘進工作面共進行了突出預(yù)測1521次, 預(yù)報工作面有突出危險352次,采取防治突出措施352次。其中:實施了深孔松動爆破措施46次(沿煤巷道)、超前鉆孔措施323次(其中實施孔徑42mm的密集鉆孔措施300次,實施孔徑89mm的超前鉆孔措施23次)。石門揭煤107個,進行工作面突出預(yù)測395次(包括過煤門預(yù)測),預(yù)報工作面有突出危險39次, 其中瓦斯抽放13次、采取水力沖孔措施2次, 排放鉆孔措施35次,輔之采用金屬骨架措施19次。石門揭煤突出15次,其中采取防治突出措施后因措施失效突出5次,未采取防治突出措施突出7次(誤透突出煤層突出6次、預(yù)測失真突出1次)。防治突出措施應(yīng)用情況見表3-1、表3-2。
表3-1 石門工作面防突措施應(yīng)用情況

礦 井	石門揭煤			工作面預(yù)測				采取措施情況				措施效果檢驗
	(個)	突出(次)		(次)	有危險		準(zhǔn)確 率 (%)	水力 沖孔 (次)	排放 鉆孔 (次)	瓦斯抽放 (次)	金屬 骨架 (次)	效果 檢驗 (次)	有效 (次)	準(zhǔn)確 率 (%)
		采取 措施	未采 措施		(次)	(%)
礦	107	5	7	345	29	8.4	100	2	24	3	9	29	27	93.1

注:石門預(yù)測包括石門揭煤與過煤門預(yù)測。
表3-2 沿煤掘進工作面防突措施應(yīng)用情況

礦 井	突出 煤層 巷道 長度 (m)	工作面突出預(yù)測				工作面采取措施情況			千米掘進
		(次)	有危險		準(zhǔn)確 率 (%)	超前鉆孔(次)		松動 爆破 (次)	效果 檢驗 (次)	有效 (次)	準(zhǔn)確 率 (%) 巷道 突出 (次)	巷道突出 (次)
			(次)	(%)		φ42	φ89mm
礦	4189	971	70	7.2	100	142	23	26	70	69	98.5 0	1

深孔松動爆破措施和水力沖孔措施未能得到推廣應(yīng)用, 主要原因是措施工藝復(fù)雜,技術(shù)性強,工人難于掌握,同時因5煤層(包括5煤構(gòu)造分岔煤層)極破碎為粉末煤,采取深孔松動爆破措施效果很不理想,無法達到放”悶炮”產(chǎn)生過多的裂隙釋放瓦斯來增強煤體硬度以及形成采掘集中應(yīng)力前移的目的，甚至在采取了深孔松動爆破措施后,還得再采取超前鉆孔措施。水力沖孔對水壓要求嚴(yán)格，煤層本身的易膨脹等原因造成沖洗出來的煤量和范圍很難達到《規(guī)程》及《細(xì)則》的要求，因此,該二項措施未能在突出煤層中得到推廣應(yīng)用。目前礦井在沿突出煤層巷道主要采用超前鉆孔措施,在石門揭煤工作面主要采用排放鉆孔與金屬骨架措施。但是,因超前鉆孔措施與排放鉆孔措施的技術(shù)參數(shù)尚末經(jīng)實測確定,在實施時有效排放范圍難以準(zhǔn)確控制,因此,在實施措施后, 仍有二次失效,并發(fā)生了煤與瓦斯突出。
4局部防治突出措施主要技術(shù)參數(shù)的測定
4.1.測定超前鉆孔措施的有效排放半徑和有效排放時間
4.1.1.測定方法及確定標(biāo)準(zhǔn)
測定超前鉆孔措施有效排放半徑和排放時間主要采用了兩種方法:一是采用鉆孔瓦斯流量法測定超前鉆孔有效排放半徑, 即沿工作面軟分層打三個相互平行的測量鉆孔,孔徑42mm,孔長 5～7m,間距0.2～0.5m,封孔后立即測量各鉆孔瓦斯涌出量,并每間隔2～10min測定一次,然后在距最邊緣測量孔中心一定距離, 打一個平行于測量孔的待考察孔,打完后,每隔2--10min測定各測量孔的瓦斯涌出量,測定2小時。其確定標(biāo)準(zhǔn)是按《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求：如果連續(xù)三次測定測量孔的瓦斯涌出量都比打超前鉆孔前增大10%,即表明該測量孔處于超前鉆孔的有效排放半徑之內(nèi)來確定;二是采用鉆屑指標(biāo)法測定超前鉆孔有效排放半徑和排放時間,即在有突出危險的采掘工作面,在其軟分層先打一個考察孔,測量每米的鉆屑指標(biāo),然后,按施工要求確定排放時間,到時間后在距考察孔一定距離打一個與該孔呈一定角度的測試孔,測量每米的鉆屑指標(biāo)值。其確定標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)兩個鉆孔同一深度范圍內(nèi)所測數(shù)據(jù)和兩點之間的間距,在一定時間后,當(dāng)考察孔測定數(shù)據(jù)小于突出臨界指標(biāo)值時,相應(yīng)兩點之最大間距即為該措施的有效影響半徑,該時間即為該半徑的有效排放時間。
4.1.2.測定工程量
礦井12318分支煤復(fù)采工作面、12采區(qū)-50東一、二回風(fēng)上山及12采區(qū)-50西翼石門、東二下山掏五煤分支巷道和12524機巷、12522機巷等處分別采用鉆孔瓦斯流量法和鉆屑指標(biāo)法測定了超前鉆孔的有效排放半徑和有效排放時間,累計測 定了6次,其中,采用瓦斯流量法測定孔徑42mm超前鉆孔措施3次, 測得有效排放半徑在0.2～0.4m間的1次,在0.3～0.5m間的有2次, 測定孔徑89mm超前鉆孔措施1次,測得有排放半徑在0.8～1.0m 之間;采用鉆屑指標(biāo)法測定孔徑89mm超前鉆孔措施2次,測得有 效排放半徑在0.8～1.0m之間,其有效排放時間均為8小時。
4.1.3.測定結(jié)果
從以上測定可知,孔徑42mm超前鉆孔措施的有效排放半徑可確定為0.3m,有效排放時間在現(xiàn)場均確定為8小時;孔徑89mm超前鉆孔措施的有效排放半徑可確定為0.8m,有效排放時間為8小時。
4.2.測定排放鉆孔措施的有效排放半徑和有效排放時間
4.2.1.測定方法及確定標(biāo)準(zhǔn)
測定排放鉆孔措施的有效排放半徑和有效排放時間主要有兩種方法:一是測定煤層瓦斯壓力法,即在石門工作面選一排放孔，其位置在距預(yù)定位置一定距離打一排相互平行的測壓鉆孔,測定各孔的煤層瓦斯壓力后,在預(yù)定位置打排放鉆孔,打完鉆孔后, 每間隔1小時觀測各測壓孔的壓力變化情況,在一定時間后,當(dāng)某孔瓦斯壓力下降到0.74mpa以下時,則該孔與排放孔間的距離即為該措施的有效排放半徑,該時間即為有效排放時間;二是采用鉆屑指標(biāo)法測定排放鉆孔有效排放半徑和排放時間,其確定標(biāo) 準(zhǔn)是根據(jù)兩個鉆孔同一深度范圍內(nèi)所測數(shù)據(jù)和兩點之間的間距, 在一定時間后,當(dāng)考察孔測定數(shù)據(jù)小于突出臨界指標(biāo)值時,相應(yīng)兩點之最大間距即為該措施的有效影響半徑,該時間即為該半徑的有效排放時間。
4.2.2.測定工程量
礦井在12采區(qū)-50東翼運輸石門和21采區(qū)的-120西翼運輸石門等處對孔徑 89mm的排放鉆孔措施進行了測定,在采用瓦斯壓力測定法時,由于封孔質(zhì)量和其它施工因素影響,測定均末成功。
4.2.3.根據(jù)礦井排放鉆孔措施實施情況,在未現(xiàn)場測定之前, 孔徑89mm的排放鉆孔措施有效排放半徑可參照超前鉆孔措施有效排放半徑0.8m實行,其有效排放時間的選擇,因石門工作面煤體處于原始狀態(tài),且煤層瓦斯賦存條件不同于沿煤巷道,瓦斯放散速度相對較小,其排放時間相對較長,我礦在現(xiàn)場實施孔徑為 89mm排放鉆孔措施的有效排放時間一般為一周。
5防治突出措施參數(shù)測定結(jié)果檢驗
5.1.檢驗方法
采用鉆屑指標(biāo)法對所測定結(jié)果進行了檢驗,具體做法是: 在有突出危險的掘進工作面,打一個孔徑42mm或孔徑89mm的超前鉆孔,孔深8～10米,測定其每米的鉆屑指標(biāo)值,經(jīng)其所測定的有效排放時間后,在距該孔孔距為有效排放半徑的位置,打一個 與之平行的孔徑為42mm的檢驗孔,孔深8～10米,測定其每米的鉆屑指標(biāo)值,若所測指標(biāo)值均降至突出臨界指標(biāo)以下,則證明該措施的排放半徑和排放時間為有效。
5.2.檢驗情況
土朱煤礦在12518工作面和12522、12524工作面采用鉆屑指標(biāo)法對孔徑42mm和孔徑89mm超前鉆孔措施的有效排放半徑和有效排放時間進行了檢驗驗證,經(jīng)檢驗證明,突出煤層煤巷掘進孔徑42mm和孔徑89mm超前鉆孔措施的有效排放半徑分別為0.3米和0.8米,有效排放時間均為8小時是適合土朱煤礦突出煤層特點的。
6安全經(jīng)濟效益
6.1.采取防治突出措施,有效地抑制和減少了突出事故的發(fā)生。
自“四位一體”綜合防突措施在土朱煤礦推廣應(yīng)用以來,在沿煤掘進巷道,除預(yù)測失真一次外，消除了煤與瓦斯突出事故,石門揭煤工作面突出次數(shù)也大幅度減小,對采取了按所確定防治突出措施技術(shù)參數(shù)設(shè)計施工防治突出措施的石門工作面也消滅了突出事故,其安全經(jīng)濟效益明顯。
6.2.正確選用各種防突措施參數(shù)是提高措施安全可靠性的首要條件。
通過對超前鉆孔有效排放半徑和有效排放時間的測定與確定,能夠合理地確定措施孔的數(shù)目和瓦斯排放時間,避免措施施工的盲目性,其安全經(jīng)濟效益是不可估量的。
6.2.1.確定了措施的有效排放半徑,一方面避免了因措施孔數(shù)過少而使瓦斯排放不充分或瓦斯排放范圍不夠,在安全上有了一定的保證,同時避免了措施的重復(fù)施工,降低了勞動強度,提高了工效;另一方面避免了因施工措施孔數(shù)過多而增大了施工的 勞動強度,提高了工效,加快了施工進度。
6.2.2.確定了措施的有效排放時間,一方面避免了因措施的排放時間不足、瓦斯排放不充分而盲目地施工或進行措施效果檢驗,降低了職工的勞動強度,提高了工效,同時保證了安全生產(chǎn);另一方面避免了因排放時間過長而延誤了工期和施工進度,相應(yīng) 地提高了單產(chǎn)單進,加快了掘進速度。
6.3.采取超前鉆孔措施后,有效地防止了煤與瓦斯突出事故,同時,在掘進時瓦斯涌出量小,提高了安全性和成巷速度。
7認(rèn)識與研究
7.1.超前鉆孔措施的作用原理就是在掘進工作面的前方,穿透巷道集中應(yīng)力帶,使鄰近掘進工作面前方的地應(yīng)力和瓦斯壓力都大大降低,即增大工作面前方減壓帶長度,從而使工作面前方壓力梯度降低。這樣,在工作面前方,人為地造成和保持了一個較長的卸壓帶(安全帶),使得突出危險消失。
7.2.超前鉆孔措施具有如下特點:
1).在實施超前鉆孔措施時,在鉆孔的開孔段鉆進時,瓦斯涌出量增加不大,這是因為此段鉆孔尚處于巷道自然卸壓區(qū)內(nèi);隨著鉆進速度的增加,瓦斯涌出量也增加,當(dāng)鉆孔進入應(yīng)力集中帶時, 煤炮劇烈,出現(xiàn)頂鉆、噴瓦斯等現(xiàn)象,瓦斯涌出量迅速上升,這 說明鉆孔使應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生急劇變化。在退鉆過程中,瓦斯涌出量逐漸下降。
2).打鉆過程中,鉆孔瓦斯涌出量由兩部分組成:一是來自打鉆中被破碎的煤體,在打鉆過程中,其所富含的瓦斯絕大部分放散出來了;二是由鉆孔孔壁涌出,這部分瓦斯涌出量的大小取決于鉆孔處的地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔直徑和鉆進速度。
3).在距離鉆孔較近的煤體中,瓦斯放散速度大,而距離鉆孔較遠(yuǎn)的煤體中,由于其透氣性小,瓦斯流動阻力大,瓦斯運動速度顯著地減弱,使得鉆孔的瓦斯涌出量很快地衰減下來,這表明超前鉆孔具有一定的瓦斯排放半徑的特點。
7.3.根據(jù)多年來在煤與瓦斯突出巷道的試驗,實施密集小直徑(42mm)超前鉆孔措施較適應(yīng)土朱煤礦的突出煤層特點,且該措施具有如下優(yōu)點:
1) .打鉆工藝設(shè)備簡單。
2) .施工速度快,時間短。
3) .施工容易,垮孔與卡鉆事故少。
4).施工時安全可靠,打鉆時只需對工作面支護作適當(dāng)?shù)募庸?不需特殊的防護措施即可保證作業(yè)的安全。（特殊地段初次實施時要加安全防護欄對作業(yè)人員進行保護）
7.4.土朱煤礦在采用超前鉆孔(包括排放鉆孔)措施作為一種主要的防治突出技術(shù)措施時,建議:
1).根據(jù)土朱煤礦突出煤層特點,尤其是五煤層和五煤層的底板構(gòu)造分岔煤層,極破碎,透氣性差的粉末煤,在實施措施時,易垮孔而影響瓦斯排放效果,因此,不適宜采用大直徑鉆孔。
2).采用中孔徑(孔徑89mm)超前鉆孔(或排放鉆孔)措施和密集小直徑(孔徑42mm)鉆孔措施時,必須嚴(yán)格按其有效排放半徑進行設(shè)計布孔。鉆孔的控制范圍:沿煤巷道應(yīng)包括巷道斷面和巷道輪廓線外頂部2～4米、兩幫及巷底2米的范圍;石門工作面應(yīng)包括巷道斷面和巷道輪廓線外頂部不小于6米、兩側(cè)和底部3～5米的范圍。
3).鉆孔應(yīng)布置在煤質(zhì)松軟的軟分層中。
4).措施孔設(shè)計必須依據(jù)于煤層的賦存條件,當(dāng)煤層賦存條件發(fā)生變化時,鉆孔數(shù)也應(yīng)隨之增減。
5).實施超前鉆孔措施時,鉆孔長度一般不得小于10米,鉆 孔超前于掘進工作面的距離不得小于5米。
6).在實施了超前鉆孔(排放鉆孔)措施后,還必須對措施進行效果檢驗,只有經(jīng)檢驗措施有效后,方可在安全防護措施下進行掘進或回采。
8結(jié)論
8.1.采用中孔徑(孔徑89mm)超前鉆孔(排放鉆孔)措施和密集 小直徑(孔徑42mm)鉆孔措施是適合土朱煤礦突出煤層特點的,行之有效的一種主要的防治突出技術(shù)措施。
8.2.中孔徑(孔徑89mm)超前鉆孔措施的有效排放半徑可確定為0.8米,其有效排放時間為8～12小時;密集小直徑(孔徑42mm)鉆孔措施的有效排放半徑可確定為0.3米,其有效排放時間確定為16小時。
8.3.中孔徑(孔徑89mm)排放鉆孔措施的有效排放半徑未能得以直接測定,目前可參照中孔徑(孔徑89mm)超前鉆孔措施的有效排放半徑0.8米執(zhí)行。因石門工作面煤層瓦斯賦存條件不同于沿煤巷道,煤層瓦斯處于封閉狀態(tài),瓦斯放散速度相對較慢,瓦斯排放時間相對較長,因此,排放鉆孔措施的有效排放時間有待于我們繼續(xù)去考察、摸索。
8.4.以上超前鉆孔措施有效排放半徑和有效排放時間的確定, 還必須根據(jù)井下不同的地質(zhì)條件加以考證,在生產(chǎn)實踐中不斷地 得到補充與完善。
8.5.隨著礦井開采深度的增加、科學(xué)技術(shù)的不斷進步,土朱煤礦采取的局部防突措施還將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷地改進與更新,局部瓦斯抽放技術(shù)的大力推廣與應(yīng)用是目前前景看好的一種很好的途徑。土朱煤礦在局部瓦斯抽放方面已有了一定的經(jīng)驗，是今后防突安全技術(shù)發(fā)展的方向。