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严重煤瓦斯突出矿井近煤岩巷底鼓治理及原因分析
严重煤与瓦斯突出矿井近煤岩巷底鼓治理及原因分析 摘 要:孟津煤矿煤层埋藏深,瓦斯压力大,瓦斯含量高,属严重煤 与瓦斯突出矿井。 针对-322 水平西翼轨道运输大巷近煤掘进期间严 重底鼓及瓦斯涌出等现象,通过采用钻孔卸压及注浆加固技术对巷 道底鼓进行处理,实现了煤与瓦斯严重突出矿井近煤岩巷底鼓及瓦 斯涌出的成功治理,提供了特定地质条件下严重煤与瓦斯突出矿井 巷道近煤掘进底鼓治理的经验。 关键词:煤与瓦斯突出 中图分类号:td713 钻孔卸压 注浆加固 底鼓 文献标识码:a 文章编
号:11)12(b)- 矿井概况 孟津煤矿为义马煤业集团有限责任公司在建矿井。矿井位于河南 省孟津县横水镇境内,东距孟津县城 15km,南距新安县城 27km。井 田走向长度 7km,倾斜宽 5.7～10km,面积 57.52km2。孟津煤矿设计 生产能力 120 万 t/a,主采二迭系山西组二 1 煤层,煤层厚度 0～9.1m, 平均 2.24m,属较稳定煤层。煤层结构较简单,局部夹矸 1～2 层,煤 层厚度具有短距离内急剧变化的特点。煤层倾角 5°～10°。孟津 煤矿煤层埋藏深(650～1000m),瓦斯压力大(3.1mpa),瓦斯含量高 (13.94m3/t),为严重煤与瓦斯突出矿井。 2 巷道底鼓现象 -322 水平西翼轨道运输大巷掘进至测点 xg6 点附近时,扒矸机扒岩 时底板发生断裂(并伴随有沉闷的断裂声),回风流瓦斯快速上升。
大巷正头往后 8m 开始距巷道左帮 1.3m 处底板开裂,巷道迅速鼓起, 最大达到 400mm 落差,裂隙宽度约 80～20mm,裂隙往后开展有 18m, 末端消失于巷道左帮。裂隙瓦斯含量高达 4%～5%,裂缝内部瓦斯含 量最高达到 9%,回风流瓦斯含量达到了 0.35%。 3 原因分析 -322 水平西翼轨道运输大巷设计断面形状为半圆拱形,净断面积 18m2,净宽 4.8m,净高 4.27m,巷道布置在二 1 煤层顶板中粒砂岩(平 均厚度 17m)中,大巷曾经在掘进 530m 后为避开二 1 煤层往南偏移了 35m,使底板岩柱增加到 5.5m,但掘进至测点 xg6 点附近时巷道底板 发生断裂并伴随有回风流瓦斯异常等现象。轨道大巷支护形式采用 锚网喷。其间无巷道,未受过采动影响,应视为原岩应力场。经过现 场观察从巷道断面揭露岩层可直观显示该段岩层倾向节理发育,在 4m 高的巷道断面上近水平分布 20 多组,厚度为 50～500mm 不等,多 数中间夹有碳质泥岩,在后期拉底打眼中还发现底板 500mm 一下有 明显空洞,瓦斯含量高。通过煤层等高线及前期施工的层位钻资料 显示,二 1 煤层在此区域是一个背斜,该段正处于二 1 煤层上升阶 段。 经过现场观察分析论证该段巷道底鼓原因主要有以下几点: (1)该段巷道所处岩体倾向节理发育,底板围岩整体强度降低,在 打钻、放炮及扒岩等采动影响下造成围岩应力传播。 (2)二 1 煤层属严重煤与瓦斯突出煤层,瓦斯压力大,瓦斯含量高, 巷道底板围岩裂隙与煤层有联通,在瓦斯压力作用下巷道底板受张
拉,并且岩层节理之间被瓦斯充填围岩自承能力进一步削减。 (3)该段巷道处于背斜接近于顶部,在构造应力作用下,岩体受张 拉,岩质松软。 在以上各种原因的共同作用下巷道底板中间受张拉两侧受剪切, 并使底板围岩断裂并沿巷道方向开展,造成巷道底鼓及瓦斯涌出现 象发生。 4 治理方法 结合巷道地质条件借鉴以往经验并加以改进,对巷道底鼓进行处 理。 (1)钻孔卸压。针对二
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远距离放炮时，回风系统的采掘工作面及其他有人作业的地点，都必须停电撤人，爆破后进入工作面检查的时间由矿技术负责人根据情况确定，但不得少于30min。
石门揭煤采用远距离爆破时，必须制定包括爆破地点、避灾路线及停电、撤人和警戒范围等的专项措施。
在矿井尚未构成全风压通风的建井初期，在石门揭穿有突出危险煤层的全部作业过程中，由于揭煤工作面未构成独立可靠畅通的回风系统，为避免突出的煤（岩）、瓦斯波及其他区域，与此石门有关的其他工作面都必须停止工作。在实施揭穿突出煤层的远距离爆破时，井下全部人员必须撤至地面，井下全部断电，立井口附近地面20m范围内或斜井口前方50m、两侧20m范围内严禁有任何火源，以免突出引起的瓦斯逆流遇火源发生瓦斯爆炸或燃烧事故。
远距离爆破必须和其他安全设施配合使用，如反向风门、避难硐室、压风自救装置、压缩氧自救器等。
②、工作面避难所
由于目前突出现象我们还未百分之百的把握清楚，为了防止“意外”突出伤人，防突规定要求突出煤层的采掘工作面应设置工作面避难所，以确保工作人员的安全。
由于工作面避难所内设有供给空气设施，且购筑坚固，采掘工作面现场工作人员或爆破工在其中是安全的，故在采掘工作面附近和爆破地点应设置避难所。工作面避难所的主要问题是与突出地点的距离如何取，根据我国石门揭开煤层时的突出统计资料，煤抛出的最大距离为1170m(天府矿务局三汇一矿揭开 K1煤层时)，而大多数特大型突出，煤的抛出距离均在200m以内。从开始出现明显的预兆到发生突出之间的最短时间间隔一般为2～3min。在此期间内，如果人员以9km/h的速度快跑的话，能跑出300～450m的距离。所以为有效发挥工作面避难所的作用，掘进距离超过500m的巷道必须设置工作面避难所。避难所距采掘工作面的距离及避难所的数量，根据具体条件确定。但工作面避难所必须满足工作面最多作业人数时的避难要求。
避难所是供采掘工作面现场工作人员在井下遇到事故无法撤退躲避待救的设施，分永久避难所和临时避难所两种。永久避难所事先构筑在井底车场附近、采掘工作面附近或发爆地点。临时避难所是利用可利用的独头巷道、硐室临时修建的。临时避难所的设置应机动灵活，修筑方便。如果正确使用，临时避难所往往能发挥很好的救护作用。
为保障采区内工作人员的安全，有突出煤层的采区必须设置采区避难硐室。采区避难硐室为预先设置的永久避难硐室，设于采区进风侧安全出口路线上，具体位置根据实际情况定。
③、防突风门（反向风门）
反向风门是防止突出时瓦斯逆流进入风道而设置的通风设施；目前我国反向风门有普通木质反向风门和液压反向风门（钢质薄壳门反向风门）两种形式。普通木质反向风门由墙垛、门框、风门和安设在穿过墙垛铁风筒中的防逆流装置组成。液压反向风门是钢结构的反向风门，是由平面支撑圆拱形钢结构风门和液压泵两部分组成，每组风门只安设一道。目前我矿采用的防突风门就属于普通木质反向风门。
在突出煤层的石门揭煤和煤巷掘进工作面进风侧，必须设置至少2道牢固可靠的反向风门。风门之间的距离不得小于4m。
反向风门距工作面的距离和反向风门的组数，应当根据掘进工作面的通风系统和预计的突出强度确定，但反向风门距工作面回风巷不得小于10m，与工作面的最近距离一般不得小于70m，如小于70m时应设置至少三道反向风门。
反向风门墙垛可用砖、料石或混凝土砌筑，嵌入巷道周边岩石的深度可根据岩石的性质确定，但不得小于0.2m；墙垛厚度不得小于0.8m。在煤巷构筑反向风门时，风门墙体四周必须掏槽，掏槽深度见硬帮硬底后再进入实体煤不小于0.5m。通过反向风门墙垛的风筒、水沟、刮板输送机道等，必须设有逆向隔断装置。
人员进入工作面时必须把反向风门打开、顶牢。工作面放炮和无人时，反向风门必须关闭。
④、压风自救系统
突出煤层的采掘工作面应设置压风自救系统，压风自救系统（装置）是一种固定在生产场所附近的固定自救装置，它的气源来自于生产动力系统、压缩空气管路系统，主要保障现场工作人员遇到事故时供给空气，防止出现窒息事故。由于目前突出现象我们还未百分之百的把握清楚，所以为了防止“意外”突出伤人，要求突出煤层的采掘工作面应设置工作面避难所或压风自救系统，以确保工作人员的安全。
由于压缩空气管路系统管路内的压缩空气具有较高的压力和流量，不能直接用于呼吸，必须经过减压、节流使其达到适宜人体呼吸的压力和流量值，并要同时解决消声(由于减压引起)和空气净化问题。通过可调式气流阀调节节流面积，以适应不同供风压力下的流量要求，按健康人在静止状态吸气20L／min，在剧烈运动和紧张状态下吸气60～80L／min的标准，确定压风自救装置的供风量应不小于100L/min。
为有效发挥压风自救装置的作用，保障现场工作人员安全，距采掘工作面25～40m的巷道内、爆破地点、撤离人员与警戒人员所在的位置以及回风道有人作业处等都必须安设压风自救装置。
在长距离掘进煤巷中，应根据实际情况增加设置，但必须满足工作面最多作业人数时的避难要求，一般可每隔50m设置一组压风自救装置。每组压风自救装置可供5～6个人使用，平均每人的压缩空气供给量不得少于0.1m3/min。装置通过支管、四通、球阀与压风管路相连。
压风自救系统应当达到下列要求：
（一）压风自救装置安装在掘进工作面巷道和回采工作面巷道内的压缩空气管道上；
（二）在以下每个地点都应至少设置一组压风自救装置：距采掘工作面25～40m的巷道内、放炮地点、撤离人员与警戒人员所在的位置以及回风道有人作业处等。在长距离的掘进巷道中，应根据实际情况增加设置；
（三）每组压风自救装置应可供5～6个人使用，平均每人的压缩空气供给量不得少于0.1m3/min。
三、鹤壁矿区煤与瓦斯突出现状：
鹤煤公司现有生产矿井井下开采条件差，瓦斯涌出量大，其中二矿为高瓦斯矿井，三、四、五、六、八、九、十矿为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯涌出量高达27.3m3/min,瓦斯压力0.73 ~ 2.13MPa，自建局以来，在煤矿开采过程中，先后共发生突出65次，其中我矿发生突出7次，五矿发生突出5次，六矿发生突出34次，八矿发生突出9次，九矿发生突出1次，十矿发生突出9次。最大突出煤量285.5吨，是在日发生在我矿221岩石回风上山-155m标高处。矿区内二1煤层的始突深度为340m，日发生在六矿139下顺槽-190 m 标高处。
四、鹤壁矿区煤与瓦斯突出规律：
㈠以突出为主，压出和倾出为辅，在所发生的65次突出中，45次为典型突出，10次压出，10次倾出，
㈡中小型突出居多，中型突出22次，小型突出43次，占65.5%，因此，鹤壁矿区以小型突出为主。
㈢突出多发生在掘进工作面，横川揭煤14次，煤上山7次，煤下山1次，煤巷掘进工作面43次。4、大多数突出有预兆，预兆包括：构造软煤加厚、倾角变陡、连续响煤炮、瓦斯涌出异常、打钻喷孔、钻杆温度变凉和顶板掉渣等预兆。
㈣大多数突出有预兆，预兆包括：构造软煤加厚、倾角变陡、连续响煤炮、瓦斯涌出异常、打钻喷孔、钻杆温度变凉和顶板掉渣等预兆。
㈤大多数突出是由于放炮诱导的，65次突出中有46次是放炮诱导，占71%；突出多发生在地质构造带，65次突出中，有57次突出发生在地质构造带；突出点附近的煤层具有较高的瓦斯涌出量。
五、中泰矿业煤与瓦斯突出概况
1、自鹤煤建局以来，在煤矿开采过程中，先后共发生突出65次，其中我矿发生突出7次。最大突出煤量285.5吨，是在日发生在我矿221岩石回风上山-155m标高处，矿区内二1煤层的始突深度为340m。
2、1987年以来，我矿瓦斯等级鉴定均为高瓦斯矿井。2006年10月经河南理工大学煤矿安全工程技术研究中心鉴定，我矿瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井。
3、中泰矿业煤与瓦斯突出区域划分：2007年5月我矿于河南理工大学煤矿安全工程技术研究中心合作，对矿井进行了煤与瓦斯突出区域预测，并提交了《中泰矿业有限公司煤与瓦斯突出区域预测研究报告》。其报告结论：根据勘探资料、生产实际揭露资料及四矿突出特征，综合考虑煤层瓦斯含量、构造软煤的区域分布规律及其控制条件，同时参考开采深度和实际开采过程中的突出预测参数和瓦斯涌出情况，对四矿进行了突出区域预测，划分出鹤壁四矿突出危险区、突出威胁区和无突出危险区。根据地质构造首先将四矿深部未采区划分为6个瓦斯地质单元：①2F022断层以深区域；②红11和2F022断层之间的25采区；③F015和红11断层之间的33采区；④4F46断层和F015断层之间的31采区；⑤红5断层和4F46断层之间的21采区；⑥边界F7断层以下和红5断层之间的区域。突出危险区划分为：第1个地质单元-450m以下区域，第3个地质单元-360m以下区域，第4个瓦斯地质单元-340m以下区域，第5、6地质单元-320m以下区域；目前开采的33、31、21采区工作面部分处于突出危险区内。突出威胁区划分为：第1地质单元-390m~-450m之间区域，第2地质单元-300m以深区域，第3地质单元-260m~-360m之间区域，第4地质单元-260m~-340m之间区域，第5、6地质单元-260m~-320m之间区域。其余地区为无突出危险区。
4、我矿于2012年3月，根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，在河南理工大学煤矿安全工程技术研究中心2007年5月提交的《中泰矿业有限公司煤与瓦斯突出区域预测研究报告》基础上，根据我矿目前实际生产情况对我矿煤与瓦斯突出区域进行划分，划分出矿井突出危险区和无突出危险区。根据地质构造首先将矿井深部未采区划分为6个瓦斯地质单元：①2F022断层以深区域；②红11和2F022断层之间的25采区；③F015和红11断层之间的33采区；④4F46断层和F015断层之间的31采区；⑤红5断层和4F46断层之间的21采区；⑥边界F7断层以下和红5断层之间的区域。突出危险区划分为：第1个地质单元-390m以深区域，第2地质单元-300m以深地区，第3个地质单元-260m以深区域，第4、5、6个瓦斯地质单元-260m以深区域。其余地区为无突出危险区。
5、我矿煤巷掘进工作面主要采取的区域防突措施有穿岩钻孔预抽煤巷条带瓦斯措施，区域验证超限后主要采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯措施；采煤工作面主要采用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯措施。
6、根据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十二条规定，我矿区域效果检验方法采用直接测定煤层残余瓦斯含量值为主要指标，并观察、记录在煤层中进行钻孔等作业时有无突出预兆。
⑴煤层残余瓦斯含量指标临界值的确定：依据《煤矿瓦斯抽采指标》和《防治煤与瓦斯突出规定》第五十三条规定，确定8m3/t。经直接测定煤层残余瓦斯含量小于8m3/t的预抽区域为无突出危险，工作面为无突出危险工作面；否则，此测试点周围半径100米范围内的预抽区域判定为预抽煤层瓦斯防突措施无效，即该区域有突出危险，工作面为突出危险工作面。
⑵若检验期间在煤层中进行钻进作业时发现了喷孔、顶钻及其它明显突出预兆时，发生明显突出预兆的位置周围半径100米范围内的预抽区域判定为预抽煤层瓦斯防突措施效果无效，即该区域仍有突出危险，工作面为突出危险工作面。
7、依据《防治煤与瓦斯突出规定》第五十七条之规定，我矿采掘工作面区域验证方法采用复合指标法，测定钻孔瓦斯涌出初速度（q）和钻屑量指标（S）。
⑴预测步骤要求：钻孔每钻进1米收集并测定该1米段的全部钻屑量S，在钻孔钻进至2米后，每钻进1米，在暂停钻进后2分钟内测定钻孔瓦斯涌出初速度q。测定钻孔瓦斯涌出初速度时，测量室的长度为1.0米。
⑵突出危险性的指标临界值：钻孔瓦斯涌出初速度q临界值4.5L/min；钻屑量S临界值6Kg·m-1。
8、我矿采用的主要安全防护措施有：避难所、防突风门、压风自救、远距离爆破、防突栅栏。
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防止煤与瓦斯突出事故的措施
　　防止煤与瓦斯突出的
　　1.突出煤层严禁采用放顶煤采煤法、水力采煤法、非正规采煤法采煤，突出煤层的采掘工作面严禁使用风镐落煤。
　　2.在同一突出煤层的同一区段的集中应力影响范围内，不得布置两个工作面相向开采或掘进。
　　3.在突出煤层顶底板掘进岩巷时，必须定期验证地质资料，及时掌握施工动态和危岩变化情况，防止误穿突出煤层。
　　4.有突出危险的采掘工作面爆破落煤前，所有不装药的眼孔都应用不燃性材料充填，充填深度不小于爆破孔深度的1.5倍。
　　5.对于有突出危险煤层，应采取开采解放层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出。
　　6.在急倾斜突出煤层中采用双上山掘进时，2个上山之间应开联络巷，联络巷间距不得大于10m，上山与联络巷只准1个工作面作业。突出煤层上山掘进工作面采用爆破作业时，应采取深度不大于1.0m的炮眼远距离全断面一次爆破。
　　7.有突出危险的采掘工作面爆破前，必须加强采掘工作面的支护，背帮接顶。
　　8.采用震动性爆破必须遵循前述的相关规定。
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