煤巷掘進(jìn)防治突出超前鉆孔(8)

1、2、煤巷掘進(jìn)防治突出措施、煤巷掘進(jìn)防治突出措施(1)、超前排放鉆孔、超前排放鉆孔 概述概述目前使用的超前排放鉆孔孔直徑多為42120mm,超過120mm的因打鉆時(shí)容易誘發(fā)突出,而較少使用,只用在特殊的擴(kuò)孔方法例如水力沖孔、水力擴(kuò)孔時(shí)才使用.從理論與實(shí)踐過程中,人們認(rèn)識(shí)到大直徑的鉆孔其排放瓦斯與卸壓范圍都要比小孔徑鉆孔好得多,但問題是突出的機(jī)率也要高得多,從目前所掌握的資料, 42(包括42)以上的各種鉆孔都發(fā)生過突出,因此在沒有任何安全措施的保護(hù)下,進(jìn)行打鉆是有危險(xiǎn)的.另外還要提醒一下,措施執(zhí)行完以后,必須進(jìn)行措施效果檢驗(yàn),只有措施檢驗(yàn)有效后方能用安全措施施工.超前排放鉆孔是突出礦井使用最多的

2、防治突出措施,它不僅應(yīng)用于各類煤巷、也用于石門揭穿煤層和采煤工作面.其良好的防治突出效果為人們所公認(rèn)。但在大直徑超前鉆孔周圍布置鉆孔或擴(kuò)孔時(shí)也會(huì)出現(xiàn)突出現(xiàn)象，這使人們感到十分困解，因而對(duì)超前排放鉆孔的防治突出的效果提出質(zhì)疑,是不是超前排放鉆孔在有些突出煤層并不適用。要想弄清楚此問題,首先要知道鉆孔影響半徑與有效影響半徑的的關(guān)系。超前鉆孔防治煤與瓦斯突出一般認(rèn)為有兩種作用；一是鉆孔在煤層中成孔后，一是鉆孔在煤層中成孔后，靠近孔壁周圍的煤體，在地應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)變形（膨脹變形），使靠近孔壁周圍的煤體，在地應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)變形（膨脹變形），使靠近孔壁周圍煤體中形成一定范圍的卸壓區(qū)

3、靠近孔壁周圍煤體中形成一定范圍的卸壓區(qū) ，這就是人們通稱的鉆孔卸壓作用。，這就是人們通稱的鉆孔卸壓作用。該區(qū)的范圍較小，一旦孔壁附近應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到平衡穩(wěn)定后，該卸壓范圍就不會(huì)再該區(qū)的范圍較小，一旦孔壁附近應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到平衡穩(wěn)定后，該卸壓范圍就不會(huì)再繼續(xù)擴(kuò)大，因此可以認(rèn)為，應(yīng)力形成的超前鉆孔影響半徑（卸壓區(qū)范圍）與時(shí)間繼續(xù)擴(kuò)大，因此可以認(rèn)為，應(yīng)力形成的超前鉆孔影響半徑（卸壓區(qū)范圍）與時(shí)間并沒有明顯的關(guān)系。二是由排放瓦斯作用所形成影響半徑和有效影響半徑。并沒有明顯的關(guān)系。二是由排放瓦斯作用所形成影響半徑和有效影響半徑。續(xù)前鉆孔在煤層中成孔后，孔壁周圍的煤體中的游離瓦斯在瓦斯壓力梯度的作用下，首先開始流

4、動(dòng)，經(jīng)鉆孔排入巷道中；游離瓦斯的涌出，使靠近孔壁周圍煤體中的瓦斯壓力下降，導(dǎo)致煤層中吸附瓦斯發(fā)生解吸作用，吸附成為游離瓦斯并參與流動(dòng)，而這種瓦斯流動(dòng)與解吸過程在鉆孔周圍不間斷地的進(jìn)行著，且其范圍就隨時(shí)間地增長而不斷地?cái)U(kuò)大，直到瓦斯壓力梯度接近或不能克服其流動(dòng)阻力時(shí)為止。其能擴(kuò)大到的最大范圍叫鉆孔影響半徑，但在此影響半徑內(nèi)，并不是所有的地點(diǎn)都消除煤層的突出危險(xiǎn)性，其中還有很大一部分煤層的瓦斯壓力并沒有下降到不發(fā)生煤與瓦斯突出時(shí)的安全范圍內(nèi)（我國規(guī)定為0.74Mpa）,只有在煤層瓦斯壓力小于0.74Mpa范圍內(nèi)煤層才不會(huì)發(fā)生突出，此范圍稱為超前排放鉆孔的有效影響半徑。顯然有效影響半徑它與時(shí)間有密切

5、的關(guān)系且小于排放影響半徑。 鉆孔的有效影響半徑與布孔鉆孔的有效影響半徑與布孔使用超前排放（卸壓）鉆孔一般孔徑不大于0.3m,所以其卸壓影響半徑一般都不很大，且小于排放瓦斯有效影響半徑。在鉆孔形成的卸壓范圍內(nèi)，由于應(yīng)力降低，煤體發(fā)生膨脹變形，透氣性也會(huì)增加，必然比較容易排除一部分煤體中的瓦斯。但在沒有卸壓的煤體中雖然煤體透氣性較小，但同樣也能排除一部分煤體的瓦斯，所以鉆孔瓦斯有效排放半徑一般要大于卸壓有效影響半徑。鉆孔應(yīng)力卸壓有效影響半徑到目前還沒有可供現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的測定方法，僅從2001年淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和煤炭科學(xué)研究院重慶分院共同提出的“淮南礦區(qū)突出煤層消除突出危險(xiǎn)綜合治理技術(shù)研

6、究報(bào)告”中，對(duì)卸壓鉆孔的卸壓范圍進(jìn)行了理論探討與計(jì)算，得出淮南淮南C13C13煤層其煤層其塑性破壞區(qū)（卸壓區(qū)）的直徑為鉆孔直徑的塑性破壞區(qū)（卸壓區(qū)）的直徑為鉆孔直徑的3 3。2626倍。倍。報(bào)告指出在鉆孔周圍的塑性變形區(qū)內(nèi)可以消除突出，可以作為鉆孔卸壓的有效影響半徑 續(xù)前鉆孔的有效影響半徑都是指在鉆孔排放瓦斯的作用下，再規(guī)定地時(shí)間內(nèi)，能夠消除鉆孔周圍煤與瓦斯突出的范圍。鉆孔的排放有效影響半徑可用打排放鉆孔前、后測量出的煤層中的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出初速度（q）及K1等指標(biāo)的變化趨勢，或借助于突出時(shí)的臨界指標(biāo)值進(jìn)行判斷得出。突出礦井一般都要進(jìn)行各種直徑鉆孔的排放有效影響半徑測定，得出符合本礦的適

7、用數(shù)據(jù)。而影響半徑則指在排放鉆孔周圍能夠受到的影響的范圍，其數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔排放有效影響半徑。鉆孔的排放有效影響半徑和影響半徑.一般認(rèn)為都隨鉆孔孔徑的增大、隨排放時(shí)間的加長而增大，看起來似乎合乎規(guī)律。但從理論與實(shí)踐都證明上述觀點(diǎn)需要加以修正，即它們之間并不是直線關(guān)系,而是二次曲線關(guān)系。換句話說在某一區(qū)段內(nèi)，鉆孔影響半徑（鉆孔有效影響半徑）是隨鉆孔直徑加大或排放時(shí)間的增長呈直線關(guān)系,超出此區(qū)段則呈非直線關(guān)系，隨鉆孔直徑增加或排放時(shí)間加長呈二次曲線關(guān)系，有效影響半徑與影響半徑趨向于穩(wěn)定且出現(xiàn)的極大值。例如： 紅衛(wèi)煤礦對(duì)煤道周邊的瓦斯壓力分布進(jìn)行考查 (巷道可以視為一大直徑排放鉆孔).其測定結(jié)果如

8、圖 所示. 紅衛(wèi)煤礦巷道周圍煤層瓦斯壓力分布圖 續(xù)前靠近煤壁的煤層中的瓦斯壓力與排放時(shí)間有關(guān),暴露的時(shí)間越短,近煤壁的瓦斯壓力就越高,隨著排放(或暴露)的時(shí)間加長,其排放影響半徑也逐漸加大,但不成直線關(guān)系,到一定時(shí)間就會(huì)處于平衡狀態(tài).例如圖4-12-2-2中,排放了50個(gè)月后距煤壁4m處的瓦斯壓力為0.4Mpa,而距煤壁的距離2m僅排放了4天，煤層瓦斯壓力同樣也為0.4 Mpa。也就是說經(jīng)過將近四年左右的排放,排放半徑僅擴(kuò)大了2m。隨著排放時(shí)間的延長，排放影響半徑的擴(kuò)展速度發(fā)展是非常緩慢的。鉆孔的排放半徑與煤層的透氣性有關(guān)。突出煤層的透氣性系數(shù)一般都很低,排放瓦困難,容易形成高的瓦斯壓力梯度,

9、引起煤與瓦斯突出。這種觀點(diǎn),經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐也證明了這點(diǎn). 紅衛(wèi)煤礦煤層的透氣性系數(shù)約為0.004735m2/Mpa2*d.是個(gè)煤與瓦斯突出嚴(yán)重的礦井。但撫順龍鳳礦煤層的透氣性系數(shù)極好,透氣性系數(shù)為140151m2/Mpa2*d,要比紅衛(wèi)礦的透氣性幾乎大3萬倍,其鉆孔排放影響范圍也要比紅衛(wèi)大的多,突出也鮮有發(fā)生。但煤層的透氣性與影響半徑的關(guān)系也不是呈正比關(guān)系. 龍鳳礦煤層瓦斯壓力隨排放時(shí)間變化見圖龍鳳礦煤層瓦斯壓力隨排放時(shí)間變化圖 說明從圖4-12-2-3中我們不難看出鉆孔的排放影響范圍也是有極大值的,龍鳳礦最大排放影響半徑為230m,要比紅衛(wèi)最大排放影響半徑(4m)大57.5倍.從有效影響半徑來看

10、，紅衛(wèi)突出時(shí)的臨界壓力值為0.4Mpa,其最大排放有效影響半徑為4m,如龍鳳礦用0.74 Mpa作為突出時(shí)的臨界壓力值，經(jīng)過8個(gè)月的抽放，其最大抽放有效影響半徑為130m,考慮到抽放的影響，估計(jì)其排放時(shí)的最大排放有效影響半徑至少為65m。龍鳳礦鉆孔最大瓦斯排放有效影響半徑要比紅衛(wèi)大15倍。由此看來，龍鳳礦在工作面前方不會(huì)造成高瓦斯壓力梯度，因而煤與瓦斯突出現(xiàn)象在該礦應(yīng)該是極少或沒有的。事實(shí)上也是如此。從上述分析,鉆孔或巷道其排放半徑或有效影響半徑的大小與煤層的透氣性有關(guān)。一般突出煤層的透氣性小于10m2/Mpa2*d,屬于難以抽放的煤層.其鉆孔的排放有效影響范圍不是很大的。鉆孔的排放有效影響半

11、徑一般都要經(jīng)過實(shí)測得出,但各突出礦井實(shí)測結(jié)果相差值并不很大, 在孔徑不大于0.3m時(shí).約為鉆孔直徑的45倍，以松藻礦務(wù)局為例,其各種直徑的排放有效影響半徑實(shí)測結(jié)果見表松藻煤電有限責(zé)任公司部分礦井鉆孔排放有效影響半徑考察結(jié)果表說明松藻礦煤層的透氣性為0.013m2/Mpa2*d. 紅衛(wèi)煤礦測試煤層的透氣性系數(shù)為.004735m2/Mpa2*d.應(yīng)該說松藻大于紅衛(wèi),但差值不算太大從上表看出，隨著鉆孔直徑的增加,而鉆孔排放有效影響半徑并不呈直線比例增加.因而盲目的加大鉆孔直徑以增強(qiáng)防止突出地效果將將事與愿違,不但不能增強(qiáng)防治突出效果，且增加了打鉆時(shí)的不安全因素.我門將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，可以發(fā)現(xiàn)鉆

12、孔直徑與有效影響半徑不呈直線比例得關(guān)系。假設(shè)排放有效影響范圍從鉆孔壁算起,并且排放影響范圍有一個(gè)極限值時(shí),可將表制成圖并得出經(jīng)驗(yàn)公式如下： 松藻礦務(wù)局鉆孔排放有效影響半徑與鉆孔直徑關(guān)系公式采用的經(jīng)驗(yàn)公式類型為式中:r-鉆孔直徑,m;R-有效影響半徑（從鉆孔壁算起）, m;a,b為常數(shù),將松藻的數(shù)據(jù)整理后得出說明鉆孔排放有效影響半徑各礦的實(shí)測值相差很大，追究其原因，除煤層的透氣性因素影響外，測定與操作方法不同也是主要影響因素之一。因此各礦的鉆孔排放有效影響半徑應(yīng)以實(shí)測為主?，F(xiàn)將全國部分礦井實(shí)測數(shù)據(jù)制成圖 全國部分礦井鉆孔排放有效影響灰色點(diǎn)為曲線1的數(shù)據(jù)，黑點(diǎn)為直線2的數(shù)據(jù)由圖中可以看出多數(shù)測定是

13、符合直線1的規(guī)律。 事例在生產(chǎn)實(shí)踐中有些事例也間接地表明鉆孔有效影響半徑不是隨鉆孔直徑加大而增大，也不隨排放時(shí)間的延長而無限擴(kuò)展。下面用松藻的兩次大直徑鉆孔突出說明此問題。1 1、 事例一情況介紹事例一情況介紹1998年8月21日在松藻礦務(wù)局打通二礦N2702E回風(fēng)立眼8#煤層打直徑42mm超前排放鉆孔時(shí)，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。突出煤炭346t，瓦斯33530m3。此處埋深295525m，煤層傾角510度，煤層厚度01.4m，平均0.8m。瓦斯壓力3.25Mpa，瓦斯含量34m3/t。該回風(fēng)立眼1996年7月用天井鉆機(jī)施工，直徑1m，長54m。根據(jù)生產(chǎn)需要，于1998年（鉆孔打完兩年后）決定將

14、立眼直徑刷大到2m。8月4日開始由下向上刷大。8月11日刷到距8#煤層底板1.5m處停止。由于由下向上過8#突出煤層在吊盤內(nèi)施工各種防突鉆孔難以施工，故改為由上向下刷大。8月20日刷到進(jìn)入8#煤層時(shí)并未發(fā)生突出，但煤炭松碎，垮落嚴(yán)重。8月21日夜班，在立眼周邊8#煤層內(nèi)打直徑42mm，深4m預(yù)測孔8個(gè)，見圖。其中1#、7#、8#三個(gè)孔2m后噴孔(噴出距離為0.3-1m，此時(shí)距大直徑鉆孔壁2m,距鉆孔中心2.5m)，測得K1值為0.74-0.76，S值5.4-6.8Kg/m。據(jù)此判斷本工作面為突出危險(xiǎn)工作面。8月21日早班在預(yù)測超標(biāo)部位布置17個(gè)直徑42mm的排放鉆孔，其中13個(gè)孔為2m，4個(gè)孔

15、為4m，中班，施工人員將深2m的鉆孔加深到4m，在加深42mm鉆孔過程中發(fā)生煤與瓦斯突出。詳見預(yù)測、排放孔竣工圖4-12-2-6、事故現(xiàn)場示意圖、突出空洞見圖。預(yù)測、排放孔竣工圖 事故現(xiàn)場示意圖 突出孔洞圖 突出事故技術(shù)分析2. 2. 技術(shù)分析技術(shù)分析從預(yù)測指標(biāo)可以看出,孔深4m處(距鉆孔中心位置5m)的測得K1值為0.74-0.76,( 將K1值0.74-0.76的均用灰分、水分加以校正后K1=0.9375)，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)為f0.2,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算K1=APminB 式中：Pmin煤層突出時(shí)所需的最小瓦斯壓力，Mpa；A、B系數(shù)，一般經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得，亦可按下列公式確定：A=3.352

16、e-2.953f B=1.1736e-0.864f f 煤的最小堅(jiān)固性系數(shù) 將f=0.2代入A=1.857, B=0.987將K1值0.9375的均值代入上式, ,則P為0.5226Mpa,煤層中的瓦斯壓力超過了按f=0.2計(jì)算出的最小突出壓力0.44 Mpa接前頁從實(shí)測的K1指標(biāo)判斷,證實(shí)了在距鉆孔中心2.5m處，已是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的地段.即1m大直徑鉆孔的有效影響半徑經(jīng)2年的排放后不足2.5m（由鉆孔中心算起）。另外用鉆孔直徑與有效排放半徑的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算從公式計(jì)算得出為有效影響范圍1.785m.距鉆孔中心2.2325 m.大于此值時(shí)，就進(jìn)入突出危險(xiǎn)區(qū)。從上述兩種計(jì)算方法得出的結(jié)論是一致的

17、,即1m的大直徑排放鉆孔，經(jīng)長時(shí)間的排放,其有效排放半徑是不大的約1.7m左右（從鉆孔壁算起）,這紅衛(wèi)礦巷道煤層瓦斯壓力分布的規(guī)律有相似之處.即排放半徑在短時(shí)間內(nèi)是隨時(shí)間的延長而增大,時(shí)間稍長,則發(fā)展緩慢.由以上分析,不難看出,在靠近大直徑鉆孔附近的高瓦斯地帶,在打小直徑鉆孔時(shí)由于沒有足夠的安全屏障(不小于5m)，以及打排放鉆孔未能一次到位,在加深鉆孔時(shí),對(duì)高瓦斯地區(qū)進(jìn)行了人為的擾動(dòng),在沒有安全屏障的保護(hù)下,而誘發(fā)出煤與瓦斯突出. 2.2.事例二事例二1.1.情況介紹情況介紹2004年4月14日在石壕煤礦E1625機(jī)巷溜煤立眼采用天井鉆機(jī)擴(kuò)孔至43.5米，進(jìn)入8#煤層2.5米時(shí)，發(fā)生煤與瓦斯突

18、出事故。突出煤粉堆積長度為40米，涌出瓦斯約1.8萬m3，突出煤量約170噸。機(jī)巷溜煤立眼施工前，在立眼下口的南二皮帶巷，于2004年2月27日3月22日打了13個(gè)預(yù)排孔，控制1200mm的立眼周壁5.0米范圍，其中預(yù)測7個(gè)孔，取樣測定8#煤層K1值最大為0.478(用孔長44m效驗(yàn)，K1值最大為0.615，已處于突出危險(xiǎn)地帶)打孔正常。機(jī)巷溜煤立眼由上向下施工250mm導(dǎo)向孔與南二皮帶巷貫穿，孔深61米。在施工導(dǎo)向孔過8#煤層時(shí)，無噴煤、噴瓦斯、卡鉆等異?，F(xiàn)象。導(dǎo)向孔打穿后，采用1200mm米刀盤由下向上刷擴(kuò)，當(dāng)擴(kuò)孔至43.5米時(shí)已進(jìn)8#煤層2.5米時(shí)，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。2、技術(shù)分析、技

19、術(shù)分析該區(qū)域位于羊叉灘背斜軸附近，地應(yīng)力集中，煤層透氣性系數(shù)低。且穿層預(yù)排鉆孔控制立眼周邊外只有5米，預(yù)排時(shí)間只有1.5個(gè)月，預(yù)排時(shí)間短并未采取預(yù)抽措施,因而排放效果差，突出后的情況見圖4-12-2-9.用公式計(jì)算出當(dāng)鉆孔直徑為0.25m時(shí),其影響范圍為R=0.84m當(dāng)使用大鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔時(shí), 一次擴(kuò)大到1。2m，在沒有比較充分的排放情況下，鉆孔直接進(jìn)入高瓦斯地區(qū),（鉆頭半徑為0.6m，0.25m的排放鉆孔的有效影響范圍的計(jì)算值為0.84按鉆孔中心計(jì)算為0.965 m，與鉆孔切削半徑緊相差0.36m，在沒有安全屏障的條件下，1.2m鉆頭打鉆時(shí)所產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，會(huì)造成的垮孔,勢必會(huì)誘發(fā)突出的產(chǎn)生. 石壕煤礦E1625機(jī)巷溜煤立眼突出情況圖鉆孔影響半徑的規(guī)律1. 鉆孔影響半徑不會(huì)因排放時(shí)間的延長而無限制的擴(kuò)大影響范圍.