許朋德，萬恒州

(貴州嶧興礦業(yè)有限公司， 貴州 六盤水市 553000)

0 引言

石門揭煤易發(fā)生煤與瓦斯突出事故，對石門揭煤時(shí)發(fā)生煤與瓦斯突出的形成機(jī)理、防治措施等，眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，解北京等[1]運(yùn)用匈牙利算法和模擬退火算法，設(shè)計(jì)開發(fā)出石門揭煤瓦斯抽采鉆孔參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，并將設(shè)計(jì)鉆孔立體地呈現(xiàn)出來。郝建國[2]針對石門揭煤施工時(shí)存在的一系列問題，采用了“壓裂-固化-預(yù)抽”的揭煤技術(shù)。李遠(yuǎn)知等[3]通過數(shù)值模擬分析了石門揭煤時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。周震等[4]通過對石門揭煤煤樣進(jìn)行低溫凍結(jié)試驗(yàn)，揭示了石門揭煤煤體在低溫狀態(tài)下的力學(xué)特性。劉軍等[5]提出了石門揭煤時(shí)采用圓內(nèi)接多邊形的設(shè)計(jì)方案，并優(yōu)選出了最佳實(shí)施方案。張連偉[6]在石門揭煤期間，通過采用瓦斯預(yù)抽、水力沖孔、煤體固化等措施，降低揭煤點(diǎn)及其周圍煤層瓦斯含量、瓦斯壓力。馮康武[7]采用水力割縫形成縫槽后，在鉆孔中同時(shí)實(shí)施水力壓裂的煤層增透方法，增加了待揭露區(qū)域煤層的透氣性，縮短了預(yù)抽時(shí)間。汪北方等[8]通過數(shù)值模擬方法研究了石門揭煤突出機(jī)理，提出瓦斯預(yù)抽措施配以改進(jìn)金屬骨架的綜合防突技術(shù)方案。學(xué)者們從煤的力學(xué)特性、瓦斯抽采、加固措施等方面開展了研究，基于上述研究成果，本文從空間立體的角度去分析石門揭煤過程中的瓦斯抽采，提出了石門揭煤的立體綜合防突技術(shù)。

1 石門揭煤突出原理

石門揭煤過程均采用爆破破碎煤巖體，炸藥在炮眼中產(chǎn)生的高溫高壓氣體作用于被爆破的煤巖體上，使被爆破的煤巖體產(chǎn)生劇烈的變形和破壞。根據(jù)Ⅴon Mises準(zhǔn)則，如果煤體內(nèi)任何一點(diǎn)的等效應(yīng)力強(qiáng)度σi滿足如下關(guān)系，則煤體破壞：

式中，σi為煤體在單軸受力條件下的破壞強(qiáng)度，MPa；σd為煤體單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

放炮后煤體只有巷道空間方向的自由度，從而使得被爆破煤巖體只能向采掘空間拋出。同時(shí)，炸藥爆炸產(chǎn)生的擾動(dòng)沖擊波，會促使原本處于吸附-解吸平衡的狀態(tài)被打破，大量處于吸附態(tài)的瓦斯解吸為游離態(tài)的瓦斯，使煤層中的瓦斯壓力升高，為煤與瓦斯突出創(chuàng)造了有利條件。

瓦斯壓力的變化將引起煤巖體有效應(yīng)力的改變，從而使煤巖體的力學(xué)性質(zhì)如應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度特性等發(fā)生明顯變化。假設(shè)瓦斯壓力為p，則煤體骨架的有效應(yīng)力可寫為：

式中，σ"為煤體骨架的有效應(yīng)力，MPa；σ為煤體的應(yīng)力，MPa；α為瓦斯壓力系數(shù)，為簡化討論，取為1。

在應(yīng)力平面內(nèi)畫出有效應(yīng)力表示的莫爾圓以及實(shí)際應(yīng)力的莫爾圓，如圖1所示。圖中，AB線為瓦斯壓力為0時(shí)的莫爾包絡(luò)線，曲線I為有效應(yīng)力的莫爾圓，曲線Ⅱ?yàn)閷?shí)際應(yīng)力的莫爾圓。當(dāng)瓦斯壓力為0時(shí)，莫爾圓在包絡(luò)線AB的里邊，見曲線Ⅱ，當(dāng)瓦斯壓力增加時(shí)，該曲線向左移動(dòng)，直到它與莫爾包絡(luò)線相切，此時(shí)煤巖體發(fā)生破壞。

圖1 瓦斯壓力對煤巖強(qiáng)度的影響

由上述分析可知，爆破揭煤不僅會使大量煤巖體朝采掘空間拋出，且爆破產(chǎn)生的沖擊波會使遠(yuǎn)端煤體中的吸附態(tài)瓦斯解吸為游離態(tài)，使遠(yuǎn)端煤體的有效應(yīng)力降低，因此，石門揭煤容易引發(fā)煤與瓦斯突出。

2 立體揭煤防突技術(shù)

針對石門揭煤過程中容易發(fā)生煤與瓦斯突出的問題，眾多學(xué)者對石門揭煤技術(shù)措施進(jìn)行了研究，其中，在掘進(jìn)工作面采用扇形鉆孔抽采瓦斯，仍然是主流方式。但是，該方式不僅時(shí)間長，而且施工鉆孔后，由于鉆孔內(nèi)的壓力降為大氣壓力，在地應(yīng)力及煤層瓦斯壓力的共同作用下，鉆孔周圍的煤體有效應(yīng)力大幅增加，煤體的原生裂隙大量閉合，形成“瓶塞效應(yīng)”，大幅降低了鉆孔周圍煤體的透氣性。

在認(rèn)真分析研究以往揭煤經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了“以抽為本，立體消突”多層次、全方位的區(qū)域綜合防突措施。該措施能在煤體內(nèi)形成縱橫交錯(cuò)的孔洞，能有效地改變鉆孔周圍的應(yīng)力分布，且增大抽采負(fù)壓接觸煤體的表面積。從而使石門揭煤區(qū)域的瓦斯流動(dòng)遵循Darcy定律：

式中，ν為瓦斯?jié)B流速度；u為瓦斯動(dòng)力黏度；k為煤體滲透率。

3 工程實(shí)踐

3.1 煤層概況

某礦 4#煤層為緩傾斜煤層，煤層平均傾角為6°，平均厚度為3 m，煤層厚度大且較穩(wěn)定，煤心一般呈柱狀，有時(shí)中夾一層粉末狀煤，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，夾矸一般為 0～1層，為泥巖或炭質(zhì)泥巖，直接頂板為粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，老頂（5 m左右）為灰?guī)r。4#煤層首采工作面實(shí)測瓦斯含量為24.21 m3/t，絕對瓦斯壓力2.5 MPa，4#煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3.2 揭煤方案設(shè)計(jì)

針對某礦4#煤層實(shí)測瓦斯含量為24.21 m3/t，絕對瓦斯壓力2.5 MPa，煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，結(jié)合石門揭煤區(qū)域立體綜合防突技術(shù)的相關(guān)技術(shù)思路，提出該礦4#煤層首采工作面上順槽的石門揭煤工作面施工方案（如圖2所示）。

圖2 石門揭煤施工方案設(shè)計(jì)流程

3.3 現(xiàn)場施工情況

為了更快、更安全地揭開4#煤層，在石門距煤層最小法向距離10 m前施工了2個(gè)穿過煤層全厚的超前探測鉆孔，探明前方煤層賦存穩(wěn)定，在距離煤層最小法向距離7 m處采取立體區(qū)域防突措施，具體措施如下所述。

在 4#煤層首采工作面上順槽底抽巷左幫，施工2個(gè)揭煤鉆場，鉆場寬4.5 m、深4 m、高3 m，在底抽巷兩個(gè)鉆場內(nèi)施工穿層鉆孔112個(gè)，并在石門揭煤工作面施工順層鉆孔 35個(gè)。在待揭煤體及兩側(cè)15 m的范圍內(nèi)形成縱橫交錯(cuò)的抽采鉆孔，鉆孔竣工平面如圖3所示，鉆孔竣工剖面如圖4所示。

圖3 1401回風(fēng)順槽區(qū)域施工鉆孔竣工平面

圖4 1401回風(fēng)順槽區(qū)域施工鉆孔竣工剖面

3.4 抽采總量

4#煤層實(shí)測瓦斯含量為24.21 m3/t，石門揭煤預(yù)抽鉆孔控制范圍內(nèi)的瓦斯儲量為388 750 m3，根據(jù)預(yù)抽期間實(shí)測的抽采濃度及抽采流量計(jì)算，平均抽放瓦斯純流量為2 m3/min，在累計(jì)抽采100 d后，實(shí)際抽采瓦斯總量為288 000 m3，瓦斯抽采率高達(dá)74.08%。

3.5 區(qū)域驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際抽采的瓦斯量，初步計(jì)算可知該石門揭煤區(qū)域已消突，按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，區(qū)域防突措施的效果檢驗(yàn)時(shí)，施工4個(gè)鉆孔（揭煤區(qū)域內(nèi)的下部、中部和兩側(cè)各1個(gè)，兩側(cè)檢驗(yàn)點(diǎn)位于預(yù)抽區(qū)域內(nèi)，距邊緣不大于2 m的范圍）直接測定殘余瓦斯含量指標(biāo)和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)。殘余瓦斯含量臨界值取8.00 m3/t，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)臨界值取200 Pa。

經(jīng)測定殘余瓦斯含量指標(biāo)和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)均小于臨界值，效果檢驗(yàn)為無突出危險(xiǎn)。掘進(jìn)至法向距離5 m時(shí)進(jìn)行區(qū)域效果驗(yàn)證，區(qū)域驗(yàn)證時(shí)施工5個(gè)鉆孔，分別位于石門的上部、中部、下部和兩側(cè)，區(qū)域防突措施的區(qū)域驗(yàn)證采用鉆屑指標(biāo)法，驗(yàn)證結(jié)果為區(qū)域殘存瓦斯含量和Δh2均未超標(biāo)。

石門揭煤工作面掘進(jìn)至法向距離1.5 m時(shí)，進(jìn)行了揭開煤層前最后一輪效檢，布置5個(gè)效檢孔。校檢采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo) Δh2和S值，效檢結(jié)果未超標(biāo)，無突出危險(xiǎn)性。過煤門期間嚴(yán)格按照措施進(jìn)行工作面日常預(yù)測、效檢。4#煤層首采工作面上順槽石門揭煤工作順利完成。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在安全施工的前提下，通過縱橫交錯(cuò)的立體區(qū)域綜合防突技術(shù)，4#煤層首采工作面上順槽石門揭煤工作順利完成，顯著縮短了揭煤工期，保證了礦井提前投產(chǎn)。措施抽采時(shí)間平均縮短3個(gè)月以上，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益2700萬元，節(jié)省了3個(gè)月的人工成本、設(shè)備折舊費(fèi)及銀行利息等。

5 結(jié)論

（1）通過對石門揭煤過程中煤層有效應(yīng)力的變化進(jìn)行分析，揭示了石門揭煤發(fā)生煤與瓦斯突出的基本原理，針對現(xiàn)今抽采鉆孔的“瓶塞效應(yīng)”，提出縱橫交錯(cuò)的立體綜合防突措施。

（2）現(xiàn)場試驗(yàn)縱橫交錯(cuò)的立體區(qū)域綜合防突技術(shù)，在突出煤層石門揭煤過程中，100 d抽采瓦斯量達(dá)288 000 m3，瓦斯抽采率達(dá)74.08%，取得良好的抽采效果，使礦井在揭煤過程中節(jié)約了時(shí)間，節(jié)省了人工、設(shè)備成本。