梁躍輝 ，石必明 ，岳基偉 ,2，王 成 ，胡 濤

（1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.煤礦深井開采災害防治技術科技研發(fā)平臺（安徽理工大學），安徽 淮南 232001）

隨著我國煤礦進入深部開采階段，工作面瓦斯突出防治面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，石門揭煤突出的平均強度至少是其他突出的6 倍，超過80% 的特大型突出事故發(fā)生在石門揭煤過程[1]，快速、有效地完成石門揭煤防突是我國目前面臨的1 個卡脖子難題。突出煤層以III～V 類構造煤為主，其具有地質結構形態(tài)復雜、層理紊亂、力學性質差、滲透率低等特點，突出可造成大量瓦斯逆流達數(shù)千米[2]，較容易發(fā)生瓦斯爆炸，造成大量的人員和財產(chǎn)損失，給整個礦井系統(tǒng)帶來巨大的災難。因此，快速、高效、安全揭開突出煤層對當前煤礦安全生產(chǎn)工作具有重要意義。

石門揭煤中傳統(tǒng)的局部防突措施包括鉆孔抽采瓦斯、鉆孔排放瓦斯、水力化措施、金屬骨架、煤體固化、深孔預裂爆破等，側重于降低煤層儲能，對提高煤體強度的關注程度不夠。因此，在降低煤層儲能同時提高煤體強度是石門揭煤防突工作的關鍵一環(huán)。近年來，瓦斯防突領域中涌現(xiàn)出一些新的技術和思路，如液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電、低溫冷凍等。

隨著人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術的飛速發(fā)展，煤礦安全生產(chǎn)也進入了智能化發(fā)展的新階段。王國法等[3]設計了“井上智能決策、井下自動執(zhí)行、面內(nèi)無人作業(yè)”的智能無人開采模式，應用于黃陵一礦，實現(xiàn)了采煤機自行運轉、人員輔助控制的常態(tài)化生產(chǎn)；魏連江等[4]開發(fā)了礦井智能通風與應急決策平臺，在羊場灣煤礦、付村煤礦和轉龍灣煤礦進行應用，實現(xiàn)了礦井通風網(wǎng)絡實時解算與異常智能診斷、應急調控及災情研判。智能化技術能夠在煤礦開采過程中提高作業(yè)效率，同時減少資源浪費，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。因此，智能化防突技術是石門揭煤防突工作進一步發(fā)展的必經(jīng)之路。

由于煤層儲能及煤體力學性質是影響煤與瓦斯突出的主要因素，基于石門揭煤局部防突領域的研究現(xiàn)狀及不足；為此，結合智能化技術，提出“智能鉆-抽-注”一體化措施，實現(xiàn)“一孔多功能”，完成快速、安全石門揭煤的目標。

1 石門揭煤局部防突圖譜分析

1.1 研究熱點圖譜分析

為了全面分析我國石門揭煤局部防突的研究發(fā)展，依托中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫高級檢索功能，選擇主題“石門揭煤”和“防突”或“消突”進行擴展檢索，查詢得到1993 年至2023 年間的4 827 篇文獻。經(jīng)人工篩查和去重，將3 610 篇有效文獻數(shù)據(jù)導入CiteSpace 軟件中生成研究熱點及趨勢圖譜進行分析[5]。

借助CiteSpace 軟件對所選文獻的關鍵詞進行匯總，進而得到石門揭煤局部防突的關鍵詞聚類，分析研究熱點及不同熱點間的聯(lián)系。關鍵詞聚類分析圖如圖1。

圖1 關鍵詞聚類分析圖Fig.1 Keywords clustering graph

關鍵詞聚類圖譜由聚類和節(jié)點組成，借助共被引耦合分析提取詞匯[6]，需將聚類標簽設置為“Keyword”，以聚類圖譜形式展出。研究分析產(chǎn)出的關鍵詞聚類圖譜中，共有436 個節(jié)點，950 條連線。其節(jié)點間的連線表明2 個關鍵詞之間存在聯(lián)系，可反映石門揭煤局部防突的詳細信息，檢測研究該領域關鍵詞的產(chǎn)生和發(fā)展情況。依據(jù)研究主題對聚類標簽進行相關性篩選，選取聚類強度前10 名的聚類標簽進行呈現(xiàn)[7]。聚類#0 位于圖譜的中間部分，是該聚類團體的核心，同時也是瓦斯防突領域中主要的研究對象。

運用LLR 算法對關鍵詞聚類標簽進行提取，得出聚類模塊值Q為0.571 3，平均輪廓值S為0.770 4，調和平均值為0.656 1。經(jīng)核驗，上述參數(shù)均在合理區(qū)間（Q＞0.3，S＞0.7）內(nèi)，呈現(xiàn)出的聚類結果準確且效果顯著。為保證圖譜的清晰度，選取節(jié)點數(shù)量在40 以上的聚類進行呈現(xiàn)。聚類排序靠前則表示聚類的范圍廣，所涉及的文獻數(shù)量就越多，是重點研究的主題。由圖1 可知，絕大部分聚類的結果存在重疊，但重疊區(qū)域的大小不一，體現(xiàn)出石門揭煤局部防突各技術方法間雖有差異，但聯(lián)系緊密且主題集中。

通過對聚類的分析整理，獲得石門揭煤局部防突工作中主要的技術手段為抽采瓦斯、排放瓦斯、水力化措施、金屬骨架、煤體固化、深孔預裂爆破、液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電、低溫冷凍，共計9 種技術方法。其中，抽采瓦斯、排放瓦斯、水力化措施在該領域的文獻中出現(xiàn)頻率最高，是消除煤與瓦斯突出的重要技術手段。液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電、低溫冷凍的關鍵詞顯現(xiàn)頻率相對較低，但為石門揭煤局部防突工作提供了新的選擇，同時為現(xiàn)代科研工作者提供了新的研究思路和目標。

1.2 研究進展圖譜分析

借助關鍵詞聚類分析圖譜，鎖定了該領域研究的熱點即主要防突措施，對上述文獻數(shù)據(jù)形成的關鍵詞時空分布圖譜進行分析，進而展開該領域研究進展的可視化分析[8]。關鍵詞時區(qū)分布圖如圖2。

圖2 關鍵詞時區(qū)分布圖Fig.2 Timezone distribution of keywords

梳理出7 個主要時區(qū)，486 個節(jié)點，944 個連線，密度為0.008。為便于觀察1993 年至2023 年行業(yè)熱點的發(fā)展情況，利用節(jié)點大小代替領域內(nèi)熱點詞出現(xiàn)頻率[9]，更加清楚地體現(xiàn)了石門揭煤局部防突領域在各個時期內(nèi)研究熱點的演變規(guī)律。該領域高頻關鍵詞和突現(xiàn)詞主要集中在石門揭煤、抽采瓦斯、排放瓦斯以及水力化措施4 個聚類。

石門揭煤時區(qū)軸中部的高頻關鍵詞數(shù)目最多，初始年份集中于1993 年至2000 年，包括有瓦斯防治、低透氣性、防突措施等高頻關鍵詞，表明了該期間內(nèi)石門揭煤方面的研究熱點的具體信息。1995 年至2010 年關鍵詞聚類和連線數(shù)目最多，表明研究活動頻繁，為石門揭煤局部防突領域發(fā)展的高潮期，該時段也是我國煤炭行業(yè)發(fā)展的黃金期。

聚類#1 抽采瓦斯的時區(qū)分布軸線中，顯現(xiàn)的高頻關鍵詞主要有瓦斯含量、鉆孔抽采和地面井；在聚類#2 排放瓦斯方面的關注重點主要包括低透氣性、消突、以孔代巷等；在聚類#3 水力化措施的時區(qū)分布軸線上，突現(xiàn)詞的節(jié)點較小，初始年份較晚，水力割縫于2000 年以后研究較多，水力造穴在2015 年以后受到更多的關注；上述2 點是水力化措施在這5 年內(nèi)的研究熱點，有關學者對此討論和探究較為活躍；圖中聚類#7、#8 出現(xiàn)的高頻關鍵詞較少，由于其起步相對較晚，仍有很大的研究及發(fā)展空間；聚類#9 低溫冷凍自2005 年后被提出，引用頻率較少，表明該技術具有很大的探索和發(fā)展前景。

2 石門揭煤局部防突措施現(xiàn)狀

2.1 鉆孔抽采瓦斯

預抽瓦斯是在開采煤層或掘進前，突出危險性煤層中施工若干鉆孔，隨后進行封孔，借助瓦斯抽采泵運行產(chǎn)生的負壓，通過管路系統(tǒng)將瓦斯抽出[10]。鉆孔抽采瓦斯示意圖如圖3。

圖3 鉆孔抽采瓦斯示意圖Fig.3 Diagram of drilling for gas extraction

經(jīng)過數(shù)月的抽放瓦斯，使得揭煤區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量和瓦斯壓力降低，瓦斯?jié)撃艿玫綔p緩，突出煤層的煤體彈性模量增大，產(chǎn)生收縮變形[11]，石門工作面應力集中向遠處推移，煤層透氣性系數(shù)增大，從而使突出危險性減弱或消除。

其中，鉆孔的有效抽放半徑、預抽時間、抽采負壓根據(jù)煤層的實際賦存條件而定[12]。鉆孔直徑通常為75～120 mm，工作面四周控制范圍：下方至少3 m，其他部位至少5 m[13]。

2.2 鉆孔排放瓦斯

排放鉆孔與外界相通，通常認為排放鉆孔內(nèi)瓦斯壓力為0.1 MPa，突出煤層內(nèi)的瓦斯壓力較大且內(nèi)部由遠及近的瓦斯壓力梯度較大[14]，因此煤層內(nèi)瓦斯源源不斷地通過鉆孔逸散。鉆孔影響區(qū)域內(nèi)瓦斯含量下降后，鉆孔周圍應力重新分布，使得煤層趨于穩(wěn)定[15]，即有效減弱或控制了突出危險性。

鉆孔排放瓦斯是在井下氣壓的環(huán)境下，通過一定尺寸的鉆孔排放瓦斯，不需要外部動力源。在減小突出危險性方面與鉆孔抽采瓦斯作用機理相似，通過降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，降低煤與瓦斯突出的儲能。

2.3 水力化措施

水力化措施主要包括水力壓裂、水力沖孔、水射流割縫、水射流擴孔等，該類技術破碎煤體后形成自由面，為煤體提供變形空間，從而實現(xiàn)對煤層的卸壓增透[16]。水力沖孔示意圖如圖4。

圖4 水力沖孔示意圖Fig.4 Diagram of hydraulic punching

康向濤等[17]探究了多煤層聯(lián)合水壓裂縫擴展規(guī)律，通過注射高壓水致裂煤體，促進裂隙發(fā)育，從而提高透氣性，使得揭煤時間縮短43 d，平均瓦斯抽采體積分數(shù)提高了83%；LI[18]分析了煤層物性對水力沖孔治理瓦斯效果的影響，在趙莊煤礦進行工業(yè)化實驗后發(fā)現(xiàn)，通過增加沖孔壓力可以顯著提高沖孔效率；程波等[19]基于超高壓水力割縫設備，將水力割縫技術與高瓦斯煤層掘進有機結合，并在潞安一緣煤礦應用，試驗發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采量提高2.36～2.4 倍，日進尺量提高近2.5 倍；李生舟等[20]在桑樹坪煤礦開展水射流擴孔卸壓試驗發(fā)現(xiàn)抽采鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)降低65%～74%，自然瓦斯涌出流量提高了2～3 倍。

上述水力化措施造成鉆孔周圍應力發(fā)生突變，依據(jù)瓦斯?jié)B流-擴散理論，煤層瓦斯存在滲透和擴散的混合流動過程[21]，煤層內(nèi)部瓦斯流動狀態(tài)得到改善，吸附態(tài)轉化為游離態(tài)的瓦斯量增加，瓦斯?jié)撃塬@得釋放。

2.4 金屬骨架

當石門工作面距突出危險煤層一定距離時，在石門上部和兩幫外0.5～1.0 m 范圍布置鉆孔。硬煤骨架鉆孔間距在0.3 m 以內(nèi)，軟煤骨架鉆孔間距應小于0.2 m[22]。鉆孔穿過煤層至巖層0.5 m 時終止，孔間距通常為0.2 m 左右，終孔應穿透整個煤層并穿透突出危險性煤層頂板應大于0.5 m。裝入骨架后，向孔內(nèi)灌注水泥砂漿等固化材料，增加孔內(nèi)骨架與煤體的黏結性。金屬骨架示意圖如圖5。

圖5 金屬骨架示意圖Fig.5 Diagram of metal skeleton

通常石門可以從頂板或底板揭煤，但在底板揭煤過程中，頂板煤體容易松動，易發(fā)生掉頂、冒頂事故[23]。從而給頂板的管理帶來了困難，使得巷道掘進速度緩慢、成型率低，易造成瓦斯超限或煤與瓦斯突出。此時，金屬骨架被作用的壓力遠遠大于骨架的強度，導致骨架會向巷道方向變形，致使金屬骨架達到受力平衡。

超前錨桿是主動管理頂?shù)装宓墓ぞ?，錨桿支護具有加固拱、懸吊、減小跨度、組合梁、圍巖補強等作用[24]。通常用超前錨桿作金屬骨架，其加固作用、懸吊作用和組合梁作用能夠將待掘巷道與圍巖分離開，從而增加井壁煤體抗壓強度[25]，減少抽冒事故發(fā)生。

2.5 煤體固化

煤是一種雙重孔隙介質[26]。因此，向煤體中高壓注入性能適宜的固化劑，能夠填充煤體的孔隙、裂隙結構，使得煤體發(fā)生固化。煤體固化后產(chǎn)生的效果如下：①固化液脫水固化，煤層內(nèi)裂隙、孔隙得到充填，使得孔隙率大幅度降低[27]，煤體內(nèi)吸附態(tài)瓦斯較難轉化為游離態(tài)瓦斯，使瓦斯放散初速度降低[28]，減少了遠距離瓦斯向揭煤區(qū)域的流動，抑制煤與瓦斯失穩(wěn)后瓦斯膨脹能向動能的轉化[29]；②煤體與巖石交界處黏結形成整體，彈塑性、脆性、韌性提高，避免了煤巖交界面的圍巖應力間斷，提高了煤體的內(nèi)黏結力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，使得煤與瓦斯突出阻力增大，降低揭煤時突出危險性[30-32]。

劉明等[33]分析了不同煤體強度及注漿壓力下的固化效果和漿液在煤層中的擴散形態(tài)，現(xiàn)場注漿發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm，兩幫移近量最大為146 mm，注漿后圍巖變形不大，在支護材料承受極限內(nèi)，有效提高了煤層巷道的穩(wěn)定性。

2.6 深孔預裂爆破

深孔預裂爆破對低透氣性煤層作用效果顯著，爆破后可產(chǎn)生和擴展裂隙[34]。在煤體中施工爆破孔，借助藥柱爆炸瞬間產(chǎn)生的爆炸應力波和爆生氣體，使煤體破裂和松動，在爆破孔周圍形成裂隙網(wǎng)[35]，使煤層透氣性提高，卸壓瓦斯大量逸散，煤體和圍巖中的瓦斯膨脹能和潛能得到釋放。

應力波自煤體內(nèi)部傳播到控制孔時，應力波方向拉伸，介質質點產(chǎn)生徑向位移。當介質抗拉強度小于切向拉伸應力時，徑向裂隙會隨應力波向前傳播而擴展，直至爆炸應力波全部衰減到介質抗拉強度以下，裂隙停止發(fā)展。由于介質抗壓強度遠小于爆炸應力波所產(chǎn)生的壓力，因此爆破孔附近介質被壓縮和粉碎，形成壓縮粉碎區(qū)域，介質的破碎也消耗了大部分能量[36-38]。

爆生氣體隨著應力波向前傳播的同時自身發(fā)生膨脹，產(chǎn)生準靜態(tài)應力場。由于爆生氣體的尖劈作用，楔入已張開的裂隙中，使裂隙不斷擴展，進而在炮孔周圍形成環(huán)向裂隙[39-40]。

2.7 液態(tài)CO2 相變致裂

液態(tài)CO2相變致裂設備主要由加熱管、儲液管、注液閥、定壓泄能片和釋放管組成，攜帶輕便，操作安全便捷。通過加熱儲液管，讓液態(tài)CO2在短時間內(nèi)吸收大量熱能，體積迅速膨脹約600 倍，所產(chǎn)生的高壓氣體透過排放孔迅速向外噴出，強大的沖擊力破壞外圍煤巖體。劈裂煤體形成新生裂隙，并進一步膨脹從而擴展和延伸原始裂隙，形成壓縮粉碎區(qū)和裂隙，達到煤層致裂效果，實現(xiàn)卸壓增透目的。

蘇偉偉[41]在鉆孔抽采瓦斯后實施液態(tài)CO2相變致裂，鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛忍嵘?2.4%，每日單孔平均抽采量增加約1.4 倍，抽采率達到48.16%，縮短抽采時間為43%；韋善陽等[42]在金佳煤礦進行CO2相變致裂現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)運用在穿層孔的效果要優(yōu)于順層孔，在鉆孔瓦斯抽采的基礎上減少煤層瓦斯含量6%～12%，減少煤層瓦斯壓力9%～12%。

2.8 高壓脈沖放電

高壓脈沖放電技術已在油氣開采中廣泛應用，同樣在石門揭煤局部防突中也具有廣闊的應用前景。主要利用高壓脈沖放電產(chǎn)生的液電效應，形成高壓脈沖水激波，作用于煤體在孔裂隙發(fā)育區(qū)域、礦物質和煤基質的交界面處形成裂隙，使得煤體瓦斯運移空間增大且流動阻力降低，從而增加煤層滲透性。通常與水力壓裂組合使用，具有無污染、可控性高及增透范圍廣等優(yōu)勢。

馮仁俊[43]在逢春煤礦開展試驗，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖滲透技術的影響范圍比常規(guī)壓裂提高約33%；時亞軍等[44]將該技術在首山一礦應用，使得排放鉆孔數(shù)目減少44.4%，揭煤周期縮短了35.9%。

2.9 低溫冷凍

2.9.1 低溫冷凍方法

低溫冷凍分為直接和間接2 種方法，在井下應用過程中，對于煤層含水率、制冷設備及管路材質存在一定要求。間接凍結法用氨壓縮鹽溶液，作為冷媒介在埋設的管道中流動，吸收煤層熱量，不斷循環(huán)制冷直至凍結。而直接凍結法無需循環(huán)制冷，利用液氮自身的相變凍結待揭的突出危險煤層，相對于間接法具有冷凍速度快、效率高、無污染、凍結強度高等特點。液氮凍結內(nèi)部示意圖如圖6。

圖6 液氮凍結內(nèi)部示意圖Fig.6 Diagram of liquid nitrogen freezing inside

基于石門揭煤過程，馮濤等[45]、謝雄剛[46]對凍結溫度場和注液凍結作用進行了實驗研究和可行性論證，借助ANSYS 數(shù)值模擬和RFPA2D分析軟件對凍結煤層瓦斯突出過程進行了模擬研究；翟成等[47]、周震等[48]采用核磁共振技術測試分析了低溫冷凍石門揭煤過程煤樣中未凍結水分的變化，利用溫度測量、紅外熱成像、單軸壓縮分析凍結情況下的煤樣溫度和應力隨時間變化的特征。

2.9.2 冷凍煤體力學性能

為探究低溫冷凍對煤體力學性質的影響，測試了不同溫度、不同含水率（5%、10%、15%）下冷凍煤體抗拉強度、抗壓強度和彈性模量的變化[49]，從而驗證低溫冷凍技術對于石門揭煤局部防突工作的有效性。不同溫度下煤體力學性能變化如圖7。

圖7 不同溫度下煤體力學性能變化Fig.7 Variation of mechanical properties of coal bodies at different temperatures

在0 ℃以下，煤體抗拉強度隨著溫度的降低呈線性增長。并且隨著煤體含水率的增加，抗拉強度的變化越明顯。例如，冷凍溫度為-30 ℃時，水分含量5%、10%、15%對應條件下的抗拉強度分別提高了32%、46%、62%。

通過煤樣在不同冷凍溫度下的單軸抗壓強度測試可知，當溫度低于0 ℃時，抗壓強度隨著溫度的降低而線性增加。由于煤體裂隙中的水分子在凍結時有效地黏合了煤基，因此含水量越大，膠結效果越好。煤和水被凍結成一個整體，抗壓強度顯著提升。

冷凍煤體的彈性模量與抗壓強度的變化趨勢相似。即冷凍溫度越低，彈性模量越大。例如，當凍結溫度達-30 ℃時，含水量5%、10%、15%對應的煤體彈性模量增幅達25%、26%、34%。

2.9.3 冷凍煤體吸附性能

在恒溫條件下，開展冷凍煤體的高壓等溫吸附試驗[50]，分析低溫冷凍對煤體吸附性能的影響。不同溫度下煤體吸附瓦斯量變化如圖8。

圖8 不同溫度下煤體吸附瓦斯量變化Fig.8 Adsorption isotherm at different temperatures

溫度對煤體瓦斯吸附曲線影響明顯，即溫度越低，煤體吸附瓦斯量越大。當溫度保持恒定時，煤體的吸附瓦斯能力伴隨瓦斯壓力的升高而增大，當瓦斯壓力升到閾值時，煤體吸附能力趨于飽和，隨后其吸附量不再隨瓦斯壓力的增大而增加。

由于溫度對煤體吸附具有活化作用，溫度越低，煤體吸附瓦斯的能力越高，游離態(tài)瓦斯則越少。故當瓦斯壓力一定時，隨著溫度的降低，煤體瓦斯吸附量呈上升趨勢。

2.9.4 冷凍煤體瓦斯壓力

為分析低溫冷凍對煤體瓦斯壓力的影響，在相同初始溫度（20 ℃）和吸附平衡壓力（1.7 MPa）下，測試不同含水率煤體在不同溫度下的吸附平衡壓力變化[49]。不同溫度下煤體瓦斯壓力變化如圖9。

圖9 不同溫度下煤體瓦斯壓力變化Fig.9 Changes of gas pressure in coal body at different temperatures

隨著溫度的降低，煤樣罐中的瓦斯壓力迅速下降；而在同一溫度下，煤體含水量越小，瓦斯壓力越低。表明低溫冷凍不僅能增強煤體吸附性能（即吸附瓦斯量增加），還能降低游離瓦斯壓力。由于水分子在煤體中占據(jù)一部分吸附位點，而煤體含水量越大，殘留的吸附位點越少。因此，當煤體含水率較高時，瓦斯吸附能力下降，游離瓦斯壓力也相對較大。

2.9.5 低溫冷凍技術特點及適用性

低溫冷凍在石門揭煤防突方面的作用如下：①凍結后煤體的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量增大即煤層的力學性能增強；②隨著溫度降低，煤體吸附瓦斯的能力越高，游離態(tài)瓦斯減少；③凍結后的煤層瓦斯壓力降低；④凍結溫度達閾值時，卸壓帶強度和寬度能夠阻止煤體內(nèi)部積聚的彈性潛能和瓦斯膨脹能釋放，降低突出危險性。

依據(jù)煤與瓦斯突出機理，煤與瓦斯突出是煤層儲能失穩(wěn)并突破煤體抵抗能力的結果，因此局部防突工作需從能量和強度2 方面的影響機制開展研究。通過上述防突措施現(xiàn)狀及對比分析，發(fā)現(xiàn)當前石門揭煤局部防突措施主要通過降低煤層儲能達到防突目的，對于提高煤體強度方面的兼顧性不足。而低溫冷凍技術具有降低煤層儲能、提高煤體強度的雙重功效，該技術已廣泛應用于含流沙地層、破碎地層等特殊條件下的井筒開鑿和巷道開挖。其冷凍鑿井過程對石門揭煤中煤與瓦斯突出防治工作具有一定參考價值。含瓦斯煤體是具有“氣-液-固耦合”特征的非常規(guī)巖體，利用低溫冷凍技術進行局部防突將具有特殊性。

在石門揭煤局部防突工作中，傳統(tǒng)防突措施需耗時近10 個月，特別是對于松軟煤層，施工成本較高。而低溫冷凍技術在可以2 個月左右實現(xiàn)凍結[49]，能快速安全地進行石門揭煤，產(chǎn)生了極大的間接經(jīng)濟效益。相對于傳統(tǒng)防突措施，該技術工程量小、施工難度低，不產(chǎn)生有毒、有害氣體，具備更高的經(jīng)濟性及安全性。因此，將該技術應用于低透氣性或深部開采的石門揭煤瓦斯突出工作面，對于減少煤礦瓦斯災害事故具有重要的作用。

石門揭煤局部防突措施對比分析見表1。

表1 石門揭煤局部防突措施對比分析表Table 1 Comparative analysis table of local outburst prevention measures of rock cross-cut coal uncovering

3 當前存在的不足

3.1 鉆孔抽采與排放瓦斯

1）對透氣性系數(shù)低和高地應力的煤層適用效果較差、工程量大、抽排時間長，需要提前進行施工，容易造成采掘接替緊張。

2）雖然鉆孔抽采量隨時間增大，但變化率是降低的，預抽時間達到特定值時，會達到動態(tài)平衡，進而累計抽采量不再增大，因此瓦斯抽采具有時效性和空間性。

3）該類措施會對煤體造成一定程度的破壞，瓦斯?jié)撃茈m然得到釋放，但煤體強度的降低也會影響煤體對突出的抵抗作用。

3.2 水力化措施

1）水力沖孔為下向孔時，煤渣要克服自身的重力排出鉆孔，水力化措施適用效果較差，同時對于立井揭煤工作面不宜采用水力沖孔。

2）在水射流割縫、水力擴孔破煤及自激振蕩脈沖水射流割縫的過程中，當煤屑脫離煤體時，煤體與煤屑的接觸面會產(chǎn)生吸附態(tài)的瓦斯解吸。

3）水力壓裂后留在孔內(nèi)的鋼管影響后期采掘作業(yè)，在水力壓裂控制范圍內(nèi)很難保證煤體均勻卸壓且不留空白帶。

4）實施水力化措施后，鉆孔周圍煤體強度會降低，雖然瓦斯?jié)撃艿玫结尫牛纯紤]煤體抗壓強度的影響。

3.3 金屬骨架

1）金屬骨架間接提高了煤巖支撐穩(wěn)定性，但未從地應力、瓦斯壓力、煤體的力學性質方面消除煤與瓦斯突出的危險性。

2）對于厚度超過4 m 的煤層，金屬骨架容易失去穩(wěn)定性。

3）施工過程中常出現(xiàn)塌孔，使得安裝骨架材料過程緩慢。

4）對于緩傾斜煤層，金屬骨架所受到的應力較大，造成使用效果較差。

3.4 煤體固化

1）固化液選取、配比過程較為繁瑣，并且注入過程中需要其它輔助設備同時運行，否則瓦斯不能得到有效排放。

2）注入的漿體在鉆孔內(nèi)分布可能不均勻，使得固化效果降低。

3）若揭煤工期延長，固化部分反而會使鉆孔周圍瓦斯流動、排放受阻，造成煤層內(nèi)部瓦斯壓力升高，突出危險程度增大。

3.5 深孔預裂爆破

1）爆破后會對巷道圍巖造成一定程度的破壞，為避免冒頂事故，往往選擇短循環(huán)掘進，這又將延長揭煤工期。

2）爆破所需炸藥較難獲得，同時為井下安全管理工作增加了難度。

3）該類措施對鉆孔參數(shù)和施工工藝要求程度高，若煤體松軟，鉆孔施工存在困難，即使成孔也存在塌孔的風險。

4）深孔預裂爆破依托一定厚度的保安巖柱，若被破壞或穩(wěn)定性不足，將會引發(fā)巷道誤揭煤層，誘導突出事故的發(fā)生。

3.6 液態(tài)CO2 相變致裂

1）加熱管屬于公安管制用品，尚無明確的安全標準進行規(guī)范管理，施工成本較高。

2）在瓦斯壓力、地應力以及煤巖堅固性系數(shù)等多因素影響下，增透范圍和強度不及炸藥，較難實現(xiàn)定向增透。

3）布孔參數(shù)設置尚無明確依據(jù)，相變致裂后煤層抽采有效半徑與預抽時間的關系及影響規(guī)律有待進一步研究。

3.7 高壓脈沖放電

1）常用的電源裝置體積較大，若將電源置于井上，又存在一定的能量損耗問題。因此，亟需研發(fā)高儲能密度的電容應用于井下有限空間作業(yè)。

2）實驗裝置在運行過程中，往往出現(xiàn)強烈電磁干擾，存在電流、電壓突變和燒蝕電極等問題。結合井下環(huán)境，研制導電性能好、抗燒蝕的電極是亟須解決的技術難題。

3）煤巖圍壓對裂縫起裂和擴展有抑制作用。液相介質及煤巖的導電率同樣對高壓脈沖放電致裂效果存在影響，需進一步探索。

3.8 低溫冷凍

1）當前冷凍煤體力學性能的相關研究中缺少對含瓦斯煤體的分析與探究。

2）當煤層中積聚的能量超過煤體承載能力時，可能會發(fā)生煤與瓦斯突出，而低溫冷凍會引起含瓦斯煤體能量的重新分布，其影響規(guī)律仍需進一步研究。

3）根據(jù)煤層賦存條件，要消除石門揭煤的突出危險性，凍結液的用量需要進行精密的計算，并對井下制備及存儲工作存在考驗。

4）由于凍結液的消耗速度快，需人工配合注料，難以實現(xiàn)長時間不間斷注入。

4 石門揭煤局部防突措施展望

4.1 低溫冷凍研究展望

石門揭煤過程是一項危險性較高的生產(chǎn)工序，傳統(tǒng)防突措施往往具有較大的動力過程，對煤體存在一定程度的擾動，存在誘導突出的隱患。近年來，瓦斯防突領域中涌現(xiàn)出如液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電等防突新技術，側重于降低煤層儲能，未能同時考慮提高煤體強度。仍需進一步加強相關理論研究，并嘗試將傳統(tǒng)防突措施中的優(yōu)勢與新興技術有機結合，從而有效推進石門揭煤局部防突措施發(fā)展。

通過建立多物理場耦合模型、理論分析、工程實踐驗證3 方面相結合，為低溫冷凍技術在石門揭煤局部防突中的應用提供理論依據(jù)。

圍繞低溫冷凍條件下含瓦斯煤體強度和煤層儲能的變化，從以下6 個方面展開研究：①瓦斯、水、煤層凍結后形成凍結體，凍結后含瓦斯煤層的力學性能；②石門揭煤工作面冷凍過程中溫度場演化規(guī)律；③巖石與煤層之間的熱傳導特性研究；④在深低溫環(huán)境下凍結管材料的選擇；⑤在保證凍結效果和安全、快速揭露凍結煤層下，冷凍液用量方面的研究；⑥將數(shù)值模擬、理論分析結果與石門揭煤工程實踐相互驗證，修正和完善模型參數(shù)。

4.2 智能液氮凍結系統(tǒng)

當前低溫冷凍技術存在井下防突信息反饋時效性差、人為操作失誤等不足。因此，構建智能液氮凍結系統(tǒng)提升石門揭煤的信息化、可視化、安全化水平，是其局部防突技術升級的重要一步。

基于智能化技術，以實現(xiàn)系統(tǒng)本質安全為目標，建立合理可行的智能“人-機-環(huán)”系統(tǒng)，有效發(fā)揮操作人員的主體作用，為石門揭煤創(chuàng)造安全、經(jīng)濟、高效的作業(yè)條件。在石門和關鍵點位安裝信號基站，利用井下管網(wǎng)，構建“井下鉆抽注→傳感器監(jiān)測→服務器調控→地面監(jiān)控及預警”，實現(xiàn)地面與井下間信息互聯(lián)互通，為煤層信息監(jiān)測和局部防突工作提供技術保障。

為實現(xiàn)快速、安全揭開突出危險性煤層的目標，該系統(tǒng)設計構建“防突數(shù)據(jù)實時監(jiān)控”和“智能鉆-抽-注”2 大功能模塊。將瓦斯抽采技術與低溫冷凍技術有效融合，實時監(jiān)測和分析石門揭煤過程的煤層瓦斯動態(tài)，通過信號基站及局域網(wǎng)絡進行監(jiān)控及響應，實現(xiàn)精準防突。智能液氮凍結系統(tǒng)構架圖如圖10。

圖10 智能液氮凍結系統(tǒng)構架圖Fig.10 Intelligent liquid nitrogen freezing system architecture

5 結語

1）當前石門揭煤局部防突措施中，鉆孔抽采瓦斯、鉆孔排放瓦斯、水力化措施、深孔預裂爆破、液態(tài)CO2相變致裂、高壓脈沖放電主要通過降低煤層儲能達到防突目的，而金屬骨架、煤體固化側重于提高煤體的力學強度。

2）低溫冷凍技術能夠協(xié)同實現(xiàn)降低煤層儲能及提高煤體的強度，結合智能化技術，提出“智能鉆-抽-注”一體化措施，實現(xiàn)“一孔多功能”的技術目標。

3）通過建立多物理場耦合模型、理論分析及工程實踐驗證3 方面相結合，揭示冷凍條件下含瓦斯煤體瓦斯壓力、強度、能量的變化特性，掌握該條件下煤巖體瓦斯賦存狀態(tài)及運移規(guī)律。為低溫冷凍技術在石門揭煤局部防突中的應用提供理論依據(jù)。