石门揭煤有瓦斯突出危险煤层的防治措施

1、安全技术石门揭煤有瓦斯突出危险煤层的防治措施 石门揭开突出危急煤层,是煤炭生产企业在巷道掘进过程中一项非常危急又不得不面对的工作。由于矿山地压、煤层瓦斯、煤体自身物理特性等诸多因素,造成石门揭煤时常常发生煤与瓦斯突出1。突出一旦发生,轻则造成巷道冒顶、设施损坏,重则摧毁矿井通风系统,造成重大人员伤亡,损失难以估量。目前石门揭煤常用的防突措施有:超前钻孔卸压、预抽排瓦斯、水力冲孔,金属骨架等。这些措施虽对突出起到了肯定的防治作用,但它们没有从根本上考虑在突出中起打算作用的煤体强度和瓦斯释放条件,而只是着眼于煤岩弹性能和瓦斯潜能的释放2。常规的防突措施一般都使煤体受到不同程度的破坏,降低了煤体的自

2、身承载力量和对突出的抵挡作用,对松软煤层或地质构造破裂带,影响更为严峻,而这些区域正是突出的多发区。常规的防突措施还存在揭煤时间长,严峻地制约着煤矿的正常生产连接3。 1注浆加固防突机理 1.1煤与瓦斯突出过程分析石门揭开有瓦斯突出危急的煤层时,突出能量集中,突出强度大,瓦斯涌出量高,典型突出比例多,对煤矿生产造成的灾难也最严峻。当石门接近煤层时,在煤岩交界面四周两侧,岩石、煤体的力学性质相差悬殊,这种差异产生其变形的突变(应力不连续),当煤层揭开之前,瓦斯未经排放,保持着原始高压状态或受到掘进集中应力的影响,煤体处于超原始高压状态,这样在煤体受到掘进施工(如放炮瞬间)的影响,煤体内应力状态突

3、然变化,煤体内的应力梯度可能达到很高的数值,在煤岩交界面应力突变值会更高,而且,新暴露煤体的受力状态由三向受力变为二向受力状态,假如此时煤体松软、强度低,不能有效反抗这个高应力的冲击和高压瓦斯膨胀力的作用,就有可能发生煤与瓦斯突出4。 1.2注浆加固防突机理分析 石门揭开突出危急煤层、煤体遭到破坏时,煤体强度及整体性降低、阻挡内部煤与瓦斯突出力量减弱,简单导致大量吸附瓦斯瞬间解吸成游离瓦斯而突然喷出,从而形成煤与瓦斯突出。注浆加固是通过向煤层中压入性能相宜的固化剂,使其渗入到煤层中的裂隙和孔隙。经过注浆,可人为地改善煤岩体的物理力学性质5,有效增加煤体强度,削减煤体与岩体的力学性质的差异,增加

4、煤岩交界面四周围岩的整体性,当石门揭开煤层时可避开煤岩交界面产生变形突变和围岩应力不连续。通过注浆可充填封闭煤层内的裂隙和孔隙,削减瓦斯解吸速度和解吸量、降低煤体的吸附力量,使外部煤体阻滞内部煤体突出的作用得以加强6-7,相比其它常规的防突方法,采纳注浆加固防突还可大大缩短石门揭煤时间。 2试验地点 试验地点选择在淮南某矿1521(3)下风巷出煤斜巷,出煤斜巷位于13-1主采煤层,13-1煤层为高瓦斯突出煤层,矿井自投产以来13-1煤层掘进工作面发生了多起煤与瓦斯突出动力现象。斜巷所处煤层厚度4.0m,煤层倾角14,出煤斜巷仰角15,巷道掘进宽度4.2m,高度3.3m,半圆拱形断面。3注浆加固

5、防突试验过程 1521(3)上风巷出煤斜巷掘进至距13-1煤层底板法距10m时,实施前探钻孔3个,且前探钻孔穿透13-1煤全厚进入煤层顶板不少于0.5m。钻孔直径为75mm,取芯并测定钻孔内煤体的瓦斯放散初速度、煤体的平均结实性系数等指标。在距13-1煤层底板法线距离5m时,采纳75mm钻头在工作面钻2个测压孔,安装压力表测定13-1煤的瓦斯压力。测压孔应布置在岩层较完整的地点,且测压孔与前探钻孔见煤点,间距不少于5m。封孔完毕后经过24h水泥凝固后,安上压力表(压力表量程为010MPa)进行测压,实测瓦斯压力高达5.6MPa。 3.1煤体突出危急性猜测 煤层突出危急性猜测采纳D、K综合指标法

6、进行猜测。在打测压孔的过程中,每米煤孔取一个煤样,测定煤的结实性系数(f),将2个测压孔所得的结实性系数最小值加以平均作为煤层软分层的平均结实性系数,最终将结实性系数最小的2个煤样混合后,测定煤的瓦斯放散初速度指标(P)。D、K指标的计算方法为: D=0.0075Hf-3(p-0.74)K=P/f式中D煤层突出危急性综合指标之一; K煤的突出危急性综合指标之二; H开采深度,H=620m; F煤层结实性系数,f=0.21; p煤层瓦斯压力,MPa; P煤层瓦斯放散初速度指标,取:P=9。经计算可得:D=92,K=42.9。按煤矿平安规程规定:突出的临界值为D=0.25、K=15。可见2个猜测指

7、标都超限,试验地点具有突出危急性,13-1煤为突出危急煤层。 3.2注浆加固施工 由于井田13-1煤为突出危急煤层,出煤斜巷揭开13-1煤层时需实行防突措施,本次试验拟采纳煤体注浆加固防突技术。巷道掘进至距13-1煤层底板法线4m时,施工注浆钻孔,压注波雷因浆液对有突出危急的煤层进行加固。 3.2.1注浆钻孔设计 沿巷道周边垂距4m范围内进行注浆加固,在煤层中实际沿巷道周边爱护带范围沿巷道倾斜方向上下各8.2m、巷道沿走向方向在煤层顶板处左右各5.4m。出煤斜巷掘进至煤层法距4m时,在迎头打注浆孔,液集中半径设计为1500mm,实际布置钻孔40个,钻孔总长度652.93m,其中煤层段注浆段长度

8、241.23m。注浆钻孔布置总体设计如表1所示。煤层底板钻孔布置如图1所示。 表1钻孔总体设计参数表 煤层厚度/m煤层倾角/()最小法距/m注浆半径/m钻孔行间距/m钻孔列间距/m 41441.500.600.30 3.2.2注浆材料及设备选择 选择波雷因作为注浆材料,波雷因产品由A、B两种液体组份组成,施工时按11的比例充分混合后,其凝固时间可在几秒至数分钟内可人为调整,膨胀系数为25倍,最大抗压强度为50MPa,注浆施工时浆液可产生二次渗透压力,并能渗透至煤岩层深部微细裂隙内,可对煤体或破裂围岩进行有效加固。注浆设备选择QB-12型高压气动双液注浆泵,该泵以压缩空气作动力,气控自动换向,注

9、浆压力可调,最大注浆压力可达30MPa。 3.2.3注浆量计算 煤层注浆介质可以视为孔隙渗流模型,可按有关渗透理论对注浆参数进行计算8:w=knhr2式中w注浆量,103kg;r浆液的集中半径,依据阅历取r=1.510煤矿平安(Total386)技术阅历m; k浆液消耗系数,一般取k=1.11.2;浆液密度,对波雷因材料,取=1.18103kg/m3; 浆液充填系数,取=0.75;h注浆孔在煤层中的深度,平均取h=5m; n注浆介质煤体的孔隙率,n=1.0%。将以上各参数的取值代入注浆参数计算公式,可得单孔注浆量w=375kg;共布设40个钻孔,则总注浆量为15000kg。 3.3注浆后突出危

10、急猜测 完成注浆后,在打测压孔的过程中,每米煤孔取一个煤样,采纳综合指标进行突出危急性猜测,测定煤的结实性系数(f),将2个测压孔所得的结实性系数最小值加以平均作为煤层软分层的平均结实性系数,最终将结实性系数最小的2个煤样混合后,测定煤的瓦斯放散初速度指标。猜测指标不超限时,才视为无突出危急。并在实行执行超前钻孔探测措施才能进行揭煤,每循环进尺前在巷道迎头顶部垂直煤层向上打2个深度为3.0m以上的超前钻孔,使钻孔超前距离始终不小于2.0m,以确保平安岩柱的长度。 3.4试验结果 注浆后煤体结实性系数为5.5,瓦斯放散初速度为0.8,煤层钻孔内实测瓦斯压力为0.04MPa。经计算得D=1.54,

11、K=0.15,可见两猜测指标没有超限,可视为无突出危急,可以保证平安揭煤。试验地点1521(3)下风巷出煤斜巷只用20d时间即通过有突出危急煤层,相比常规揭煤防突措施约提前6个月完工。 4结论 (1)石门揭开有瓦斯突出危急的煤层时,在煤岩交界面四周两侧,岩石、煤体的力学性质相差悬殊,这种差异空简单产生变形突变(应力不连续),假如煤体松软、强度低,不能有效反抗这个高应力的冲击和高压瓦斯膨胀作用,就有可能发生煤与瓦斯突出。注浆加固防突机理主要体现在增加煤体强度和煤岩交界面的整体性,削减岩石和煤体的差异性。 (2)在石门揭开有突出危急煤层现场施工工程中,采纳波雷因材料、风动注浆泵及相应注浆新工艺有效地防止了煤与瓦斯突出,整个防突工程只用15天即完成,相比常规揭煤防突措施约提前6个月完工,技术经济效益非常显著。 (3)注浆加固防突新技术可克服常规防突方法的不足,在制定相