淮北矿业集团

会计学1淮北矿业集团1.引言

煤与瓦斯突出是煤矿严重的自然灾害之一，是煤体在地应力和瓦斯的共同作用下发生的一种异常动力现象。我国是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家之一。淮北矿区是我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重矿区之一，历史曾发生数十起煤与瓦斯突出，最大一次曾突出煤10500吨。在全国众多的突出事故中，根据突出强度与巷道突出类型关系可知，发生在石门的突出强度最大，千吨以上的特大型突出事故中，石门揭煤工作突出就占77%。1.1遇到的问题第1页/共28页

淮北矿区地质构造复杂，断裂及褶皱构造分布广泛，煤层厚度变化较大，在石门揭煤过程中常遇到突出煤层增厚区，给石门揭煤带来困难。尤其是对于缓倾斜、特厚、极松软低透气性强突出煤层石门揭煤，穿煤段距离长达几十米，甚至上百米，石门揭煤突出危险性大。第2页/共28页1.2解决的方法

传统解决方法根据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十九条规定，采用穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施时，当钻孔不能一次穿透煤层全厚时，应当保持煤孔最小超前距15m。需要分段采区措施，分段施工，一是停头次数多，揭煤时间长；二是突出危险性大，巷道施工无法得到保证。对于此种特殊情况下的石门揭煤，需寻求新的区域防突方法。

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新技术方法为了实现区域性瓦斯治理，缩短揭煤工期，针对缓倾斜、特厚、松软、强突煤层石门揭煤特点，研发了顶板岩巷穿层钻孔综合水力化石门揭煤区域防突技术。该技术采用顶板岩巷穿层钻孔的水力钻进—水力冲煤—水力润湿的综合水力化防突工艺，冲出大量的煤体及瓦斯，降低控制区域煤体应力，增加煤层透气性，加速瓦斯排放，同时软化煤体，降低煤层突出危险性。顶板岩巷穿层钻孔与迎头钻孔共同控制整个揭煤区域，达到区域性消突的目的。同时建立了该技术的效果考核指标体系，主要包括水力冲煤量、煤体含水率、残余瓦斯压力及残余瓦斯含量，分析确定了各指标防突临界值。第4页/共28页2.顶板岩巷综合水力化区域防突技术工艺

顶板岩巷综合水力化区域防突技术是以水力钻进—水力冲煤—水力润湿技术工艺，冲出大量煤屑及瓦斯、卸载煤体应力、增加煤体塑性、增加煤层含水率软化煤体为主要机理的防突技术。顶板岩巷综合水力化防突工艺流程见下图。第5页/共28页具体施工工艺（1）水力钻进钻孔施工过程中，钻头旋转，机械破煤，同时钻杆排出的高压水随着钻杆旋转进行水力破煤。较软的煤体及钻孔钻进方向的煤体被破碎，在水压作用下排出孔外。（2）水力冲煤水力冲煤过程包括高压水力冲煤与低压水力冲刷过程，通过高压水力破煤，增大钻孔孔径，同时加快钻孔周围裂隙的发育，增加煤层透气性，降低煤体应力。水力冲刷时水压低于高压水力冲煤的水压，依靠钻杆上下不断抽动，冲刷钻孔孔壁，将软煤及破碎煤体冲出孔外，可以有效增大钻孔孔径，增加钻孔卸压范围。高压水力冲煤水压为10MPa，低压水力冲刷水压为1.5MPa。（3）水力润湿钻孔施工完毕后，封孔，连接井下水管，进行静压注水，润湿煤体，增加煤体含水率，静压注水降低了硬煤分层的强度,增加了硬煤分层的塑性,由此导致整个煤层软化,使石门揭煤工作面前方产生一个较长的破裂带和卸压带,使得具有突出危险的软分层内瓦斯能够在暴露前提前释放，有效降低了石门揭煤工作面突出危险性。水力润湿时间不低于10天。第6页/共28页施工装备

综合水力化技术使用主要装备包括：高压注水泵、钻机、防喷孔装置及井下配套设施。设备连接如下图所示。第7页/共28页3.技术考核指标评价体系

淮北矿区构建了“设计、施工、验收、评价”的防突管理程序，实行采掘工作面防突安全准入制度，区域瓦斯治理效果未经评价，严禁进行采掘活动。针对顶板综合水力化区域防突技术，建立了技术效果考核指标评价体系。

根据顶板岩巷综合水力化防突机理，结合现场试验，建立了顶板岩巷综合水力化区域防突技术考核指标评价体系。考核指标按优先顺序为：冲煤量指标、煤体含水率指标、残余瓦斯压力及残余瓦斯含量指标。第8页/共28页1冲煤量指标

根据《防治煤与瓦斯突出规定》中要求，全断面冲出的煤体总量（t）数值不得小于煤层厚度（m）乘以20。为了便于指标的现场应用，可根据此规定计算冲出煤量（20倍煤厚）占控制范围内煤体总量百分比，计算方法如下：式中：η——20倍煤厚占控制范围内煤体总量百分比，%；H——煤层厚度，m；α——煤层倾角，°；a——巷道高度，m；b——巷道宽度，m；ρ——煤体假密度，t/m3。

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淮北矿区煤层倾角较小，多为缓倾斜煤层，以青东煤矿为例，该矿7煤层倾角为22.3°，煤层平均厚度为1.9m，巷道高度为4m，宽度为5m，带入上式计算冲出煤量（20倍煤厚）占控制范围内的煤体总量百分比为1.34%。按照《防治煤与瓦斯突出规定》中水力冲孔冲煤量要求，计算出一般情况下冲出煤量（20倍煤厚）占控制范围内煤体总量百分比为1.34%。综合水力化技术要求冲煤量为水力冲孔冲煤量的1.5倍，冲出煤量占控制范围内煤体总量百分比为2.01%，确定综合水力化区域防突技术冲煤量指标临界值为2.0%。第10页/共28页2煤体含水率指标

实验室测试结果表明当煤层含水量增加时，其塑性增强，煤的瓦斯解吸速度也明显降低，其结果导致煤的突出危险性降低。当煤的含水量增大时，煤层的抗压强度、内摩擦角、粘度系数、弹性模量、残余变形量、塑性指数都随煤层中水分增加而下降。在石门揭煤过程中，静压注水可降低硬煤分层的强度,增加了硬煤分层的塑性,由此导致整个煤层软化,使石门揭煤工作面前方产生一个较长的破裂带和卸压带,有效降低了石门揭煤工作面突出危险性。根据国内外有关含水率的指标研究结果，综合水力化区域防突技术含水率指标临界值为4%。3残余瓦斯压力及含量

残余瓦斯压力及残余瓦斯含量指标临界值根据矿井实际考察突出临界值而确定。第11页/共28页4.工程应用及效果4.1工程应用情况

将顶板岩巷综合水力化石门揭煤区域防突技术首次应用于青东东翼回风大巷揭穿8煤过程中，东翼回风大巷揭8煤处探得煤层真厚达17m，煤层倾角为19°，且瓦斯压力大，巷道斜穿煤层。在风井东翼回风石门距8煤法距5.5m处，通过施工探煤孔，探清了煤层层位。如下图所示。第12页/共28页4.工程应用及效果

在距离8煤法距15m处，进行了突出危险性预测，测试结果见下表。在距离8煤法距5.5m处，施工测压孔及探煤孔过程中，多次出现卡钻、顶钻、抱钻（共埋入钻头两个，钻杆40m）现象。前期施工8个探煤孔，有5个孔喷孔，喷出煤量50t左右，施工4个测压孔有3个孔喷孔，综合判定该石门工作面区域具有突出危险性。地点煤层煤层瓦斯压力/MPa△P/mmHgfDK东翼回风石门8煤层1.613.460.2610.9413.3第13页/共28页4.工程应用及效果

针对青东煤矿东翼回风石门所揭8煤煤层及瓦斯赋存特点，本文制定了迎头与顶板巷共同控制揭煤区域的综合区域防突技术措施。主要包括：迎头综合水力化防突措施、顶板岩巷综合水力化防突措施、穿煤段顺层排放及金属骨架煤体固化防突措施。A、迎头综合水力化防突措施

首先，在巷道迎头采用综合水力化措施施工钻孔。由于煤层较厚，若钻孔穿透煤层，终孔间距以2m计算，则需施工400个钻孔，钻孔工程量过大，且钻孔过长，施工困难。因此，前期在迎头共设计了142个钻孔，钻孔布置见如下图所示，保证穿煤钻孔在煤厚6m处（见图中的C-C面）的终孔间距为2m。第14页/共28页4.工程应用及效果

在施工最后10个钻孔过程中仍出现喷孔、卡钻现象。为确保揭煤安全，将巷道轮廓线两侧控制范围扩展到15m，在迎头两侧各施工一个巷帮钻场，在钻场内设计补充施工了56个钻孔，前后共施工198个钻孔，钻孔控制到巷道轮廓线上部8m（沿煤层层面大于12m），左右各15m。在施工钻孔过程中，孔内共喷出煤量约200t。第15页/共28页4.工程应用及效果迎头钻孔空间布置示意图

迎头采用综合水力化防突措施后，冲出大量煤体。经统计，通过钻孔自喷及水力冲煤措施后，石门工作面迎头钻孔内共冲出煤粉量650t。第16页/共28页4.工程应用及效果B、顶板岩巷综合水力化区域防突措施

施工迎头排放钻孔时，由于煤层太厚，钻孔施工困难，只能进入煤层20-28m，迎头钻孔控制范围见图中A区域。迎头施工的排放钻孔无法一次性保护整个揭煤区域。为此，在施工迎头排放钻孔的同时，在迎头后部拐点处沿煤层倾向施工一条顶板岩巷，顶板岩巷与风井东翼回风巷水平投影为15m，距煤层垂距10m。在岩巷中布置两个钻场，在钻场中施工钻孔，控制迎头钻孔未保护到的区域。顶板岩巷钻孔布置剖面见下图。第17页/共28页4.工程应用及效果顶板岩巷及钻孔布置示意图

沿煤层倾向，距煤层垂距10m，共施工长度约104m；巷道采用小断面，宽×高=3.2m×2.8m；在距离起坡点69m处布置1号钻场，巷道端点布置2号钻场，钻场位于巷道右帮，每个钻场内布置140个孔，孔底间距为3m。采用综合水力化措施后，顶板巷钻场钻孔共冲出煤粉量约300t。第18页/共28页4.工程应用及效果C、顺层孔、金属骨架及煤体固化措施

由于煤层较厚，煤层穿煤段区域较长，迎头测定的残余瓦斯压力无法完全判断整个穿煤段的突出危险性。采用了探煤—施工顺层排放孔—效果检验—金属骨架注浆加固—掘进—探煤的循环进尺方式。保证石门穿煤安全，直至进入煤层底板法距5m位置。石门穿煤段，共施工5次金属骨架及固化钻孔掩护递进掘进，循环预测及效果检验共21次。其中，采用分段长距离金属骨架及煤体固化、短距离掘进措施，每一循环施工金属骨架孔及煤体固化段长30m，加固完成后，掘进施工25m，保留5m超前保护距离，骨架孔布置如下图所示。第19页/共28页4.工程应用及效果金属骨架孔置示意图断面图剖面图第20页/共28页顶板岩巷综合水力化石门揭煤区域防突工序第21页/共28页4.工程应用及效果4.2工程应用效果

整个揭煤过程历时10个月（较分段采取措施提前6个月），共施工钻孔478个钻孔，钻孔工程量2万余米，冲出煤量950t，单孔平均冲煤量1.99t，控制区域煤体重量为37282.5t，冲出煤量占控制区域煤体重量的百分比为2.55%，大于冲煤卸压临界值2%的指标。水力化冲煤完毕后，封孔静压注水，现场采集样，实验室检测控制区域煤体含水率达到5.4%，含水率大于4%的临界指标。石门揭煤前测得该处8煤原始瓦斯压力为1.6MPa，采取防突措施后测得残余瓦斯压力为0.35MPa，残余瓦斯含量为4.68m3/t。巷道施工至8煤法距2m处利用远距离爆破安全顺利揭开煤层，并安全快速穿过煤层，石门揭煤防突掘进长度达128m。第22页/共28页4.工程应用及效果4.3揭煤过程中含瓦斯煤体的流变特性分析

风井东翼回风石门在揭8煤过程中，共排出煤量约1000t，包括探煤测压孔喷出约50t、石门工作面钻孔内排出煤粉量约650t、顶板岩巷钻场内排出煤粉量约300t。折合体积约770m3。然而，在揭开煤层后，发现巷道周围没有形成孔洞，已被煤体重新充填，并且煤体被压实，不松散，比较坚硬（软分层的煤体被冲出）。这表明煤层具有强烈的突出危险性，煤和瓦斯发生了流变运移，在采取防突措施，排出防突区域煤体后，强大的突出动力把远处煤体推向揭煤点附近，并重新压实。第23页/共28页4.工程应用及效果4.3揭煤过程中含瓦斯煤体的流变特性分析

风井东翼回风石门在揭8煤过程中，共排出煤量约1000t，包括探煤测压孔喷出约50t、石门工作面钻孔内排出煤粉量约650t、顶板岩巷钻场内排出煤粉量约300t。折合体积约770m3。然而，在揭开煤层后，发现巷道周围没有形成孔洞，已被煤体重新充填，并且煤体被压实，不松散，比较坚硬（软分层的煤体被冲出）。这表明煤层具有强烈的突出危险性，煤和瓦斯