超前顶板巷卸压消突技术的试验及应用研究＊

胡胜勇 周福宝 夏同强 刘应科

(中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

★煤矿安全 ★

超前顶板巷卸压消突技术的试验及应用研究＊

胡胜勇 周福宝 夏同强 刘应科

(中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

结合乌兰煤矿的实际条件,针对松软低透煤层抽放消突效果不理想的情况,从采掘布置上研究了超前顶板巷卸压消突方法。使下部煤层瓦斯得到有效释放,最终消除瓦斯积聚和释放应力。

巷道布置 瓦斯防治 超前卸压 卸压巷道

AbstractBased on the actual conditions in Wulan Coal Mine combined with the not-so-ideal burst control measures realized by way of gas extraction from soft coal seams with lower permeability,more attention is given to a research on mining and heading arrangements for gas pressure reduction in advance roof entry based burst control method.In this way,gas in lower coal seams will get its free and effective release,thus finally eliminating gas accumulating and inflow stress.

Key wordsentry arrangement,gas control,advance pressure reduction,pressure reducing entry

1 前言

对于松软低透煤层而言,顺层孔及穿层孔预抽瓦斯效果较差。经现场打钻考察可以发现:虽然每次施工了50～60 m的抽放钻孔,但当钻杆离开钻孔后,钻孔很快就塌孔,从孔口只能看到2～3 m钻孔,严重影响钻孔的瓦斯抽放效果。目前,对透气性差的煤层,主要采取超前钻孔法、保护层开采卸压法及超前卸压巷道消突法实施应力释放防突。超前卸压巷道消突法就是在待开掘的巷道上方或下方一定距离施工一条巷道提前释放应力。突出矿井应当根据实际状况和条件,制定出合理的防突措施。本文结合乌兰矿的实际条件,从采掘布置对地应力变化的影响方面,在5347工作面试验并应用了超前顶板巷卸压消突技术。

2 矿井及试验区概况

乌兰煤矿是神华宁夏煤业集团公司所属骨干企业之一,已有30多年的开采历史,2008年核定矿井生产能力2.40 Mt/a,实际生产能力1.73 Mt/a,产品为优质动力煤。乌兰煤矿瓦斯灾害十分严重,建矿以来,曾多次发生煤与瓦斯突出事故。近年来,随着矿井采掘活动的延伸,地应力、瓦斯压力增大,煤层瓦斯含量增高,瓦斯灾害越来越严重,瓦斯问题已成为制约乌兰煤矿高效、安全生产的根本问题。

5347综放工作面位于乌兰井田南翼采区二水平一阶段,开采3#煤层,工作面煤 (岩)层倾角为17～25°,平均19°。其邻区5337工作面已采空,5336工作面局部区域已采空,其余均未开采。根据巷道实际及钻孔揭露资料分析,本工作面内煤厚4.55～20.66 m,平均煤厚8.4 m,其中纯煤厚为7.48 m,一般有5～6层夹矸,夹矸累计厚为0.92 m,煤层结构复杂,煤层下部煤较软,尤为严重的是底分层有2.5 m左右厚构造软分层,易片帮漏顶,中上分层节理发育,极易破碎,上部煤较硬。5347工作面南边位于保护层卸压保护范围内,北边为未卸压区。超前顶板巷卸压消突法试验区选择在5347北边未保护区,其原始瓦斯含量为9.31 m3/t,煤层透气性系数介于0.010～0.127 m2/﹙MPa2·d﹚之间。工作面平面图见图1。

图1 5347综放工作面平面图

3 巷道布置原则及方案

3.1 巷道布置原则

(1)工作面瓦斯含量为9.31 m3/t,为了解决以后工作面回采时上隅角及回风的瓦斯超限问题,卸压巷布置在被卸压巷的上面,作为工作面回采时的瓦斯排放巷。

(2)为了缓解采掘接续紧张的局面,选择在煤层中布置卸压巷。

(3)3#煤层较厚,且上部煤较硬,其沿底板掘进的突出危险性大于沿顶板掘进,从防突的角度选择卸压巷沿煤层上部顶板掘进。

(4)日本能源中心专家斋藤完治等现场考察后,结合其本国的经验建议:被卸压巷与卸压巷间的平距介于5～12 m之间,卸压巷超前被卸压巷至少20 m掘进,这样能够使被卸压巷在卸压巷的充分卸压区内施工。

(5)卸压巷与被卸压巷在掘进过程中严格采取“四位一体”防突措施。

3.2 巷道布置方案

根据现场实际的煤层赋存情况,最终确定巷道的布置方案如下:

5347顶板巷 (卸压巷)沿顶掘进,与5347风巷 (被卸压巷)内错11.5 m布置,掘进时始终超前风巷30 m,目的是掩护5347风巷的顺利掘出,巷道布置示意图见图2。

图2 巷道布置示意图

3.3 煤巷掘进时的防突措施

5347顶板巷与5347风巷在掘进时严格执行《防突规定》“四位一体”防突措施,即:预测预报、防突措施、效果检验、安全防护。在防突预测方面采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性,使用WTC瓦斯突出参数仪测定最大钻屑量Smax和钻屑解析指标 K1,根据最大钻屑量 Smax和K1值预测工作面的突出危险性。当预测有突出危险性时,沿掘进工作面方向布置瓦斯排放钻孔。执行局部防突措施后,继续采用钻屑指标法对工作面防治突出措施进行效果检验,当实测指标都小于临界指标时,工作面防治突出危险措施有效,只要有一个指标等于或大于临界值,工作面防治突出措施无效。当措施无效时,采取工作面短孔排放补充措施,消突措施效果经检验有效后,方可采取安全防护措施施工。

4 卸压效果

防突预测钻孔每钻进1 m测定该1 m段的全部钻屑量,如果实测得到的钻屑量大于等于6 kg/ m时,则该工作面预测为有突出危险工作面。在方案实施过程中,收集了乌兰矿5347风巷和顶板巷防突预测中的最大钻屑量值Smax,其随巷道掘进长度的变化情况如图3所示。

由图3可知,5347顶板巷实测的所有最大钻屑量Smax明显都要高于5347风巷的 Smax;顶板巷道在35～41 m处出现了两次Smax大于6 kg/m的情况,即在此范围内两次预测有突出危险性,需采取防突措施,而在5347风巷掘进到此位置时 Smax为2.2 kg/m左右,远远小于《防突规定》中的临界值6 kg/m,由此可见顶板巷的超前掘进对风巷造成了明显的卸压效果。

图3 Smax随巷道掘进长度的变化情况

现场实测的5347顶板巷的供风量为450～476 m3/min,瓦斯浓度为0.24～0.52%;5347风巷的供风量为442～465 m3/min,瓦斯浓度为0.12～0.28%。在5347顶板巷掩护风巷掘进过程中出现了明显的瓦斯涌出量差异,两条巷道的瓦斯涌出量差异变化关系如图4所示。

图4 两条巷道的瓦斯涌出量差异变化关系

由图4可知:5347顶板巷的瓦斯涌出量为1.087～2.387 m3/min;5347风巷的瓦斯涌出量为0.536～1.246 m3/min;5347顶板巷的瓦斯涌出量始终高于风巷的瓦斯涌出量。说明临近风巷的卸压瓦斯涌入5347超前掘进顶板巷,从而造成相邻巷道的瓦斯涌出量的明显差异。

5 结论

(1)从现场实测的钻屑量数据及瓦斯涌出量数据可以看出:本次超前顶板巷卸压消突技术的试验很成功,卸压效果明显,大大降低了被卸压巷的地应力并释放了其瓦斯,为突出煤层掘进工作面快速掘进探索了一条有效途径。

(2)本次试验选择的超前卸压巷为煤巷,并位于被卸压煤巷的上方,而超前卸压巷道还可选择在被卸压巷道的上、下方的岩石或煤层中。如极近相邻煤层的风、机巷分别同时掘进,上覆煤层的巷道作为下覆煤层巷道的超前卸压巷,这种布置方式可有效降低掘进前方煤体的突出危险性。

(3)超前卸压巷道的卸压范围、破坏范围、最小超前距离及与被卸压巷道的合理相对位置等有待进一步考察。

[1]袁亮.淮南矿区高瓦斯复杂地质条件安全高效开采[A].中国煤炭学会第六次全国会员代表大会暨学术论坛论文集 [C],2007

[2]林府进,徐贵发,董钢锋.松软突出煤层顺层长钻孔成孔技术研究 [J].矿业安全与环保,2006(4)

[3]于不凡.煤和瓦斯突出机理 [M].北京:煤炭工业出版社,1985

[4]刘操,张澜涛.煤巷掘进突出预测指标研究 [J].河南理工大学学报,2009(4)

(责任编辑 张毅玲)

A research on the tests and application of burst control technology realized in advance entry opened in roof strata

Hu Shengyong,Zhou Fubao,Xia Tongqiang,Liu Yingke
(School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu province 221116,China)

TD712.6

B

胡胜勇 (1984-),男,湖北随州人,中国矿业大学安全工程学院硕士研究生,研究方向:矿井瓦斯防治。

＊国家自然科学基金资助项目 (50604014),教育部新世纪优秀人才资助项目 (NCET-08-0838)