突出煤层掘进工作面综合防突措施研究

郭旭峰

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 概述

山西新元煤炭有限责任公司3412进风巷位于井田一水平四采区，工作面西邻3411工作面，南邻西胶带运输大巷、西辅助运输大巷、西回风大巷(北)，东邻3413工作面，北抵新元矿矿界。3412进风巷设计长度为1946m，巷道断面规格为：宽×高=5.2×3.2m，回采煤层为3#石炭系煤层，煤层平均厚度为2.4m，煤层平均倾角为6°，根据相关部门对新元矿3#煤层瓦斯鉴定结果显示，3#煤层相对瓦斯涌出量为21m3/t，绝对瓦斯涌出量为209.93m3/min，煤层具有瓦斯突出危险性。

3412进风巷沿3#煤层底板平行掘进，掘进工作面无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为3.8m，基本顶主要细砂岩为主，平均厚度为7.2m，工作面采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进560m。巷道在前期掘进期间受煤层高浓度高压力瓦斯影响，工作面瓦斯浓度在0.8%～1.2%之间，经常出现工作面瓦斯超限断电现象，且巷道在掘进至220～490m之间共计发生三次瓦斯突出事故，最大一次突出事故时突出煤量达52m3，突出瓦斯量达8.7m3，造成工作面支护及机电设备损坏严重，经济损失达72万元，严重威胁着巷道安全施工。对此山西新元煤炭有限责任公司通风部防突队通过技术研究，决定对3412进风巷后期掘进期间，采取“瓦斯预抽+超前卸压+钻孔注水+松动爆破”等综合防突措施，力求保证巷道安全快速掘进。

2 3412进风巷综合防突措施应用

2.1 瓦斯预抽防突技术措施

1）原理：通过对掘进煤层施工抽放钻孔、建立抽放系统进行瓦斯预抽，可有效降低煤体内瓦斯浓度及压力，使煤体卸压释放部分弹性潜能，提高煤体透气性及强度，加大了煤体抗突出阻力。

2）瓦斯抽放系统：采用ZDY4000S钻机以及长度为1.5m，直径为64mm钻杆，并配套直径为105mm钻机钻头10个，直径为133mm扩孔钻头2个等进行钻孔施工；采用型号为BJW60YJ型水环式真空泵作为移动抽放泵，泵站抽放瓦斯能力为72m3/min；采用直径为200mm，长度为5.0m无缝钢管作为抽放管路；采用聚氨酯作为封孔材料，封孔长度不得低于8.0m。

3）抽放钻孔布置参数：①3412进风巷掘进工作面共布置两排瓦斯抽放钻孔，每排布置四个钻孔，上排钻孔距顶板1.0m布置，下排钻孔距顶板2.0m布置，钻孔间距为1.0m，钻孔深度为60m；②上排钻孔以5°仰角布置，下排钻孔垂直工作面煤壁布置，其中两帮钻孔与巷帮成10°夹角布置，如图1所示。③每个钻场瓦斯抽放时间不得低于10d，瓦斯抽放后掘进时超前允许掘进距离为40m。

图1 新元矿3412进风巷瓦斯抽放钻孔平、剖面示意图

2.2 超前卸压防突技术措施

1）原理：在掘进工作面煤体施工一定数量的超前钻孔，使工作面煤壁前方一定距离煤体卸压、释放瓦斯，并将应力集中带及瓦斯压力带向前推移，延长煤体卸压带（安全带），从而达到防突的目的。

2）超前卸压孔布置参数：3412进风巷掘进工作面共布置16个卸压孔，其中长壁与短壁卸压孔各八个且相间布置，长壁卸压孔孔深为32m，直径为105mm，短壁卸压孔孔深为3.5m，孔径为42mm，卸压钻孔均匀布置工作面煤壁断面上，中间孔垂直煤壁布置，帮孔与巷帮成15°夹角布置，顶孔成15°仰角布置，底孔成15°俯角布置；其中打一次长壁卸压孔允许掘进距离为20m，打一次短壁卸压孔允许掘进2.0m。

2.3 高压注水防突技术措施

1）原理：在煤体内施工注水钻孔并采用高压水作为动力挤压煤体，使煤体产生裂隙，加大了煤体透气性，从而使煤壁前方高浓度高压力瓦斯被提前挤压施工，并增大泄压带，从而降低煤体突出危险性。

2）注水系统：高压注水系统主要包括着3BZ-140/20型注水泵、压力表、高压注水管、封孔器、控制阀、流量表等，其中注水泵功率为55KW,注水压力为20MPa，注水流量为140L/min。

3）注水钻孔布置参数：3412进风巷工作面煤壁共布置两排高压注水钻孔，每排3个，第一排钻孔施工在距巷道顶板1.0m处，第二排钻孔施工在距巷道顶板2.5m处，钻孔直径为50mm，深度为25m，其中两帮钻孔与巷帮成30°夹角布置，中间钻孔垂直煤壁布置。

4）注水工艺：高压注水钻孔施工完后，采用高压泵依次向钻孔内注水，注水压力不得低于15MPa，在注水过程中发现邻孔有出水现象时及时停止注水，并开始对第二个钻孔进行注水，通过现场观察记录发现，第一个注水孔注水时间在10min左右，其它注水孔注水时间在6min左右。

2.4 松动爆破防突技术措施

1）原理：在煤层突出临界指标变化不明显时，采用松动爆破的方法时突出煤层产生距离震动，瞬间改变前方煤体应力及瓦斯动力状态，从而诱导煤体提前发生突出，保证巷道掘进安全。

图2 3412进风巷松动爆破炮眼布置参数及平剖面示意图

2）松动爆破施工工艺：①工作面共布置三排松动爆破孔，每排四个，钻孔间距为1.5m，钻孔排距为1.0m，第一排钻孔施工在距顶板0.5m处，钻孔排距为1.0m，钻孔深度为2.0m，钻孔直径为42mm，其中帮孔、顶底孔与煤壁成75°夹角布置，其它钻孔垂直煤壁布置，如图2所示；②每个钻孔填装一支长度为300mm，装药量为300g矿用乳化炸药，钻孔装药后采用水炮泥进行封孔，封孔长度不得低于0.5m，每次爆破钻孔数量不得超过五个。

2.5 防突措施指标选择

新元矿对3#煤层煤与瓦斯突出预测预报中采用煤岩体普氏系数f、钻屑解吸特征K1值以及破坏类型作为敏感指标，将突出区域分为三类：严重突出危险区域、突出危险区域和突出威胁区域。

1）严重突出危险区域：破坏类型为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，岩体普氏系数f≤0.5，且钻屑解吸特征K1≥0.9ml/（g.min0.5）。

2）突出危险区域：破坏类型为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，岩体普氏系数0.5＜f＜0.6，且钻屑解吸特征0.7≤K1＜0.9 ml/（g·min0.5）。

3）突出威胁区域：破坏类型为Ⅱ、Ⅲ，岩体普氏系数f＝0.6，且钻屑解吸特征K1＜0.7ml/（g.min0.5）。

3 应用效果分析

3412进风巷在后期掘进期间采取“瓦斯预抽+超前卸压+钻孔注水+松动爆破”等综合防突措施，有效降低了巷道掘进时瓦斯涌出量，工作面瓦斯浓度控制在0.5%以下，未发生一起瓦斯超限断电现象；大大降低了掘进煤层瓦斯突出危险性，在后期回采时巷道掘进867m处在揭露F4断层时仅发生一次煤与瓦斯突出事故，但突出煤量仅为11.2m3，瓦斯喷出量为2.4m3，未造成煤矿人员伤亡及经济损失；同时采取综合防突措施后大大提高了巷道掘进效率，由原来巷道掘进量为3.5m/d，提高至8.7m/d，实现了巷道安全高速掘进。

4 结束语

山西新元煤炭有限责任公司通风部防突队通过技术研究，对3412进风巷掘进期间采取“瓦斯预抽+超前卸压+钻孔注水+松动爆破”等综合防突措施，实际应用效果表明，采取综合防突措施，降低了工作面瓦斯涌出量，消除了掘进煤层煤与瓦斯突出危险性，提高了巷道掘进效率，取得了显著成效。