复杂地质条件下煤巷掘进综合防突技术研究与应用

黄超慧，魏宗勇，鄢 耀，沈广辉，吴团辉，李锦良，任本利

(1.平顶山煤业集团四矿，河南 平顶山 467093；2. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3. 西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；4. 河南平顶山天安煤业九矿有限责任公司，河南 平顶山 467000)

0 引 言

随着采煤深度的不断加深，煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，具有突出危险的煤层也越来越多[1-2]；且随着高产高效综合机械化的发展，巷道实现安全快速掘进已成为煤矿生产的必然要求。目前，我国大部分矿井的综掘进度基本上能满足生产要求，但对于高瓦斯突出危险煤层煤巷掘进来说，由于其具有煤与瓦斯突出危险性大、瓦斯涌出量高等特点，致使掘进速度放慢，严重影响矿井巷道掘进速度和安全生产[3-4]。因此，实现高瓦斯突出危险煤层煤巷安全快速掘进已成为亟待解决的关键技术难题。针对突出煤层煤巷快速掘进问题，国内外学者和相关工程技术人员进行了诸多研究[5-10]，也取得了丰硕成果，但针对复杂地质条件下大埋深、高应力、高瓦斯的煤巷掘进防突技术研究相对较少。本文主要根据具体工程实践，首先对煤巷前部区域突出危险性进行预测，其次采用低抽巷穿层钻孔预抽瓦斯技术、煤巷条带深孔卸压释放瓦斯技术、煤层注水技术等多手段综合防突措施进行消突，最后对消突效果进行了校验与验证。结果表明，在多种消突手段联合作用以及根据现场情况调整防突措施参数情况下，成功消除了突出危险性，最后实现了煤巷安全快速掘进施工，以期为相似工程问题提供研究基础和新思路。

1 试验煤巷掘进工作面概况

试验煤巷选取平顶山天安煤业九矿有限责任公司(以下简称“平煤九矿”)己16-17-22050机巷进行试验，该巷道位于己二下延采区东翼，西接己二下延皮带下山，东距井田边界约400 m，南部为己16-17-22050风巷，北部无采动，地面对应位置为弹花锤山东南侧。机巷标高为-570.2～-629.6 m，平均坡度为9°51′，对应的地面位置标高为127～138 m，垂深697.2～767.6 m。

机巷设计长度720 m，煤层平均厚度5 m，煤层厚度变化较大，煤层倾角最大为32°，最小为8°，平均为20°。煤层直接顶为砂质泥岩，厚度约4.8 m，老顶为浅灰色中粒砂岩，直接底约4.8 m厚的砂质泥岩。己16-17-22050机巷条带上方、下方和前方均为实体煤，无采动应力影响，机巷范围内，断层较多。

2 巷道掘进综合防突技术

2.1 区域突出危险性预测

根据掘进工作面前方煤体赋存情况，为了保证煤巷掘进工作的安全开展，首先要对己16-17-22050机巷条带煤体瓦斯突出危险性进行预测。采取煤层瓦斯压力和瓦斯含量进行区域突出危险性预测，经实测，己16-17-22050机巷瓦斯压力最大值为2.1 MPa，瓦斯含量最大值为9.09 m3/t(部分数据见表1)，工作面及测试钻孔布置见图1。瓦斯压力及含量均大于瓦斯压力临界值指标0.74 MPa和瓦斯含量临界值指标8 m3/t。 该煤层坚固性系数f为0.2，瓦斯放散初速度为ΔP为12.6 mmHg,煤破坏类型为Ⅳ型，吸附常数a为23.031 m3/t，b值为0.524 MPa-1。巷道掘进工作面具有煤与瓦斯突出危险性，必须采取相应的区域防突措施进行消突。

表1 机巷区域突出危险预测

2.2 区域防突措施选取

为有效保障己16-17-22050机巷煤巷安全掘进，高效地对该区域进行消突，结合其他矿井经验和现场实际制定了低抽巷穿层钻孔预抽瓦斯、煤巷条带深孔卸压释放瓦斯和煤层注水等多措施相结合的综合消突方案。低抽巷穿层钻孔对煤巷条带进行预抽；煤巷条带深孔卸压释放瓦斯作为补充措施；煤层注水进一步的软化煤体，利用高压水在其孔隙、裂隙中流动、扩散和渗透，起到水力疏松和挤出煤体瓦斯的作用，使煤层近工作面部分卸压和释放瓦斯。同时，增强煤的可塑性，煤的弹性模数降低，应力分布变得均匀，使应力集中带前移，增加了巷道卸压带长度。

2.2.1 低抽巷穿层钻孔预抽瓦斯技术

采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为区域防突措施，设计机巷低抽巷与机巷帮对帮外错10.4 m，与煤层下界垂距为9 m，机巷低抽巷与机巷施工方位角相同，在己16-17-22050机巷低抽巷内向煤巷掘进工作面煤体超前进行打钻卸压和抽放。

根据平煤股份瓦斯所提供的《己16-17-22050机巷低抽巷水力冲孔影响半径初步分析报告》，己16-17-22050机巷低抽巷水力冲孔影响半径：冲孔直接影响半径4～5 m，冲孔后钻孔封孔接抽一周抽放半径可达4 m以上。水力冲孔影响半径采用压力法。

基于试验，在对应于己16-17-22050机巷低抽巷的位置每隔4 m布置一组穿层预抽钻孔，每组设计17个钻孔，每组1#钻孔开孔位置距离巷道底板1.9 m，钻孔间距为0.3 m。设计穿层预抽钻孔终孔位置控制到机巷巷道两侧轮廓线外各30 m，穿层钻孔全程下套管。穿层预抽钻孔布置剖面见图2。

图1 采煤工作面及测试钻孔布置

Fig.1 Coal mining working face and test drilling layout

图2 低抽巷穿层预抽钻孔布置剖面图

Fig.2 Cross-sectional layout of pre-drainage boreholes in low suction roadway

为有效提高低抽巷穿层钻孔的煤层瓦斯抽采效率，选用水力冲孔的水力方法对煤层卸压与增透。水力冲孔选取奇数组1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#九个钻孔；偶数组2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#八个钻孔。 预抽钻孔在施工完后采用高压水冲孔，水力冲孔压力设定为10～15 MPa，该冲孔压力是根据最佳冲出煤量、影响半径确定。

2.2.2 煤巷条带深孔卸压释放瓦斯技术

为了进一步消除该煤巷掘进工作面突出危险性，以及工作面前方应力，使工作面前方煤体卸压、排放瓦斯和观察突出预兆，综合采用了煤巷条带顺层钻孔深孔卸压释放瓦斯技术和煤层注水技术相结合的消突措施。

煤巷条带深孔卸压释放瓦斯钻孔终孔位置控制到巷道上帮轮廓线外15 m、下帮轮廓线外5 m、工作面前方60 m范围，根据煤层厚度与控制范围，设计2排，每排6个，共计12个，其投影孔深为60 m的深孔卸压释放钻孔。 深孔卸压释放瓦斯钻孔布置断面图与平面示意图见图3和图4，表2为深孔卸压释放瓦斯钻孔设计参数表。每循环深孔卸压释放钻孔施工完毕后，允许进尺40 m，保留20 m超前距。

图3 深孔卸压释放钻孔断面布置示意图

Fig.3 Diagram of section layout of deep hole pressure relief drilling

图4 深孔卸压释放钻孔平面布置

Fig.4 Diagram of section layout of deep hole pressure relief drilling

表2 钻孔参数表

注：偏角“-”为左偏，开口高度、钻孔倾角可根据现场煤层赋存情况在现场自行调整

2.2.3 煤层注水技术

煤层注水钻孔设计2排，每排6个，共计12个注水钻孔，投影孔深22 m。注水钻孔终孔位置控制巷道两侧轮廓线外各5 m、工作面前方22 m，煤层注水压力不低于8 MPa。煤层注水钻孔布置断面图与平面示意图见图5和图6。

图5 煤层注水钻孔布置断面图

Fig.5 Section diagram of water injection borehole arrangement in coal seam

图6 煤层注水钻孔布置平面图

Fig.6 Layout plan of water injection boreholes in coal seam

2.3 区域防突措施效果检验

区域防突措施效果检验采用实测残余瓦斯压力和残余瓦斯含量。当实测煤体残余瓦斯压力小于0.74 MPa、残余瓦斯含量小于8 m3/t，并且效检打钻期间未出现喷孔、顶钻、响煤炮等瓦斯动力现象时，效检区域为无突出危险区；当实测煤体残余瓦斯压力大于等于0.74 MPa、残余瓦斯含量大于等于8 m3/t或效检打钻期间出现喷孔、顶钻等任一瓦斯动力现象时，则此检验测试点周围半径100 m内的预抽区域均判定为预抽防突效果无效，即为突出危险区，对检验点周围半径100 m内进行加密穿层预抽钻孔或延长抽放时间后，并再次进行区域措施效果检验直至效果检验指标达到临界值以下。

在机巷预抽范围内，在对应于机巷低抽巷的位置每隔50 m布置一个效检孔，效检孔布置在两组措施孔中间，终孔位置控制到机巷巷道中间，测定预抽范围内残余瓦斯压力和残余瓦斯含量，效果检验钻孔布置剖面图见图7。

图7 效果检验钻孔布置剖面示意图

Fig.7 Diagram of borehole arrangement profile for effectiveness inspection

经过区域防突措施效果检验，瓦斯压力、瓦斯含量都降到安全值以下，瓦斯压力最高值为0.5 MPa，瓦斯含量最高值为3.56 m3/t。 表3是区域突出危险预测时，危险性最大区域采取措施后的效果校验值。

表3 区域防突措施效果检验

2.4 区域验证

2.4.1 区域验证方法

在己16-17-22050机巷煤巷掘进过程，采用以复合指标法为主，钻屑指标法为辅的区域验证指标体系对机巷掘进工作面进行区域验证。

用风动钻机带动直径42 mm麻花钻杆进行打钻，钻进速度控制在每分钟1 m，钻进到2 m时，开始测定钻屑瓦斯解吸指标K1值、Δh2值；偶数米测定K1值，奇数米测定Δh2值，每米测定瓦斯涌出初速度q值以及钻屑量S值，当以上指标均不超限时，为无突出危险工作面，当以上指标任一超限时，为突出危险工作面。经试验，各项指标临界值见表4。

表4 区域验证指标及临界值

2.4.2 区域验证钻孔布置

在工作面向前方煤体施工3个直径为42 mm、孔深为9.0 m的验证钻孔，钻孔应当尽量布置在软分层中，一个钻孔位于掘进巷道断面中部，并平行于掘进方向，其他钻孔开孔口靠近巷道两帮0.5 m处，终孔点位于巷道断面两侧轮廓线外3 m处。区域验证钻孔布置断面图与平面图见图8和图9。在区域验证钻孔中不得与其他孔穿孔，若发生穿孔，重新打孔进行测试。

2.4.3 区域验证结果分析

以下列举了己16-17-22050机巷2019年3月区域验证测试数据，其中，复合指标法q值、S值数据见表5。由表5可知，3月份机巷测试17次，其中，瓦斯涌出初速度q最大值为2.56 L/min，低于临界值4.5 L/min，钻屑量S最大值为3.5 kg/m，低于临界值5.5 kg/m，验证为无突出危险性。

图8 区域验证钻孔布置断面示意图

Fig.8 Section diagram of borehole arrangement for regional verification

图9 区域验证钻孔布置平面示意图

Fig.9 Plane sketch of borehole layout for regional verification

表5 区域验证指标测试记录表

图10是机巷掘进451～469 m掘进段中3个验证孔钻屑指标法Δh2、K1值的最大值。 由图10可知，钻屑解吸指标Δh2最大值为60 Pa，低于临界值200 Pa；钻屑解吸指标K1最大值为0.03 mL/(g·min1/2)，低于临界值0.5 mL/(g·min1/2)。测试期间最大值均小于临界值，且在区域验证过程中未出现喷孔、煤炮声、顶钻、夹钻等异常情况，说明区域防突措施有效，该区域验证为无突出危险性。

图10 钻屑指标法测试值

Fig.10 Test value of drilling cuttings index method

区域验证为无突出危险时，在采取安全防护措施后允许进尺6 m，保留不低于2 m的预测超前距；区域验证指标超标或施工超前钻孔发现了突出预兆，重新实施区域防突措施，以致验证指标降到临界值以下。经过三种手段的综合应用，最终有效地消除了突出危险，实现了巷道的安全快速掘进。

3 安全防护措施

为确保机巷巷道的安全掘进，结合机巷掘进的现场实际，采取安全防护措施主要有独立通风系统、避难硐室、反向风门、远距离放炮、压风自救系统以及个体防护等。

1) 己16-17-22050机巷施工了专用独立回风通道与己二回风下山连通，保证工作面回风流经专用回风通道直接进入专用回风下山。

2) 在机巷距离回风口每隔300 m构筑一个避难硐室，避难硐室构筑在人行侧。避难硐室外设置物理反光等醒目警示标志，强化日常维护管理。

3) 在机巷车场和机巷外段各构筑两道牢固可靠的防突反向风门，防逆流装置牢固、灵敏、可靠。

4) 巷道掘进工作面每隔50 m设置一组压风自救，每组5个压风自救袋。 压风自救袋风压大于0.1 MPa，平均每人的压缩空气供给量大于0.1 m3/min。

5) 采用远距离爆破掘进巷道，巷道爆破掘进期间，在距回风口500 m以内爆破时，所有人员全部撤到防突反向风门以外新鲜风流中。每次爆破作业之前，由跟班队长负责指定专人关闭防突反向风门、防逆流装置，并切断防突反向风门以里所有非本质安全型电气设备电源。工作面爆破30 min后，方可由班长、瓦检员、爆破工进入工作面验炮，确认无异常后，其他人员方可进入工作面工作。

4 结 论

1) 低抽巷穿层钻孔预抽瓦斯技术、煤巷条带深孔卸压释放瓦斯技术与煤层注水等综合防突方法能够很好地实现突出煤层的消突；采用复合指标法与钻屑指标法双重验证方式，测试数据均低于临界值，无突出危险，证明采用的综合防突技术能有效防治煤与瓦斯突出。

2) “四位一体”综合防突措施实现了巷道掘进工作面的安全快速掘进，很好地解决了己16-17-22050机巷掘进防突难题，保障了平煤九矿合理的生产布局，为相似条件下煤与瓦斯突出煤层掘进工作面提供了可靠的技术支持。