石门揭煤立体综合防突技术研究

许朋德，万恒州

(贵州峄兴矿业有限公司， 贵州 六盘水市 553000)

0 引言

石门揭煤易发生煤与瓦斯突出事故，对石门揭煤时发生煤与瓦斯突出的形成机理、防治措施等，众多学者进行了相关研究，解北京等[1]运用匈牙利算法和模拟退火算法，设计开发出石门揭煤瓦斯抽采钻孔参数自动优化设计软件，并将设计钻孔立体地呈现出来。郝建国[2]针对石门揭煤施工时存在的一系列问题，采用了“压裂-固化-预抽”的揭煤技术。李远知等[3]通过数值模拟分析了石门揭煤时间与抽采半径的关系，并进行了现场试验。周震等[4]通过对石门揭煤煤样进行低温冻结试验，揭示了石门揭煤煤体在低温状态下的力学特性。刘军等[5]提出了石门揭煤时采用圆内接多边形的设计方案，并优选出了最佳实施方案。张连伟[6]在石门揭煤期间，通过采用瓦斯预抽、水力冲孔、煤体固化等措施，降低揭煤点及其周围煤层瓦斯含量、瓦斯压力。冯康武[7]采用水力割缝形成缝槽后，在钻孔中同时实施水力压裂的煤层增透方法，增加了待揭露区域煤层的透气性，缩短了预抽时间。汪北方等[8]通过数值模拟方法研究了石门揭煤突出机理，提出瓦斯预抽措施配以改进金属骨架的综合防突技术方案。学者们从煤的力学特性、瓦斯抽采、加固措施等方面开展了研究，基于上述研究成果，本文从空间立体的角度去分析石门揭煤过程中的瓦斯抽采，提出了石门揭煤的立体综合防突技术。

1 石门揭煤突出原理

石门揭煤过程均采用爆破破碎煤岩体，炸药在炮眼中产生的高温高压气体作用于被爆破的煤岩体上，使被爆破的煤岩体产生剧烈的变形和破坏。根据Ⅴon Mises准则，如果煤体内任何一点的等效应力强度σi满足如下关系，则煤体破坏：

式中，σi为煤体在单轴受力条件下的破坏强度，MPa；σd为煤体单轴动态抗拉强度，MPa。

放炮后煤体只有巷道空间方向的自由度，从而使得被爆破煤岩体只能向采掘空间抛出。同时，炸药爆炸产生的扰动冲击波，会促使原本处于吸附-解吸平衡的状态被打破，大量处于吸附态的瓦斯解吸为游离态的瓦斯，使煤层中的瓦斯压力升高，为煤与瓦斯突出创造了有利条件。

瓦斯压力的变化将引起煤岩体有效应力的改变，从而使煤岩体的力学性质如应力、应变和强度特性等发生明显变化。假设瓦斯压力为p，则煤体骨架的有效应力可写为：

式中，σ"为煤体骨架的有效应力，MPa；σ为煤体的应力，MPa；α为瓦斯压力系数，为简化讨论，取为1。

在应力平面内画出有效应力表示的莫尔圆以及实际应力的莫尔圆，如图1所示。图中，AB线为瓦斯压力为0时的莫尔包络线，曲线I为有效应力的莫尔圆，曲线Ⅱ为实际应力的莫尔圆。当瓦斯压力为0时，莫尔圆在包络线AB的里边，见曲线Ⅱ，当瓦斯压力增加时，该曲线向左移动，直到它与莫尔包络线相切，此时煤岩体发生破坏。

图1 瓦斯压力对煤岩强度的影响

由上述分析可知，爆破揭煤不仅会使大量煤岩体朝采掘空间抛出，且爆破产生的冲击波会使远端煤体中的吸附态瓦斯解吸为游离态，使远端煤体的有效应力降低，因此，石门揭煤容易引发煤与瓦斯突出。

2 立体揭煤防突技术

针对石门揭煤过程中容易发生煤与瓦斯突出的问题，众多学者对石门揭煤技术措施进行了研究，其中，在掘进工作面采用扇形钻孔抽采瓦斯，仍然是主流方式。但是，该方式不仅时间长，而且施工钻孔后，由于钻孔内的压力降为大气压力，在地应力及煤层瓦斯压力的共同作用下，钻孔周围的煤体有效应力大幅增加，煤体的原生裂隙大量闭合，形成“瓶塞效应”，大幅降低了钻孔周围煤体的透气性。

在认真分析研究以往揭煤经验的基础上，提出了“以抽为本，立体消突”多层次、全方位的区域综合防突措施。该措施能在煤体内形成纵横交错的孔洞，能有效地改变钻孔周围的应力分布，且增大抽采负压接触煤体的表面积。从而使石门揭煤区域的瓦斯流动遵循Darcy定律：

式中，ν为瓦斯渗流速度；u为瓦斯动力黏度；k为煤体渗透率。

3 工程实践

3.1 煤层概况

某矿 4#煤层为缓倾斜煤层，煤层平均倾角为6°，平均厚度为3 m，煤层厚度大且较稳定，煤心一般呈柱状，有时中夹一层粉末状煤，煤层结构较简单，夹矸一般为 0～1层，为泥岩或炭质泥岩，直接顶板为粉砂质泥岩或泥质粉砂岩，老顶（5 m左右）为灰岩。4#煤层首采工作面实测瓦斯含量为24.21 m3/t，绝对瓦斯压力2.5 MPa，4#煤层具有煤与瓦斯突出危险性。

3.2 揭煤方案设计

针对某矿4#煤层实测瓦斯含量为24.21 m3/t，绝对瓦斯压力2.5 MPa，煤层具有煤与瓦斯突出危险性。本文根据相关规程规范要求，结合石门揭煤区域立体综合防突技术的相关技术思路，提出该矿4#煤层首采工作面上顺槽的石门揭煤工作面施工方案（如图2所示）。

图2 石门揭煤施工方案设计流程

3.3 现场施工情况

为了更快、更安全地揭开4#煤层，在石门距煤层最小法向距离10 m前施工了2个穿过煤层全厚的超前探测钻孔，探明前方煤层赋存稳定，在距离煤层最小法向距离7 m处采取立体区域防突措施，具体措施如下所述。

在 4#煤层首采工作面上顺槽底抽巷左帮，施工2个揭煤钻场，钻场宽4.5 m、深4 m、高3 m，在底抽巷两个钻场内施工穿层钻孔112个，并在石门揭煤工作面施工顺层钻孔 35个。在待揭煤体及两侧15 m的范围内形成纵横交错的抽采钻孔，钻孔竣工平面如图3所示，钻孔竣工剖面如图4所示。

图3 1401回风顺槽区域施工钻孔竣工平面

图4 1401回风顺槽区域施工钻孔竣工剖面

3.4 抽采总量

4#煤层实测瓦斯含量为24.21 m3/t，石门揭煤预抽钻孔控制范围内的瓦斯储量为388 750 m3，根据预抽期间实测的抽采浓度及抽采流量计算，平均抽放瓦斯纯流量为2 m3/min，在累计抽采100 d后，实际抽采瓦斯总量为288 000 m3，瓦斯抽采率高达74.08%。

3.5 区域验证

根据实际抽采的瓦斯量，初步计算可知该石门揭煤区域已消突，按照《防治煤与瓦斯突出细则》，区域防突措施的效果检验时，施工4个钻孔（揭煤区域内的下部、中部和两侧各1个，两侧检验点位于预抽区域内，距边缘不大于2 m的范围）直接测定残余瓦斯含量指标和钻屑瓦斯解吸指标。残余瓦斯含量临界值取8.00 m3/t，钻屑瓦斯解吸指标临界值取200 Pa。

经测定残余瓦斯含量指标和钻屑瓦斯解吸指标均小于临界值，效果检验为无突出危险。掘进至法向距离5 m时进行区域效果验证，区域验证时施工5个钻孔，分别位于石门的上部、中部、下部和两侧，区域防突措施的区域验证采用钻屑指标法，验证结果为区域残存瓦斯含量和Δh2均未超标。

石门揭煤工作面掘进至法向距离1.5 m时，进行了揭开煤层前最后一轮效检，布置5个效检孔。校检采用钻屑瓦斯解吸指标 Δh2和S值，效检结果未超标，无突出危险性。过煤门期间严格按照措施进行工作面日常预测、效检。4#煤层首采工作面上顺槽石门揭煤工作顺利完成。

4 经济效益分析

在安全施工的前提下，通过纵横交错的立体区域综合防突技术，4#煤层首采工作面上顺槽石门揭煤工作顺利完成，显著缩短了揭煤工期，保证了矿井提前投产。措施抽采时间平均缩短3个月以上，产生直接经济效益2700万元，节省了3个月的人工成本、设备折旧费及银行利息等。

5 结论

（1）通过对石门揭煤过程中煤层有效应力的变化进行分析，揭示了石门揭煤发生煤与瓦斯突出的基本原理，针对现今抽采钻孔的“瓶塞效应”，提出纵横交错的立体综合防突措施。

（2）现场试验纵横交错的立体区域综合防突技术，在突出煤层石门揭煤过程中，100 d抽采瓦斯量达288 000 m3，瓦斯抽采率达74.08%，取得良好的抽采效果，使矿井在揭煤过程中节约了时间，节省了人工、设备成本。