掘进巷道防突抗灾能力的技术与途径

提高掘进巷道防突抗灾能力的技术与途径李学臣（焦作煤业集团科研所）

摘要通过研究煤与瓦斯突出灾害的产生机理，进一步深化中高压注水和水力掏槽等防突技术措施．实现措施过程的远距离操作和无人值守。并对措施过程进行有效控制。配合控制突出煤体和瓦斯流的防突栅栏、防逆风装置等技术。强化防受风门和监测监控。配合系统安全管理措施，有效消除了煤与瓦斯突出防治过程中的灾害事故，提高了突出发生后掘进巷道的综合抗灾能力。实践证明，突出地区安全面貌得到显著改观，掘进速度成倍提高，具有明显的安全和社会效益。关键词突出水力掏槽中高压注水安全防护综合体系抗灾能力

。前言煤炭作为一种能源，在国民生产中占据着重要的地位。然而在煤炭生产过程中，各种动力现象（冲击地压、煤与瓦斯突出）、瓦斯、粉尘、水灾和火灾等灾害事故时有发生，不仅造成人民生命财产的巨大损失和环境问题，而且还制约着煤矿生产的发展。而在众多的灾害事故中，瓦斯问题是困扰矿井安全与生产的主要因素，在矿井各类重特大事故中，瓦斯事故所占比例最大，达到７０％以上，而其中煤与瓦斯突出灾害事故对矿井造成损失最严重。我国对防治煤与瓦斯突出进行了大量试验研究，取得了较好的成效，摸索出了一套综合防治煤与瓦斯突出的方法，使煤与瓦斯突出得到了有效的控制。但由于煤与瓦斯突出是一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，迄今为止对各种地质、开采条件下突出的规律还未完全掌握，尚难完全避免煤与瓦斯突出的发生。在长期的防突实践中，国内外防突工作者先后试验应用了松动爆破、超前排放钻孔、深孔控制卸压爆破、水力化等多项防突措施，有效降低了瓦斯突出的强度和突战次数，取得了明显的防突效果。然而这些措施的局限性在深入应用中逐步显现，措施工序复杂、防突效果欠佳，甚至在采取防突措施的过程中发生瓦斯动力现象。在众多的煤与瓦斯突出事故中，尤以发生在掘进巷道的事故次数最多，据统计达到总突出次数的６６．２％。而掘进巷道发生的煤与瓦斯突出一旦得不到有效控制，突出的能量足以造成灾变范围的扩大，引起更多区域内的设备破坏和人员损失。因此，以煤与瓦斯突出破坏机理为基础，研究针对性的掘进巷道灾变控制技术与途径，加强掘进巷道安全防护，提高煤巷掘进的抗灾能力是煤矿安全生产工作的关键。

１煤与瓦斯突出灾害的产生机理煤与瓦斯突出是在地应力、包含在煤中的瓦斯和煤结构及力学性质综合作用下产生的动力现象。在突出过程中，地应力、瓦斯压力是发动与发展突出的动力，煤结构及力学性质是阻碍突出发生的因素。煤与瓦斯突出的全过程一般可划分成３个阶段，即发动阶段、发展阶段和停止阶段…。

在突出的发动阶段，由于外力作用煤体应力状态突然改变，岩石和煤的弹性潜能被迅速释放。当．．一２７５．一瓦斯压力梯度及被释放的岩石和煤的弹性潜能足够大时。即可破坏煤体，激发突出。在突出的发展阶段，依靠释放的弹性能和游离瓦斯的膨胀能使煤体破碎，并由瓦斯流把碎煤抛出。由于地应力、瓦斯压力、煤结构和煤质的不均匀性，以及通道阻力的变化，突出的发展速度也是不均匀的。煤与瓦斯突出过程，尤其是喷孑Ｌ过程，均可显示脉冲式的特征。随着煤的破碎和抛出，瓦斯压力降低，吸附瓦斯解吸，而大量解吸瓦斯的膨胀加剧了这一过程，又促使煤进一步破碎。如此反复进行。直到煤被破碎

为粉煤并形成粉煤瓦斯流。这种粉煤瓦斯流具有很大的能量，可以把煤抛出数十米以至数百米，能逆风流运动或沿揭露的巷道运动，造成一定的动力效应。在突出的停止阶段，碎煤及粉煤沉陷，空洞壁与洞１２１间的瓦斯压力梯度使空洞周围参与突出的煤体继续破碎，其中的瓦斯继续解吸并涌向巷道，直到空洞壁建立了新的应力平衡。可见，煤与瓦斯突出灾害的发生，不仅仅在于突出瞬间释放的巨大能量，而且还有突出后煤与瓦斯的运动所带来的迸一步的影响。提高突出矿井煤巷掘进防突抗灾能力，不仅需要研究针对性的措施，消除或控制煤与瓦斯突出，而且还应研究突出后瓦斯灾变能量的控制技术与装置，将突出灾害控制在较小的范围之内，减少其对矿井和作业人员的伤害。

２提高煤巷掘进抗灾能力的途径２．１深化安全型防突措施２．１．１国内煤巷掘进防突存在的问题防突措施是控制和消除煤与瓦斯突出的基础，安全可靠的防突措施，应能减少措施的施工工序和工作量，提高措施的有效性。安全型防突技术措施是矿井瓦斯防治的需要，在长期的防突实践中摸索的多项防突措施，诸如超前钻孔、松动爆破、卸压槽等，虽然有效降低了瓦斯突出的强度和突出次

数，取得了明显的防突效果，然而这些措施的局限性在深入应用中逐步显现。甚至在采取防突措施中发生突出的现象。根据资料记载，２００１年１月４日，松藻打通二矿＋１５０ｍ水平Ｎ２８０１工作面运输巷在施工直径８６ｒａｍ排放钻孔时突出煤量６９５ｔ，瓦斯量４１０００ｍ３。２００２年３月２３日１４时２０分，湖南涟邵矿务局蛇形山煤矿瓦斯工程队在实施超前钻孔防突措施过程中发生煤与瓦斯突出事故，死亡３人。２００４年８月１４日，沈阳红菱煤矿施工排放钻孔期间发生煤与瓦斯突出事故，５名矿工死亡。２００６年２月２５日１７时５分，湖南邵阳市隆回县大园煤矿３３５２机巷掘进，在中班实施防突措施打切槽时发生煤与瓦斯突出，造成１８人死亡。２００６年４月９日１０时４０分，松藻石壕煤矿，在掘进工作面打防突孔施工过程中，发生煤与瓦斯突出事故，造成１人死亡，２人失踪。２００７年４月６日２３时５分，甘肃窑街煤电公司金河煤业公司南采区１６２０３运输巷煤巷综掘工作面在实施防突措施效果检验，发现有突出危险性后，停止掘进，准备实施深孔松动爆破，在施工钻孔过程中诱发了煤与Ｃ０２突出，造成９人死亡。２００７年７月２０日１ｌ时ｌＯ分，重庆南桐矿业集团鱼田堡煤矿３５０４Ｅ２机巷在打防突预处理钻孔时，发生煤与瓦斯突出事故，造成４人失踪。由于钻孔措施需要人员在现场施工，施工过程中发生的突出给工人生命带来严重的威胁．因此。如何控制措施期间突出酿成的灾害成为亟待解决的重大难题。基于煤与瓦斯突出的作用机理，焦煤集团对中高压注水和水力掏槽措施工艺进行了进一步的深化研究，形成了具有适应性强、可远距离操作特点的防突措施体系。在现场应用中，煤巷掘进速度平均提高～倍以上，有效缓解了矿井的采掘接替矛盾，形成了针对性强、安全性高的防突措施工艺。２．１．２远距离操作的中高压注水措施中高压注水结合巷旁边掘边抽综合防突措施，通过在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯，并向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯，增大煤体透水性，有利于煤层注水；较高的压力水压裂破坏煤体，增加煤体透气性。提高瓦斯抽．．——２７６．．——放效果心］。采用高压注水防突措施，当反向风门以里巷道长度小于５００ｍ时，注水泵设置在反向风门以外新鲜风流中，注水人员必须在反向风门外操作；当反向风门以里巷道长度大于５００ｍ时，建立注水专用硐室，注水专用硐室距掘进工作面的距离不得小于ｌＯＯｍ，注水人员必须在注水专用硐室内操作。注水专用硐室构筑参照避难硐室要求。注水专用硐室只限注水期间注水人员使用。中高压注水措施工艺如图ｌ所示。注水期间，工作面所有人员撤至反向风门以外或注水专用硐室内，注水泵实现风、电、瓦斯闭锁。掘进工作面瓦斯浓度超过１．５％，或盲巷Ｉ＝ｌ瓦斯浓度超过１．Ｏ％，断电停止注水。注水后，煤体水分增加，起到驱赶游离瓦斯、封闭吸附瓦斯的作用，同时煤体发生一定程度的位移，煤体弹性降低、塑性增强，进一步提高了抵抗突出的能力。为实现对注水措施的远距离监控，研制ｒ煤体位移远距离监测仪，在注水过程中远距离监测煤体的位移量，将其控制在安全的范围之内。

图１中高压注水措施工艺

２．１，３无人值守的水力掏槽措施水力掏槽措施的基本原理是在进行采掘工作之前，使用高压水射流，在突出危险煤层中，冲出直径较大的孔洞。掏槽过程中排出了大量瓦斯和一定数量的煤炭，因而在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内，则可预防突出的发生。水力掏槽措施实质就是外力在较短时间内破坏煤体的原有平衡稳定状态，将部分煤体破碎抛出，促使所受应力状态发生变化，并释放大量瓦斯的过程…。采取水力掏槽措施，一般一次就可以成功地成槽，不需要反复地冲刷，过程非常简单。实施水力掏槽措施之后，效检超标率明显降低，充分显示了水力掏槽防突措施的有效性和可靠性。和其他防突措施相比，水力掏槽防突措施施工时间短，措施仅需１０—３０ｒａｉｎ，瓦斯在措施期间大量释放，措施后瓦斯浓度快速降低到０．１％一０．４％，最大限度地提供了有效掘进时间ＨＪ。采用水力掏槽时，掘进工作面迎头、专用回风口以及采区回风道内距风流汇合口以上１５—２０ｍ处安设甲烷传感器。水力掏槽时采区回风上山瓦斯浓度超过Ｉ％时必须停泵，待降至ｌ％以下时，方可恢复水力掏槽工作。高压水泵安设在全负压通风的进风巷内，高压截门安装在掘进工作面反向风门以外的避难硐室附近。水力掏槽或掘进爆破前，其回风巷必须撤出所有人员，工作面所有人员包括爆破员必须撤到避难硐室内。同一区段内采掘工作面的人员必须撤到进风巷安全地点。专职瓦斯检查员．．一２７７．～时启动装置，风门落下，将突出瓦斯流封闭在防逆风装置前方的巷道内。通过防逆风装置上部的风窗缓慢排出，直至瓦斯浓度降至安全界限以下，启动风门，进人巷道里面清理突出煤。瓦斯突出防逆风装置安设在距掘进工作面同风眼以里５一ｌＯｍ的巷道内。控制风门动作的甲烷传感器安设在第二道防突金属栅栏以外１０—２０ｍ范围内的巷道一侧。迎风板安设在两道防突栅栏之间的巷道中央。２．２．３防突风门防突风门是突出地区采掘过程中控制通风系统、抵抗突出冲击波的重要设施和屏障，根据煤与瓦斯突出机理及能量计算准则，依据气体动力学和材料力学原理，防突风门在突出后抵抗的冲击波强度同样可以依据防逆风装置来计算。一般情况下，突出地区的采掘巷道设置两道正反向防突风门，其强度应能抵抗矿井最大突出后能量的冲击。防突风门的设置，阻碍突出后的瓦斯流进入进风侧，对于突出矿井的通风系统稳定有着重要的作用。因而，在常规的两道防突风门以里，另外安设一道反向风门，进一步增强其抗灾能力。

３突出矿井安全防护体系的建立

突出矿井安全防护体系，建立在通风系统、防突措施、防突设施和机电管理的有效衔接基础上。系统完善的安全防护体系，也是对掘进巷道乃至整个矿井防突抗灾能力的保障。在长期的生产实践中，焦作矿区逐渐以“风量足、断面够、系统顺、设施牢、不失爆”十五字方针为核心的防突理念为指导，不断优化、改造系统，建立了具有焦煤特色的突出矿井安全防护体系，以合理的巷道布置方式、可靠完善的通风系统、安全型防突措施和综合瓦斯防治理念，提高矿井的防灾抗灾能力Ⅲ。矿井的新水平、新采区延深时，必须首先形成完整的通风系统，建立可靠的通风设施。采区必须有专用回风上、下山，采掘工作面必须有独立的回风系统，各生产矿井全部建立监测监控系统。按照突出矿井安全防护体系的设置原则，考虑到突出以煤巷掘进期间频率最高、强度最大，各矿井掘进工作面建立的安全防护体系如图５所示。