掘进巷道水力消突技术研究与应用①

摘 要：大部分大众煤矿的突出都和软煤分层又关，突出的主要发源地是软煤。如果想要煤巷避免突出，有以下两种方法：（1）减小围岩和煤体的压力来降低瓦斯压力和地应力；（2）将煤的可塑性加强，目的是将软煤分层突出的威胁消除。

关键词：水力 消突 技术

中图分类号：TD712.62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0078-03

1 煤巷掘进工作面突出机理

在煤巷掘进工作面，煤体支承的上覆岩层自重应力向周围煤体转移，形成远大于煤体单向抗压强度的支承应力，其性质为剪切应力，使周围煤体受到破坏，发生流变，形成靠近工作面处一定长度的卸压带，卸压带范围内的煤体只承受自重应力，所含瓦斯得到充分放散，煤体已经失去突出危险，并且阻碍前方煤体的突出卸压带内煤体随着变形持续向深部发展，在一定深度范围内，煤体受力与变形相关变化，处于动平衡直至临界平衡状态，煤体受压缩，积蓄很高的弹性潜能，地应力和瓦斯压力增高，透气性下降，瓦斯难以释放，形成地应力带。在煤体深部随着流变变形的停止而逐渐进入原始应力带。

2 高压注水综合措施防突作用机理

煤这种固体具有多孔性，而这个空隙也是煤吸附瓦斯能力和渗透特性的决定因素。具有明显极性的水分子相互作用与水煤分子，比甲烷分子相互作用与煤分子要大，所以更容易被煤吸附，通过多分子形式在煤的表面吸附，水在大孔中是自由状态，构成煤-水-甲烷体系平衡状态。煤被破坏的时候，煤对水的吸附性更强，所以水量比甲烷多，这样达到降低瓦斯在煤中的含量。而煤中含有越多的水分子，越会降低起本省的抗压强度和弹性模数，因此降低其粉碎性，增强可塑性。

水在煤层中流动重要是在裂隙和大孔中进行的渗透过程，在微孔中主要表现为流体的扩散，从而挤出瓦斯。

水和煤的接触时间不长，水来不及进入微小孔隙，就不能从中挤出大量瓦斯，时间很长时才能深深地进入煤中，并把大量的瓦斯置换出来，实验证明，一般需要几小时甚至几十小时。扩散运动只能在渗透运动波及的容积中进行，不会扩大煤体湿润范围，煤的结构也不发生任何明显的变化。

煤自身的裂缝孔隙会随着其中水运动的压力变化而发生容积结构的变化。煤孔隙间充满的水具有越高的压力，煤的结构单元就被压缩的越紧，渗透容积随着压力的增大而增大。吸附水的薄膜将孔隙裂缝的煤壁覆盖，吸附水并不渗透，与此同时，煤的透水性和透气性被降低。随着水压的增高，吸附薄膜的外面部分由于分子间的相互作用力减弱，就开始参加渗透过程。因此，随着注水压力增高，煤层的透水性也增大。

煤的地应力状态很大的影响着渗透性，如果想要取得效果均匀湿润的煤体，就不能在卸压区注水；反之，透水性在最大应力区会显著降低。

水分显著影响煤体的透气性能。当孔隙被水充满的程度较高时（大于80%），干煤的透气性比湿煤的大数十倍甚至百倍。

瓦斯排放也影响到煤体的透水性。煤饱含瓦斯时就趋于膨胀，放出瓦斯时就收缩。煤排出瓦斯后，煤的大分子之间的距离可减小17%，透气性随排放瓦斯程度增加而增大，透水性也增大。

媒体不会因为很高压力的注水而破裂，而会沿着已有的削弱面—裂缝裂开。注水的时候用大于煤层自燃吸收能力的流量进行，会敞开和扩展裂缝，媒体的不稳定状态被消除，近工作面的承受压力被降低，临界状态带深度增加，推动集中应力带向媒体深处移动。

可见，使用不同的注水方式，其作用机理和产生的效果差别很大。煤层注水需要很长时间，不改变煤的结构，煤的透气性降低；水力挤出方式注水时间短水的扩散作用微弱，当煤层中有揉皱分层时将只沿该分层发生移动，在煤体均质性很低时容易发生水的泄露而影响作用效果。

3 项目研究实施方案

综合研究水-煤-瓦斯体系的作用机理，我矿与河南理工大学课题组合作，根据安阳大众煤业公司煤层赋存条件，提出了高压注水结合巷旁边掘边抽综合防突措施；巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯，向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯，增大煤体透水性，提高瓦斯抽放效果。两种措施互为作用，具有以下防突效果。

（1）煤体逐渐被高压水破裂后，会促使应力集中带向前运动，从而加长巷道卸压带。

（2）高压水会携带经过软煤分层时带出来的煤泥在煤层中运动，之后通过煤层的裂缝至巷道空间或钻孔排出，这样会疏松煤体，媒体增加透气性，降低瓦斯压力梯度。

（3）水封闭瓦斯流动通道，使瓦斯有吸附状态转为游离状态更加困难。

（4）使煤体湿润，力学性质发生改变，弹性模数降低，增强了煤体的塑性，应力分布变得均匀。

（5）边掘边抽钻孔及时抽出工作面正前瓦斯，同时截流抽放前方两侧煤体的瓦斯，扩大了措施作用范围，有效防止瓦斯突出。

4 高压注水综合防突措施及工艺

中高压注水综合防突措施，采用危险性预测预报、防突措施、措施效果检验和安全防护措施相结合：“四位一体”的防突技术思路。在掘进工作面预测无突出危险时，留出预测超前距，采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业。预测有突出危险时，则采取中高压注水综合防突措施；之后进行措施效果检验，检验超标时采取辅助防突措施，直至措施效果检验有效后，留出效检超前距采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业。

4.1 掘进工作面巷道边掘边抽措施

掘进巷道两帮边掘边抽，不仅可有效截流巷帮瓦斯，降低掘进工作面瓦斯涌出，而且对于削弱掘进工作面两隅角应力集中有积极的作用，同时，在高压注水期间，受高压水的增透作用影响，钻孔可及时抽取工作面前方游离瓦斯，提高注水防突效果。在巷道掘进期间，每隔55 m在巷道两帮各做一个抽放钻场，每个钻场布置水平抽放孔4个，上、下两排各2个，孔深60 m，孔径75 mm，钻孔方向平行于巷道走向，为防止巷道掘进时破坏抽放钻孔，靠近巷道侧钻孔距巷道轮廓线应不小于5 m。钻场施工抽放钻孔后，应及时连孔抽放，并在钻场口外安设抽放参数测量装置。边掘边抽钻场在实际掘进55 m后重新布置。（见图1）

4.2 中高压注水措施及工艺参数

掘进工作面中高压注水综合防突措施注水系统，由煤层注水泵、水箱、高压管、封孔注水器等组成，。

注水钻孔采用普通煤电钻施工，孔径42 mm。注水泵选择具有足够压力和流量的煤层注水泵或乳化液泵，如KBZ-100/150型、7BG-150型煤体注水泵及乳化液泵。为便于操作和控制，注水系统中安设有压力表、水表及卸压阀门等附件。

4.3 注水孔布置

软分层是大众矿区二1煤层中发生突出的主要策源地，防突措施应有效控制软分层。如果软分层赋存于煤层底部或顶底，注水孔控制掘进本分层的同时，增加下向注水钻孔，控制掘进影响范围内的煤层全厚。注水孔沿巷道掘进方向布置，防止因煤体压裂出水，破坏两帮边掘边抽钻孔。

4.4 注水孔深度及钻孔间距

受采掘活动、煤岩瓦斯等赋存影响，掘进工作面前方形成卸压带、集中应力带和原始应力带，其应力分布规律如图4所示。卸压带内煤体原有裂隙张开、扩大，新的裂隙形成，使煤体结构变地疏松、渗透性急剧提高，所承受的应力小于煤体原始应力，特别是近工作面范围煤体破裂严重，几乎不承载，可认为是充分卸压带或完全卸压带；集中应力带内煤体裂隙及大孔隙则受压闭合，其结构致密、渗透性降低，所承受应力大于煤体原始应力；而再向深部则处于原始应力带。

注水孔深及间距，取决于煤层渗透性及注水压力、注水时间等因素。对于掘进工作面来说，卸压带长度越大，其抵抗突出的能力越强；应力集中带集中系数越高，发生突出的危险性越高。注水的目的是削弱或解除掘进工作面前方的应力集中，加大卸压带长度，增强煤体稳定性。因此，注水孔的深度应达到或超过掘进工作面前方应力集中带。

大众矿区二1煤层顶分层掘进工作面前方2 m范围内基本处于充分卸压带，4～9 m处于应力集中带范围，其中5～8 m最易发生喷孔、顶钻等动力现象，是应力最为集中的地带。为避免注水孔过深导致注水时间延长而影响掘进速度，注水孔深度选择为一班或两班掘进进尺加措施超前距，即注水孔深为9 m。

注水孔间距影响措施的防突效果。在煤体渗透性、注水压力不变的情况下，间距小，注水时间短，但煤体湿润效果差；间距大，煤体水分增加，但注水时间必然延长。注水孔间距根据注水钻孔渗透半径确定，结合国内外注水经验，以不大于2 m为适宜，掘进断面内采用三花眼形式布置3个。

注水孔的施工顺序：首先施工工作面两帮注水钻孔，进行单孔或者双孔同时注水，然后施工中间注水孔。

4.5 注水封孔深度

根据图4所示掘进工作面前方的应力分布规律，如封孔深度位于完全卸压区域内，注水过程中高压水沿封孔段周围煤体内的裂隙很快与外部沟通导致泄水，难以取得注水效果；封孔段进入甚至超过集中应力带，封孔段以外煤体得不到有效的湿润，不能消除应力，由于高压水的作用，产生一个应力增高区，形成渗透屏障，较大幅度降低了煤体的渗透性，不利于瓦斯的排放和卸压。

因此，注水封孔深度必须超过完全卸压区，但也应小于应力最集中区深度，即位于卸压带向集中应力带过渡区间，深度一般为2～5 m。

4.6 注水压力

注水压力是煤层注水的主要物理参数。注水压力过低，不能压裂煤体，煤的结构不会发生变化，等同于低压注水湿润措施，短时注水起不到卸压防突的效果。合理的注水压力，应能快速、有效破裂松动煤体，从而改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构，削弱工作面前方的集中应力程度，排放煤体瓦斯。

也就是说，高压水要有效压裂疏松煤体，至少要克服煤体水平应力，采用动压注水的方式，根据要压裂的软煤分层的煤质松软情况和封孔的深度，具体确定注水压力。

4.7 注水时间

注水时间与注水压力、注水流量等参数密切相关，注水压力不同、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，在这一过程中，高压水在煤体内部不断蓄积势能，直至达到破碎煤体；尔后高压水在沟通裂隙间流动。因而在整个过程中注水压力及注水流速等参数不断发生着变化。

当注水泵处压力降低为初始压力的30%时，或注水流速明显增加、工作面煤壁、顶板或钻孔出水后，可以作为注水结束时间。

4.8 防突措施效果检验及补充防突措施

根据大众矿区突出危险性预测的经验及高压注水综合防突措施的特点，掘进工作面注水防突措施效果检验采用q值指标法，具体效检方法如下。

（1）在掘进工作面布置效检钻孔3个，直径42 mm、孔深3.5 m。钻孔布置在软分层中，一个钻孔位于巷道工作面中部，并平行于掘进方向，其他钻孔的终孔点应位于轮廓线外2～4 m处。

（2）根据钻孔的最大瓦斯涌出初速度确定突出危险性。

（3）采用q m值指标法临界指标q m为4.5L/min，当任何一个钻孔中的q≥q m时，工作面检测为有突出危险；当q

效果检验有突出危险时，采取小直径排放钻孔防突措施钻孔孔深与注水孔深度相同，钻孔数目根据检验指标确定。

4.9 安全措施

在进行中高压注水综合防突技术实验期间，为保证施工现场安全，除执行《煤矿安全规程》有关规定和本矿制定的《掘进作业规程》外，还必须执行以下安全措施。

（1）采取高压注水防突措施，注水泵的操作地点应在掘进工作面的反向风门外进行。注水操作地点附近设压风自救系统和直通调度的电话，并应加强支护。

（2）开始注水前要检查注水系统的密封性。掘进工作面必须支设迎面柱，注水封孔器以柔性装置固定在迎面柱上。掘进工作面正前所有人员必须撤离至反向风门以外。以上措施执行后，方可开泵注水。

（3）注水期间，严禁人员进入掘进工作面。

（4）在高压水管上应当设置压力表和卸压三通阀，调整该阀可保证压力平缓上升和减压，卸压三通阀应装在注水泵附近。当高压管路处于承压状态时，禁止连接、拆卸和修理高压管件。在高压管路的密封遭到破坏时，禁止使用高压管路。在注水期间，必须有专人负责看管水泵，并严格按照措施第一条规定执行。

（5）向煤层注水时，在前3～5 min内必须缓慢地增高水的压力至最大值，注水时，操作人员与注水钻孔的距离应不少于50 m。

（6）注水时，由当班施工小组组长负责观察注水系统压力表及流量表的变化。当注水压力出现明显下降，且流量急剧增加时注水可结束。

（7）注水期间，注水泵安设地点必须悬挂便携式瓦斯监测仪，随时监测巷道瓦斯涌出变化。

（8）注水结束，工作人员进入掘进工作面，严禁正对注水器行走。

（9）加强掘进头隅角的煤体支护。

（10）注水器使用前后，应由专人负责管理维护，发现问题及时解决，保证注水器处于最好的状态。

（11）掘进时安全技术措施执行掘进作业规程，掘进作业规程由矿总工程师组织编制。

5 采取措施后产生的效益

（1）通过采用高压注水新技术，既解决了传统的放松动炮释放瓦斯导致瓦斯超限的弊病，又解决了采取小直径排放钻孔措施时间太长的问题。

（2）经过三个月的试验，对于我公司煤质松软特点，高压注水防突较为适合，而且效果良好。注水期间既无瓦斯超限，经过效果检验，86%不超标，保证了作业人员的施工安全。

（3）通过采取了高压注水措施后，提高了掘进速度。2008年3、4两个月采取小直径排放钻孔，月进度平均为25 m；2008年6、7、8三个月采取注水消突措施后，掘进速度平均为46 m，效果明显。综合经济效益显著。

6 结论

通过实际工作中对煤巷掘进工作面的突出机理，以及高压注水综合措施防突作用机理的研究，总结出了适合煤巷掘进工作面的高压注水综合防突措施及施工工艺，取得了显著的效果，值得推广应用。