突出煤层掘进水力掏槽防突技术研究.doc

突出煤层掘进水力掏槽防突技术研究在理论研究分析指导下，结合工业试验，研究了严重煤与瓦斯突出煤层巷道掘进防突技术。通过理论研究和工业试验，确定了水力掏槽新掘进防突措施，并提出了适合焦作矿区的防突措施参数，系统评价了水力掏槽防突措施的有效性：适应性和安全性。研究结果表明：水力掏槽防突措施是高压水通过水枪产生高流量的稳定射流破碎前方煤体形成槽硐，槽硐周围煤体得到充分卸压，释放出大量瓦斯，煤体物理力学性质发生改变。当卸压槽具有足够面积时，在巷道周围形成卸压和排放瓦斯的煤带，解除突出危险性。2000米严重突出地区巷道掘进表明，正常掘进期间未发生一次突出，巷道安全掘进速度提高2倍以上；采区水力掏槽防突措施每米掘进进尺的防突措施时间是超前排放钻孔防突措施的114，是注水防突措施的17，有效缓解了采掘接替紧张局面，经济和社会效益显著。关键词煤与瓦斯突出；水力掏槽；防突：高压射流；概述焦作矿区具有百年开采历史，开展瓦斯灾害防治研究将近五十年。集团公司现有5对生产矿井，皆为突出矿井。近年来，随着矿井开采深度逐渐增大，煤层瓦斯含量高、透气性差、突出危险性十分严重，顶分层煤巷掘进主要采取超前排放钻孔配合边掘边抽和中高压注水防突措施，但煤巷掘进速度平均每月只有4560余米，采煤工作面1300m巷道至少需要掘进两年，采掘比例严重失调。为保证采掘平衡，一个采煤工作面至少要配46个掘进工作面，一个突出煤巷掘进区队同期至少有4个掘进工作面才能保证掘进的顺利进行，造成巷道掘进成本居高不下。有些突出严重的工作面，如九里山矿15011工作面掘进期间连续发生大强度突出，自1998年3月份开始掘进至2004年7月份共76个月掘进1900m，月平均掘进进尺为25m；朱村矿25051工作面运输巷两头对掘，连续6个月平均进尺只有13.2m月。1.概述焦作矿区具有百年开采历史，开展瓦斯灾害防治研究将近五十年。集团公司现有5对生产矿井，皆为突出矿井。近年来，随着矿井开采深度逐渐增大，煤层瓦斯含量高、透气性差、突出危险性十分严重，顶分层煤巷掘进主要采取超前排放钻孔配合边掘边抽和中高压注水防突措施，但煤巷掘进速度平均每月只有4560余米，采煤工作面1300m巷道至少需要掘进两年，采掘比例严重失调。为保证采掘平衡，一个采煤工作面至少要配46个掘进工作面，一个突出煤巷掘进区队同期至少有4个掘进工作面才能保证掘进的顺利进行，造成巷道掘进成本居高不下。有些突出严重的工作面，如九里山矿15011工作面掘进期间连续发生大强度突出，自1998年3月份开始掘进至2004年7月份共76个月掘进1900m，月平均掘进进尺为25m；朱村矿25051工作面运输巷两头对掘，连续6个月平均进尺只有13.2m月。焦作矿区现采用的防突措施虽然可以有效解除掘进工作面突出危险性，但是措施施工时间长，有效掘进时间短，导致掘进速度缓慢和严重的集中生产现象，为安全生产埋下重大隐患。因此，探索适应严重突出煤层条件的综合防突技术，在保证安全的前提下大幅度提高掘进速度，已成为缓解采掘紧张局面、改变矿井经济与安全面貌的当务之急。2.水力掏槽措施防突机理研究分析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，部分煤体破碎被冲出，槽洞周边煤体向外发生位移，促使所受应力状态发生变化，有效应力降低，并释放大量瓦斯的过程。水力掏槽措施的过程就是高压射流破碎煤体、释放大量瓦斯、改变改善煤体应力状态的过程。煤体的破坏首先是高能量的高压射流破碎煤体，形成直径较小的槽孔；然后在煤体瓦斯压力梯度和射流残余能量反射的作用下破碎孔周围的煤体，形成大直径的槽孔；而槽孔上部煤体由于稳定状态被破坏，在水力和重力的作用下充分垮落，形成近似矩形槽硐。煤体在掏槽期间是渐进的被破碎，煤体的应力和瓦斯潜能也是渐进的释放，掏槽过程中排出了大量瓦斯和一定数量的煤炭，因此在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域，在这个区域内，破坏了突出发生的基本条件，起到有效防治或抑制突出的效果。图1是通过ANSYS数值模拟，槽孔底部的煤体和顶板发生了位移，位移模式分别为底部煤体鼓起和顶板下沉。在地应力作用下，煤层具有塑性变形位移流动的特征，即流变性能。掏槽期间，掏出了很大的孔洞，在经过一段时间后发现孔洞的体积明显减小，甚至被周围煤体的位移所充填。煤体位移的作用缓慢地由孔洞壁向周围煤体传播，也就不断地扩大了掏槽的卸压排瓦斯范围，掏槽时和掏槽后的瓦斯排放量可达掏槽有效影响区域内瓦斯总量50左右.预防突出效果显著。图2是焦作矿区突出煤层排放措施孔硐面积(通常为圆孔硐)与瓦斯有效排放影响半径关系曲线图理论研究与分析表明：水力掏槽措施在提高煤体透气性、改善煤层应力状态以及措施后煤体物理性质变化都具有非常积极的影响，对突出的防治具有针对性和可行性。4