石門揭開突出危險煤層,是煤炭生產企業在巷道掘進過程中一項十分危險又不得不面對的工作。由于礦山地壓、煤層瓦斯、煤體自身物理特性等諸多因素,造成石門揭煤時經常發生煤與瓦斯突出[1]。突出一旦發生,輕則造成巷道冒頂、設施損壞,重則摧毀礦井通風系統,造成重大人員傷亡,損失難以估量。目前石門揭煤常用的防突措施有:超前鉆孔卸壓、預抽排瓦斯、水力沖孔,金屬骨架等。這些措施雖對突出起到了一定的防治作用,但它們沒有從根本上考慮在突出中起決定作用的煤體強度和瓦斯釋放條件,而只是著眼于煤巖彈性能和瓦斯潛能的釋放[2]。常規的防突措施一般都使煤體受到不同程度的破壞,降低了煤體的自身承載能力和對突出的抵御作用,對松軟煤層或地質構造破碎帶,影響更為嚴重,而這些區域正是突出的多發區。常規的防突措施還存在揭煤時間長,嚴重地制約著煤礦的正常生產銜接[3]。
1 注漿加固防突機理
1.1 煤與瓦斯突出過程分析石門揭開有瓦斯突出危險的煤層時,突出能量集中,突出強度大,瓦斯涌出量高,典型突出比例多,對煤礦生產造成的災害也最嚴重。當石門接近煤層時,在煤巖交界面附近兩側,巖石、煤體的力學性質相差懸殊,這種差異產生其變形的突變(應力不連續),當煤層揭開之前,瓦斯未經排放,保持著原始高壓狀態或受到掘進集中應力的影響,煤體處于超原始高壓狀態,這樣在煤體受到掘進施工(如放炮瞬間)的影響,煤體內應力狀態突然變化,煤體內的應力梯度可能達到很高的數值,在煤巖交界面應力突變值會更高,而且,新暴露煤體的受力狀態由三向受力變為二向受力狀態,如果此時煤體松軟、強度低,不能有效抵抗這個高應力的沖擊和高壓瓦斯膨脹力的作用,就有可能發生煤與瓦斯突出[4]。
1.2 注漿加固防突機理分析
石門揭開突出危險煤層、煤體遭到破壞時,煤體強度及整體性降低、阻止內部煤與瓦斯突出能力減弱,容易導致大量吸附瓦斯瞬間解吸成游離瓦斯而突然噴出,從而形成煤與瓦斯突出。注漿加固是通過向煤層中壓入性能適宜的固化劑,使其滲入到煤層中的裂隙和孔隙。經過注漿,可人為地改善煤巖體的物理力學性質[5],有效增加煤體強度,減少煤體與巖體的力學性質的差異,增強煤巖交界面附近圍巖的整體性,當石門揭開煤層時可避免煤巖交界面產生變形突變和圍巖應力不連續。通過注漿可充填封閉煤層內的裂隙和孔隙,減少瓦斯解吸速度和解吸量、降低煤體的吸附能力,使外部煤體阻滯內部煤體突出的作用得以加強[6-7],相比其它常規的防突方法,采用注漿加固防突還可大大縮短石門揭煤時間。
2 試驗地點
試驗地點選擇在淮南某礦1521(3)下風巷出煤斜巷,出煤斜巷位于13-1主采煤層,13-1煤層為高瓦斯突出煤層,礦井自投產以來13-1煤層掘進工作面發生了多起煤與瓦斯突出動力現象。斜巷所處煤層厚度4.0m,煤層傾角14°,出煤斜巷仰角15°,巷道掘進寬度4.2m,高度3.3m,半圓拱形斷面。
3 注漿加固防突試驗過程
1521(3)上風巷出煤斜巷掘進至距13-1煤層底板法距10m時,實施前探鉆孔3個,且前探鉆孔穿透13-1煤全厚進入煤層頂板不少于0.5m。鉆孔直徑為75mm,取芯并測定鉆孔內煤體的瓦斯放散初速度、煤體的平均堅固性系數等指標。在距13-1煤層底板法線距離5m時,采用Φ75mm鉆頭在工作面鉆2個測壓孔,安裝壓力表測定13-1煤的瓦斯壓力。測壓孔應布置在巖層較完整的地點,且測壓孔與前探鉆孔見煤點,間距不少于5m。封孔完畢后經過24h水泥凝固后,安上壓力表(壓力表量程為0~10MPa)進行測壓,實測瓦斯壓力高達5.6MPa。
3.1 煤體突出危險性預測
煤層突出危險性預測采用D、K綜合指標法進行預測。在打測壓孔的過程中,每米煤孔取一個煤樣,測定煤的堅固性系數(f),將2個測壓孔所得的堅固性系數最小值加以平均作為煤層軟分層的平均堅固性系數,最后將堅固性系數最小的2個煤樣混合后,測定煤的瓦斯放散初速度指標(ΔP)。D、K指標的計算方法為:
D=〔0.0075Hf-3〕(p-0.74)K=△P/f式中 D———煤層突出危險性綜合指標之一;
K———煤的突出危險性綜合指標之二;
H———開采深度,H=620m;
F———煤層堅固性系數,f=0.21;
p———煤層瓦斯壓力,MPa;
△P———煤層瓦斯放散初速度指標,取:△P=9。經計算可得:D=92,K=42.9。按《煤礦安全規程》規定:突出的臨界值為D=0.25、K=15。可見2個預測指標都超限,實驗地點具有突出危險性,13-1煤為突出危險煤層。
