石门揭开突出危险煤层,是煤炭生产企业在巷道掘进过程中一项十分危险又不得不面对的工作。由于矿山地压、煤层瓦斯、煤体自身物理特性等诸多因素,造成石门揭煤时经常发生煤与瓦斯突出[1]。突出一旦发生,轻则造成巷道冒顶、设施损坏,重则摧毁矿井通风系统,造成重大人员伤亡,损失难以估量。目前石门揭煤常用的防突措施有:超前钻孔卸压、预抽排瓦斯、水力冲孔,金属骨架等。这些措施虽对突出起到了一定的防治作用,但它们没有从根本上考虑在突出中起决定作用的煤体强度和瓦斯释放条件,而只是着眼于煤岩弹性能和瓦斯潜能的释放[2]。常规的防突措施一般都使煤体受到不同程度的破坏,降低了煤体的自身承载能力和对突出的抵御作用,对松软煤层或地质构造破碎带,影响更为严重,而这些区域正是突出的多发区。常规的防突措施还存在揭煤时间长,严重地制约着煤矿的正常生产衔接[3]。
1 注浆加固防突机理
1.1 煤与瓦斯突出过程分析石门揭开有瓦斯突出危险的煤层时,突出能量集中,突出强度大,瓦斯涌出量高,典型突出比例多,对煤矿生产造成的灾害也最严重。当石门接近煤层时,在煤岩交界面附近两侧,岩石、煤体的力学性质相差悬殊,这种差异产生其变形的突变(应力不连续),当煤层揭开之前,瓦斯未经排放,保持着原始高压状态或受到掘进集中应力的影响,煤体处于超原始高压状态,这样在煤体受到掘进施工(如放炮瞬间)的影响,煤体内应力状态突然变化,煤体内的应力梯度可能达到很高的数值,在煤岩交界面应力突变值会更高,而且,新暴露煤体的受力状态由三向受力变为二向受力状态,如果此时煤体松软、强度低,不能有效抵抗这个高应力的冲击和高压瓦斯膨胀力的作用,就有可能发生煤与瓦斯突出[4]。
1.2 注浆加固防突机理分析
石门揭开突出危险煤层、煤体遭到破坏时,煤体强度及整体性降低、阻止内部煤与瓦斯突出能力减弱,容易导致大量吸附瓦斯瞬间解吸成游离瓦斯而突然喷出,从而形成煤与瓦斯突出。注浆加固是通过向煤层中压入性能适宜的固化剂,使其渗入到煤层中的裂隙和孔隙。经过注浆,可人为地改善煤岩体的物理力学性质[5],有效增加煤体强度,减少煤体与岩体的力学性质的差异,增强煤岩交界面附近围岩的整体性,当石门揭开煤层时可避免煤岩交界面产生变形突变和围岩应力不连续。通过注浆可充填封闭煤层内的裂隙和孔隙,减少瓦斯解吸速度和解吸量、降低煤体的吸附能力,使外部煤体阻滞内部煤体突出的作用得以加强[6-7],相比其它常规的防突方法,采用注浆加固防突还可大大缩短石门揭煤时间。
2 试验地点
试验地点选择在淮南某矿1521(3)下风巷出煤斜巷,出煤斜巷位于13-1主采煤层,13-1煤层为高瓦斯突出煤层,矿井自投产以来13-1煤层掘进工作面发生了多起煤与瓦斯突出动力现象。斜巷所处煤层厚度4.0m,煤层倾角14°,出煤斜巷仰角15°,巷道掘进宽度4.2m,高度3.3m,半圆拱形断面。
3 注浆加固防突试验过程
1521(3)上风巷出煤斜巷掘进至距13-1煤层底板法距10m时,实施前探钻孔3个,且前探钻孔穿透13-1煤全厚进入煤层顶板不少于0.5m。钻孔直径为75mm,取芯并测定钻孔内煤体的瓦斯放散初速度、煤体的平均坚固性系数等指标。在距13-1煤层底板法线距离5m时,采用Φ75mm钻头在工作面钻2个测压孔,安装压力表测定13-1煤的瓦斯压力。测压孔应布置在岩层较完整的地点,且测压孔与前探钻孔见煤点,间距不少于5m。封孔完毕后经过24h水泥凝固后,安上压力表(压力表量程为0~10MPa)进行测压,实测瓦斯压力高达5.6MPa。
3.1 煤体突出危险性预测
煤层突出危险性预测采用D、K综合指标法进行预测。在打测压孔的过程中,每米煤孔取一个煤样,测定煤的坚固性系数(f),将2个测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均作为煤层软分层的平均坚固性系数,最后将坚固性系数最小的2个煤样混合后,测定煤的瓦斯放散初速度指标(ΔP)。D、K指标的计算方法为:
D=〔0.0075Hf-3〕(p-0.74)K=△P/f式中 D———煤层突出危险性综合指标之一;
K———煤的突出危险性综合指标之二;
H———开采深度,H=620m;
F———煤层坚固性系数,f=0.21;
p———煤层瓦斯压力,MPa;
△P———煤层瓦斯放散初速度指标,取:△P=9。经计算可得:D=92,K=42.9。按《煤矿安全规程》规定:突出的临界值为D=0.25、K=15。可见2个预测指标都超限,实验地点具有突出危险性,13-1煤为突出危险煤层。
