地应力主导型煤巷突出防治技术及评价指标研究

李生舟,陈玉涛，徐 斌

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

保护层开采、本煤层大面积预抽煤层瓦斯是当前防治煤与瓦斯突出灾害的主要技术措施[1-6]。保护层开采能够对被保护层进行卸压，提高瓦斯抽采效率，是防治煤与瓦斯突出的有效措施。但对于不具备保护层开采条件的高地应力环境下的突出煤层，仅依靠传统的本煤层大面积预抽煤层瓦斯措施无法有效消除煤层的突出危险[7-8]。

韩城矿区新构造活动性较强，属于浅源地震活动危险带，具有6级地震以上的地压背景。韩城矿区主采的3#煤层共计发生突出事故约150次，其中60%的突出事故为压出类型，83%的突出事故发生在煤巷及石门揭煤过程中，韩城矿区有记录的突出煤层的最低瓦斯含量为6.6 m3/t。大量突出事故表明，韩城矿区的突出灾害多是由地应力起主导作用，而瓦斯次之。韩城矿区主要采取以保护层开采结合卸压瓦斯抽采为主的综合治理措施，但矿区内可作为保护层的2#、11#煤层因煤层局部缺失、部分区域煤层间距过小或受奥灰水的威胁，难以作为保护层开采。目前韩城矿区针对突出灾害的防治措施以瓦斯抽采为主，区域措施效果评价指标仅考虑瓦斯因素。传统的单一预抽瓦斯的模式难以解决矿区的突出灾害难题，亟需研究地应力主导型煤巷突出灾害防治技术及评价指标，解决韩城矿区不具备保护层开采条件下区域煤巷掘进突出灾害防治的难题。

1 地应力主导型煤巷突出特点分析

1.1 矿井及突出概况

韩城矿区桑树坪煤矿开采3#煤层(贫瘦煤)，瓦斯含量为8～12 m3/t，最大瓦斯压力为1.5 MPa。煤层破坏类型为Ⅱ～Ⅴ类，分布无规律，主体破坏类型为Ⅳ类，煤的坚固性系数为0.1～0.3；煤层厚度变化大，煤厚3～9 m，一般厚度5～6 m。矿区内，3#煤层破坏类型为Ⅴ类，构造附近区域、煤层厚度急剧变化带为3#煤层突出灾害的高发区，桑树坪煤矿3#煤层的赋存条件在韩城矿区具有典型的代表性。

桑树坪煤矿发生的煤与瓦斯突出类型包括突出、压出、倾出，以压出类型为主，共发生压出68次，约占55%；共发生突出44次，约占45%。表明桑树坪煤矿突出动力现象以地应力为主，瓦斯压力为辅。

1.2 典型突出案例分析

该矿于2015年7月6日在南一采区3314下联络巷工作面发生一次具有典型代表性的地应力主导的延期煤体突然压出事故。煤巷掘进区域采用穿层钻孔措施预抽煤巷条带煤层瓦斯进行区域防突，煤巷掘进区域预抽瓦斯效果达标，实测最大残余瓦斯含量为6.7 m3/t，且施工检验孔时未出现异常现象。

在清理煤巷掘进落煤时发生了煤与瓦斯延期突出，抛出煤堆积巷道长度约65 m，煤炭500 t，涌出瓦斯11 232 m3；相对瓦斯涌出量为22.5 m3/t。堆积的煤炭以粉煤为主，夹杂有少量块状煤，煤炭堆积角较大，分选性不明显。

事故主要原因：韩城矿区水平构造应力发育，而采掘活动造成该区域支承压力叠加；煤层厚度急剧变化进一步造成应力集中，普通穿层钻孔预抽区域防突措施降低了煤层瓦斯含量，但无法卸除煤层中的高地应力，该区域复杂的高地应力是事故发生的主要动力；松软煤层具有蠕变性质[9-11]，在煤层上覆载荷不变的情况下，工作面煤体变形量依然随时间增加而增大，煤体变形导致煤体失稳，发生了由地应力主导的延期煤体突然压出事故。

事故原因表明，必须采取措施降低突出危险区域的煤层应力，为煤体创造一定的变形卸压空间。

2 水射流扩孔卸压防突技术研究

桑树坪煤矿3#煤层煤巷突出灾害依靠单一预抽瓦斯措施无法被有效消除，且仅依靠煤层残余瓦斯含量指标也无法准确评价工作面突出危险。因此，3#煤层的区域防突措施必须优先从降低煤层应力的角度出发，兼顾煤层瓦斯抽采，才能从根本上解决煤巷掘进防突问题。基于矿井煤层松软的赋存特点，经验表明水射流扩孔卸压技术是可行的防突技术措施。

2.1 水射流钻扩一体化技术

水射流钻扩一体化技术是一种兼顾煤层瓦斯抽采效率和煤层应力卸除的技术。水射流钻扩一体化装置主要由扩孔钻头、高压钻杆、高压旋转水尾、高压水泵、储水箱、高压胶管、高压闸阀、矿用钻机等组成，其性能良好，现场操作简单方便。在石门揭煤或底板岩巷施工穿层钻孔时，利用钻机带动钻杆旋转，通过特殊扩孔钻头截齿切割或剥落大块煤；同时利用高压水射流对钻孔周围的煤体进行打击、剥落，以扩大煤孔直径，增加煤层暴露面积和钻孔径向卸压范围，扩出更多煤炭，进一步增加单孔卸压范围，提高瓦斯抽排效果，缩短钻孔卸压抽排时间。同时，煤层润湿后，煤体弹性减小，煤体卸压、瓦斯放散初速度降低，有利于防治煤与瓦斯突出[12-15]。高压水射流钻扩一体化技术工艺如图1所示。

图1 高压水射流钻扩一体化技术工艺示意图

2.2 试验区域概况及考察方案

在桑树坪煤矿4321工作面开切眼区域开展水射流扩孔卸压防突效果试验，该工作面3#煤层平均厚度为5.0 m，煤体破坏类型为Ⅳ～Ⅴ类，煤的坚固性系数为0.1～0.3。在4321工作面开切眼正下方20 m位置布置1条底板巷，施工穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯进行区域防突。在4321工作面区域测得3#煤层最大原始瓦斯含量为10.21 m3/t。

在4321底板巷32号和31号钻场内设计2组考察钻孔，32号钻场内为普通穿层钻孔，共计50个；1号钻场内为穿层扩孔钻孔，共计49个。所有钻孔终孔间距均按照6 m×6 m三花状布置，如图2 所示。

单位：mm

在水射流扩孔卸压效果考察过程中，要求整体扩出煤屑率不低于3%，同时对普通穿层钻孔及穿层扩孔钻孔的初始瓦斯涌出量、钻孔瓦斯流量衰减系数及瓦斯抽采效果等进行考察。

2.3 卸压增透效果分析

现场测得3#煤层普通穿层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.053 0～0.074 0 d-1，穿层扩孔钻孔瓦斯流量衰减系数为0.014 0～0.026 0 d-1，抽采钻孔瓦斯流量衰减系数降低了65%～74%，难抽采煤层转变为可抽采煤层；普通穿层钻孔自然瓦斯涌出流量为6.818 2～11.500 0 L/min，穿层扩孔钻孔自然瓦斯涌出流量为17.307 7～23.214 3 L/min，穿层扩孔钻孔自然瓦斯涌出量相对提高了2～3倍，表明水射流扩孔卸压技术能够明显改善煤层的可抽性。普通穿层钻孔及穿层扩孔钻孔瓦斯涌出衰减曲线如图3 所示。

图3 普通穿层钻孔及穿层扩孔钻孔瓦斯涌出衰减曲线图

2.4 卸压抽采效果分析

对32号和31号钻场内2组钻孔瓦斯抽采数据进行监测，穿层扩孔钻孔抽采瓦斯浓度平均为23.5%，单孔抽采瓦斯量平均为0.067 m3/min；普通穿层钻孔预抽瓦斯浓度平均为12.0%左右，单孔抽采瓦斯量平均为0.020 m3/min。可见采用水射流扩孔后的瓦斯抽采浓度能够提高1.0倍，抽采瓦斯混合量提高2.4倍。抽采瓦斯浓度及混合流量如图4所示。

(a)穿层扩孔钻孔

普通穿层钻孔抽采瓦斯浓度及流量总体随抽采时间延长而衰减，但穿层扩孔钻孔抽采瓦斯浓度及流量波动较大，分析认为这是穿层扩孔钻孔四周的煤体向扩孔形成的孔洞内缓慢变形，持续卸压形成的效果。通过水射流扩孔，钻孔排出大量煤屑，煤层内部自由空间增加，卸除煤层中的部分应力，消除煤体的弹性能。通过卸压提高了煤层的透气性，瓦斯抽采效果得到提升，对防控桑树坪煤矿地应力主导型煤与瓦斯突出的效果显著。

3 煤巷突出评价指标研究

3.1 煤巷突出的评价指标

当采用传统预抽煤层瓦斯手段作为消突措施时，采用煤层残余瓦斯含量作为评价指标，瓦斯含量采用《防治煤与瓦斯突出规定》推荐的8 m3/t作为临界值。

在桑树坪煤矿煤巷掘进过程中，通过区域防突措施效果检验煤层残余瓦斯含量为5.00～6.00 m3/t时，在部分地质条件异常区域依然出现局部预测指标超限及顶钻、夹钻等现象；保护层开采后，煤层残余瓦斯含量约为7.00 m3/t，采掘过程中无局部预测指标超限及顶钻、夹钻等现象。2种措施最大的区别在于保护层开采后煤层卸压，3#煤层区域防突措施效果评价单纯采用残余瓦斯含量作为评价指标，难以真实判断区域煤层突出危险性是否被消除，因此区域防突措施效果检验指标既要能反映煤层瓦斯抽采效果又要能反映煤层应力卸除效果。

在水射流扩孔过程中，扩出的煤屑越多，则钻孔内部的卸压空间越大，而且卸压效果越好。根据扩出煤屑量在防突措施控制区域内煤体总质量所占比例即扩出煤屑率，评价水射流扩孔卸压的效果是否充分。扩出煤屑率计算公式如下：

η煤屑率=T煤屑量/T煤总量

(1)

式中：η煤屑率为扩出煤屑率，%；T煤屑量为钻孔扩出的煤屑质量，t；T煤总量为防突措施控制区域内煤体总质量，t。

根据水射流扩孔卸压技术的特点，煤巷条带区域防突措施效果评价指标采用扩出煤屑率及残余瓦斯含量。

3.2 评价指标的临界值考察

扩出煤屑率结合残余瓦斯含量的评价指标既能体现出3#煤层的突出主导因素，又适应矿井的具体测试条件，但还需明确评价指标的临界值才能准确评价区域防突措施效果。

3.2.1 考察方案及结果分析

试验地点为4321工作面运输巷，考察指标为扩出煤屑率、残余瓦斯含量。由于煤巷条带区域煤层赋存及突出危险性的差异性，将考察区域分为一般防范危险区(煤层赋存正常区域)和重点防范危险区(地质构造区、煤厚变化剧烈区、喷孔或顶钻严重区域等)，并分别考察评价指标的临界值。通过统计分析煤巷掘进过程中异常瓦斯动力现象及区域验证指标结果与区域防突措施效果评价指标值之间的关系，进而确定合理临界值。

将考察巷道划分为17个效果评价单元，其中一般防范危险区有9个评价单元，钻场编号分别为3、7～11、12～14、17、20、21、22、26～28、29～31；重点防范危险区有8个评价单元，钻场编号分别为4、5、6、15、16、19、23、24～25。考察结果及构造分布情况如图5 所示。

图5 4321工作面运输巷各评价单元扩出煤屑率及残余瓦斯含量测定结果图

由图5可知，考察区域内扩出煤屑率为1.2%～6.4%，测定的残余瓦斯含量为4.20～7.12 m3/t。分别对一般防范危险区和重点防范危险区的扩出煤屑率、残余瓦斯含量进行统计分析，如图6、图7 所示。

图6 扩出煤屑率测定结果

图7 残余瓦斯含量测定结果

对掘进过程中反映煤体应力状态的钻屑量S和反映煤体瓦斯含量的钻屑瓦斯解吸指标Δh2进行测定和计算，4321工作面运输巷掘进区域验证指标如图8所示。

图8 4321工作面运输巷掘进区域验证指标测定结果

3.2.2 评价指标差异化临界值确定

1)扩出煤屑率

a.一般防范危险区

由图6可知，一般防范危险区的3号钻场控制区域扩出煤屑率为2.4%，虽然煤体残余瓦斯含量降至6.00 m3/t以下，在煤巷掘进过程中连续性区域验证过程中钻屑量S指标超限现象依然较为明显，超标值为6～8 kg/m，如图8所示。由于部分区域煤层松软，小型断层构造致使煤体应力集中，放炮过程中出现了1次煤体异常压出情况。突出预兆出现后重新补充水射流扩孔预抽瓦斯区域防突措施，将扩出煤屑率提高至3%后，实现煤巷安全掘进。而其他 8个评价单元控制区域扩出煤屑率为3.2%～5.7%，均未出现异常现象，实现煤巷安全掘进。因此，对于煤层赋存正常的一般防范危险区域，扩出煤屑率应不低于3.0%。

b.重点防范危险区

由图6可知，重点防范危险区域的5个评价单元(4、5、6、16、23)的扩出煤屑率分别为1.2%、1.3%、1.4%、4.4%、4.0%，其他3个评价单元(15、19、24～25)的扩出煤屑率分别为6.4%、5.1%、6.0%。由图8可知，扩出煤屑率小于5.0%的5个评价单元(4、5、6、16、23)的钻屑量S均出现超限现象；扩出煤屑率大于5.0%的3个评价单元(15、19、24～25)虽然掘进时也遇到了断层构造、煤厚变化剧烈区域和褶曲，但钻屑量S均未出现超限现象。因此，对于存在异常赋存条件的重点防范危险区，扩出煤屑率应不低于5.0%。

基于上述研究，扩出煤屑率可以有效反映煤层应力卸除效果，可作为区域防突措施效果检验评价的指标，在一般防范危险区其临界值为3.0%，在重点防范危险区其临界值为5.0%。

2)残余瓦斯含量

a.一般防范危险区

由图7可知，一般防范危险区的残余瓦斯含量为4.20～7.12 m3/t，均小于8 m3/t。3#煤层煤巷掘进区域效果检验指标临界值考察过程中，一直采用《防治煤与瓦斯突出规定》的推荐值作为临界值，正常赋存条件区域的9个评价单元均未出现瓦斯异常现象。一般防范危险区的钻屑瓦斯解吸指标Δh2均未出现超限现象，如图8所示。由此可知，在实施水射流扩孔卸压措施情况下，残余瓦斯含量为8 m3/t时，能够准确评价一般防范危险区的突出危险性。

b.重点防范危险区

桑树坪煤矿曾在构造附近发生过突出，突出时的最低瓦斯含量为6.60 m3/t。基于煤巷掘进过程中的防突经验，并留有一定的安全系数，对重点防范危险区的评价指标及临界值初步定为6 m3/t进行了研究。

由图7可知，重点防范危险区的3个评价单元(4、5、6)的残余瓦斯含量分别为5.29、5.63、5.52 m3/t，其他5个评价单元(15、16、19、23、24～25)的残余瓦斯含量分别为6.71、6.97、6.18、6.46、6.45 m3/t。残余瓦斯含量小于6 m3/t时，煤巷掘进过程中均未出现瓦斯异常现象，同时重点防范危险区的8个评价单元的钻屑瓦斯解吸指标Δh2均小于临界值200 Pa，如图8所示。

基于上述考察情况，残余瓦斯含量可以有效反映煤层瓦斯抽采效果，在一般防范危险区其临界值为8 m3/t，在重点防范危险区其临界值为6 m3/t。

应用水射流扩孔卸压技术结合扩出煤屑率及残余瓦斯含量的评价指标体系，可准确评价桑树坪煤矿地应力主导型松软突出厚煤层煤巷掘进的防突效果，实现煤矿安全快速掘进，平均进度由60 m/月提升至120 m/月，4321工作面提前准备到位，缓解了采掘接替紧张局面；采取区域强化卸压抽采措施后，减少了常规预抽钻孔工程量，降低了成本。

4 结论及展望

1)针对地应力主导型松软突出煤层煤巷条带，采取底板巷穿层钻孔结合水射流钻扩卸压技术措施，可有效改善煤层的可抽采性，降低煤层地应力，消除地应力主导型煤与瓦斯突出危险。

2)针对桑树坪煤矿3#煤层地应力主导型突出危险灾害，应采用扩出煤屑率结合残余瓦斯含量的区域措施效果评价方法，从地应力卸除和瓦斯含量 2个角度评价区域防突措施消突效果。

3)根据地勘、物探及钻孔施工过程中喷孔的程度等资料，预判煤巷掘进区域的突出灾害严重程度，按照差异化考察确定的煤层残余瓦斯含量和扩出煤屑率临界值，能够准确评价区域防突措施效果，实现煤巷安全掘进。

4)水射流扩孔技术能够同时解决煤层瓦斯抽采及煤层卸压问题，适用于防治桑树坪煤矿松软煤层地应力主导型突出灾害，可从采掘部署上进行调整，将水射流扩孔技术应用于工作面回采区域，可以保证工作面安全高效回采。