对防突安全屏障的思考
1问题的提出 近年来，矿井深部水平突出煤层中施工防突钻孔过程中，多次发生在安全屏障内打孔突出的事故，根据对突出事故的调查，均没有发现明显违背《防治煤与瓦斯突出细则》的现象，这说明有必要对防突安全屏障的可靠性进行再思考。 2典型屏障突出的案例 某矿N2702东回风立眼用天井钻机施工为φ1m，两年后用放炮方式将断面扩大到φ2m。立眼从上向下扩大到突出危险煤层处，用电煤钻施工φ42mm预测孔在孔深2m处发生喷孔后，按0.2m的排放半径在煤层中均匀施工φ42mm排放钻孔，设计孔深4m。1998年8月23日当第17个钻孔施工到2.6m时，发生了346t的突出。该处煤层厚度2.4m，煤层倾角5。。 某矿3417工作面开切眼用ZF-100型风动钻机施工了8个φ80mm、深11m的超前排放钻孔，因在施工过程中煤层松软、钻孔垮孔严重，孔口处直径达200～300mm，故改用ZFS-15型风煤钻施工了13个深度9m的φ42mm排放钻孔，2000年8月30日施工第10个φ42mm排放钻孔到7m时，发生了70t的突出。该处煤层倾角34。，煤层厚度0.74m。突出前已经在安全屏障内施工了25个钻孔。 某矿2006年4月9日E1824二次切割巷在未保护区施工φ87mm排放钻孔时，发生了490t的突出。根据事故调查，发生突出之前已经在掘进工作面施工了33个排放钻孔、地质孔等。该处煤层厚度1.98m，煤层倾角8°。 某矿3504E2段运输巷掘进期间，措施孔控制巷道轮廓线上部的范围是2～４m。巷道形成后采用风煤钻施工φ42mm的真倾斜上向钻孔，设计孔深10m，孔间距1.6m，目的是制造采煤工作面采前本层深钻孔施工的安全屏障。2007年7月20日施工φ42mm钻孔，开孔点在煤层的软分层中，此处巷道顶板的煤层已经垮落1m左右，钻进到孔深3.5m左右发生喷孔。从瓦斯监测曲线上看，钻孔发生喷孔后7min发生了突出，突出煤量343t。该处煤层倾角55。，煤层厚度近1m。 以上突出事故都说明，执行措施孔前，安全屏障的物理机械强度都不足。 3对防突安全屏障的思考 3.1对防突措施实质的认识 采取防突措施排除原始煤体中部分固体（煤炭）和气体（瓦斯）物质，促使煤体产生塑性、蠕动变形，从而消除措施控制范围内煤体的突出潜能，通常采取的措施是钻孔排放或钻孔抽放。从这个意义上讲，防治突出的措施就是要多打钻孔。 相同的机具和工艺，由于煤层赋存条件的不同，钻孔排出的固体物质数量、钻孔的有效排放半径也不同，钻孔对屏障物理机械强度的影响程度也不同，安全屏障的机械强度与屏障内钻孔排出的固体物质的数量成反比。从这个意义上讲，防治突出又不能打多余的钻孔。 在设计钻孔的数量时，通常依据已经考察的钻孔排（抽）放半径和需要控制的范围而确定。在实际工作中，应该掌握每个钻孔排除固体和气体物质的数量，并以此修定钻孔的数量，不宜在煤层中打多余的钻孔，以确保安全屏障的可靠性。 3.2辨证理解和执行《防治煤与瓦斯突出细则》的相关规定 《防治煤与瓦斯突出细则》第一版是1988年颁发的，新版《细则》从1995年5月1日开始执行。《细则》是根据12年前开采条件下，对已经获得素材的归纳。12年来随着矿井开采深度的增加，煤层的瓦斯含量、瓦斯压力和地应力也随之增加，客观条件变化而引起突出因素的变化，是12年前修定《细则》时没有收集到的，所以要辨证理解和执行《细则》。 3.2.1如何防止出现《细则》第69条的前置条件？ 《细则》第69条规定，“……在第一次执行上述措施或无措施超前距时，必须采用浅孔排放或其它防治突出措施，在工作面前方形成5m的执行措施的安全屏障后，进入正常防突措施施工，确保执行措施的安全。” 但是，“采用浅孔排放”后再“进入正常防突措施施工”的过程，必定是在5m屏障内重复打孔，从而降低或破坏了安全屏障的物理机械强度。如果出现第69条的前置条件，应该采取远距离的措施而不是短兵相接的措施。远距离的措施主要包括穿层钻孔抽放、退后掘进工作面在煤层顶底板岩层开口向屏障施工抽（排）放钻孔等。 3.2.2关于煤巷掘进工作面防治突出效果检验超前距的思考 《细则》第43条规定，“……当检验孔深等于措施孔深时，经检验措施有效后，必须留有5m投影孔深的超前距。当检验孔深小于措施孔孔深，且两孔投影孔深的差值不小于3m时，经检验措施有效后，可采用2m投影孔深的超前距。” 这里有一个概念需要商榷，就是措施孔已经控制的、但还没有经过检验有效的范围是否已经完全消除了突出危险？第43条的规定中似乎没有肯定也没有否定。但是作者认为，凡是没有经过检验证明已经消除突出危险的范围，都不能认定为是已经消除突出危险的范围，都不能视为是有效的安全屏障。过去在执行这条规定的过程中，许多矿井已经出现在下轮施工预测（检验）孔或措施孔时，钻孔深度超过2m后就发生超标甚至喷孔的现象，这种情况下就要执行第69条的规定，从而又出现了在屏障内重复打孔的现象。 所以，无论措施孔的深度是多少，煤巷掘进工作面防治突出效果检验孔的超前距都应不少于5m。 3.2.3措施孔布置层位的思考 《细则》第70条第3款规定“钻孔应尽量布置在煤层的软分层中”。从钻孔排放效果分析，钻孔布置在软分层中的排放效果较好，其中的重要原因是软分层中施工钻孔排出的固体和气体物质多。但是在构造煤层的软分层中施工钻孔，往往出现屏障内煤体垮塌后无法布孔的现象，由此造成安全屏障的物理机械强度受到破坏甚至没有安全屏障。 作者建议，抽放钻孔应该布置在工作面的硬分层中，这样，既可以保护安全屏障的物理及机械强度，也有利于抽放孔的封孔，同时由于钻孔就不容易塌孔而保持畅通，提高抽放效果。排放钻孔应该在工作面的硬分层中开孔，穿过安全屏障后再进入软分层中施工。 3.2.4措施孔有效超前距的思考 人们习惯性的思维和《细则》中规定防突掘进工作面措施孔的有效超前距都是不少于5m。近年来，某些矿井因地质构造带突出危险性增大、钻孔施工过程中瓦斯动力现象严重等因素，将措施孔的超前距增加到6～8m，希望以此提高防突的可靠性。 但是，在地质构造变化带，措施孔的有效施工深度很难达到设计的深度，一般都在10m以下，造成在措施孔超前距范围内要重复施工3～４轮措施孔，这样的安全屏障是没有足够的机械强度的。 为了防止在安全屏障内多次重复施工钻孔，作者建议，防突掘进工作面措施孔的有效超前距以安全屏障内最多重复2轮措施孔为宜，如果这样不能保证5m有效超前距，则应该远距离采取措施消除掘进工作面前方的突出危险性。 3.2.5统筹设计上、下阶段施工防突措施所需要的安全屏障 3.2.5.1石门揭煤措施孔控制的范围 如果石门只是穿过突出危险煤层，则消除突出措施孔控制的范围可比照《细则》第60条规定执行。 如果石门揭穿突出危险煤层后，还要沿突出危险煤层掘进煤层巷道，则石门揭煤前消除突出措施孔控制的范围就应该在《细则》第60条规定的基础上，增大措施孔的控制范围。 增大钻孔控制范围应该考虑的因素有，进入煤层后再向左、右、上、下掘进煤层巷道前所需要的安全屏障；石门附近煤层巷道施工本层上、下向措施孔所需要的安全屏障；同时还要考虑放揭煤炮及过煤门放炮过程中对巷道周边超挖的范围等。不能只考虑石门断面揭煤当时所需要的安全屏障。 3.2.5.2煤层巷道掘进期间措施孔控制的范围 《细则》第70条第4款规定掘进巷道“超前钻孔的控制范围，应控制巷道断面轮廓线外2～4m（包括巷道断面内的煤层）”。这样执行的后果是，煤层巷道形成后施工上向或下向的煤层抽放钻孔前的安全屏障也只有2～4m（没有考虑煤层巷道特别是倾斜、急倾斜煤层巷道顶部垮落形成的超挖），显然没有不少于5m的执行措施的安全屏障，难以保证施工抽放钻孔的安全。煤层巷道掘进期间，措施孔控制巷道断面轮廓线以外的范围，要取巷道掘进期间所需要安全屏障、下阶段施工煤层抽放孔所需要安全屏障二者中的最大值，所以煤层巷道掘进期间措施孔控制的范围就不能完全按《细则》第70条第4款执行，要扩大钻孔控制范围。 3.2.5.3特殊地点措施孔控制的范围 煤层巷道的交叉点、拐弯段掘进期间，要根据巷道角度、断面尺寸等，具体设计和施工特殊点的措施孔，防止在这些地点施工过程中出现无安全屏障、安全屏障不足、三角空白带等现象。 3.3穿层钻孔制造安全屏障 在防突工程设计和选择上，应该“先做加法、后做减法”。 穿层抽放钻孔有施工安全、多钻孔、有效控制范围大、准确探测区域内煤层赋存条件等优点，但有平均单位钻尺抽放量小、抽放时间长等缺点；煤层钻孔与穿层钻孔的优缺点正好相反。 但是，深部开采的范围往往是煤层赋存条件差、构造多、构造应力大、地应力大的区域，特别是煤层顶底板起伏、厚度变化、走向和倾向变化，在这种情况下，无论施工本层钻孔的钻机能力有多强，钻孔一旦遇见岩石或强烈瓦斯动力现象，都只能停止施工，从而无法实现煤层钻孔有全部控制开采范围的目的。 在实际工作中，当发现采用煤层钻孔无法全部控制开采范围时，再选择穿层抽放几乎是不现实的，因为部署和生产的压力，逼迫更多地是选择继续在煤层空白区采取措施，从而使防突工作走入了在突出危险区域短兵相接的境地。 所以，应该坚持以穿层抽放为主，以本层抽放为补充；坚持预裂爆破、水力扩孔等增加煤体透气性的技术措施，提高穿层抽放的效果。 3.4有效支护对安全屏障的作用 防突区域要保证支护可靠，特别是倾斜、急倾斜煤层，防止安全屏障垮落而诱导突出。 防止放炮打垮支护或支护不及时而降低或破坏已经形成的安全屏障。 作者建议，倾角30。及以上的中厚煤层揭煤、倾角40。及以上的薄煤层揭煤都应施工金属骨架或或灌注固化剂等措施提前固化煤体，揭煤前应优先选择“锚、网、梁、索”组合支护或发碹支护，严防出现放炮打垮支护。 4结论 4.1在防突工程设计和选择上，应该“先做加法、后做减法”。技术措施要坚持“穿层抽放为主、本层抽放为补充”的原则，力争在突出危险煤层中不留下措施孔控制的空白带。 4.2辨证地理解和执行《防治煤与瓦斯突出细则》，措施孔控制范围要取本阶段、下阶段防突措施施工所需安全屏障二者中的最大值。 4.3各阶段的防突措施施工，都要为下阶段的防突措施施工制造有效的安全屏障。 4.4任何时候都不能在安全屏障内多次重复打孔，避免人为降低安全屏障的物理机械强度。 4.5如果出现安全屏障内超标，应该采取远距离消除突出的措施，不宜在工作面煤层屏障内采取“短兵相接”的措施。 4.6煤层中钻孔应该在工作面的硬分层中开孔，穿过安全屏障后再进入软分层中施工，尽量保持安全屏障的物理及机械强度。 4.7任何时候都要防止放炮打垮支护而诱导突出。 4.8国家主管部门应组织修订《防治煤与瓦斯突出细则》。 参考文献： 《防治煤与瓦斯突出细则》煤炭工业出版社1995年 重庆煤炭集团安全事故通报 课程推荐 |
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