近煤层岩巷掘进突出危险性研究|煤层突出危险性
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【摘 要】本文基于煤层瓦斯赋存、煤岩体渗透性、煤的力学性三个因素，系统分析了近煤层岩巷的突出危险性，为研究近煤层岩巷掘进瓦斯防治技术奠定基础。 【关键词】近煤层岩巷；煤与瓦斯突出；新桥煤矿
1 煤岩体渗透性的影响因素
煤体透气性不仅和煤体本身结构有关(包括煤的孔隙结构、裂隙以及层理等)，而且还和煤体所受的地应力、瓦斯压力有关。林柏泉[4]等在应力状态为二维，仅有侧压的条件下，用小煤样实验获得了围压与孔隙压（瓦斯）对渗透性的影响关系。认为孔隙压力变化不大时，在加载过程中，煤体的渗透率与载荷间的关系服从指数方程。
采掘工程引起的地应力变化能使煤层透气系数发生很大变化。集中应力带内，煤层透气系数可降低50%，甚至更多；而在卸压带内可增大数倍甚至数千倍。卸压作用可增大煤层透气系数、加速煤层中瓦斯流动。
2 含瓦斯煤的力学性质
含瓦斯煤是一种很复杂的力学介质。实验表明：在瓦斯压力不高的情况下，弹性模量与瓦斯压力的关系可用下式表达[5]：
（1）
式中： ——弹性模量，MPa；
——瓦斯压力，MPa；
， ——实验回归系数。
加速煤体的失稳破坏。此时，若有外界其它条件策动，极易造成突出事故。
3 近煤层岩巷掘进突出危险性分析
3.1 近煤层岩巷掘进发生突出的条件
煤与瓦斯突出是由瓦斯、地应力和煤的物理力学性质等多因素综合作用的结果。近煤层岩巷突出的发生一般需要一定条件。
3.1.1 突出区域大量瓦斯的积聚，且由于周围煤岩体透气性较小，使积聚的瓦斯无处泄露，形成高的瓦斯压力（临界值0.74 MPa）和瓦斯含量（临界值8 m3/t）；
3.1.2 高的瓦斯压力、集中应力等对周围煤、岩体应产生有效应力作用。在瓦斯治理过程中，集中应力区是防突的重点，而煤层集中应力区是防突工作的重中之重。煤层在巷道下方时，掘进工作前方煤层集中应力区在5～20 m之间；两侧6～12 m范围为煤层集中应力区，且煤层距巷道底板（法距） 7 m时，应力集中系数较小，基本等于原岩应力，应力峰值均处在煤层距巷道底板 5 m时从集中应力区向原始应力区变化的边缘。说明煤层煤层距巷道底板 5 m时突出危险性较大。煤层在巷道上方时，掘进工作前方煤层集中应力区在3～25 m之间；两侧6～12 m范围为煤层集中应力区，且应力峰值出现在掘进工作面前方6～8 m范围，且应力集中系数比煤层在巷道下方时高，煤层距巷道顶板7 m时，其应力集中系数1.38>1.2(煤层距巷道底板7 m)；煤层距巷道顶板 7 m时，其应力峰值处在煤层距巷道顶板 5m时集中应力区的中间区域。说明煤层距巷道顶板 6m时突出危险性较大。巷道长距离穿煤时，煤巷掘进工作面前方2～15 m为煤层集中应力区，煤岩巷掘进工作面前方3～15m为煤层集中应力区，煤巷、煤岩巷掘进工作面两侧6～12 m为煤层应力集中区，巷道长距离穿煤时，集中应力区距工作面较近，易发生突出。说明掘进工作面前方2～15 m突出危险性较大。
3.1.3 采动、放炮等因素使掘进工作面周围煤岩体发生破坏，煤岩体物理力学性质发生变化，强度降低，抵抗突出的能力减弱，工作面前方突出危险性增大。
3.2 新桥煤矿近煤层岩巷突出危险性分析
贵州省六盘水市新桥煤矿设计生产能力30万t/a，该矿共有5层煤可以开采，煤层间距均较小。只有5与7号煤层间距较大，5#与7#的间距为12 m，开采方案设计一采区布置采区轨道下山、采区运输下山、采区回风下山，3条下山均布置在距离5#煤层底板5 m的岩巷中。
经实测新桥煤矿5#煤的绝对瓦斯压力为0.91MPa，C8煤层瓦斯含量为13.24 m3/t，瓦斯放散初速度为34mmHg，C8煤层钻屑解吸指标△h2最大值为360 Pa，K1最大值为0.69 mL/(min0.5?g）；C8煤综合指标D值为6.76，K值为35.71；新桥煤矿C8煤层（地质破坏带）煤体破坏类型属于Ⅲ～Ⅳ类，C8煤层正常区域的破坏类型为Ⅱ类；在打钻过程中曾出现卡钻、顶钻、抱钻、喷孔等瓦斯动力现象。3条大巷实际距煤层法距均 5m。综上所述：3条下山近煤层岩巷掘进具有突出危险性。
3.3 新桥煤矿近煤层岩巷防治煤与瓦斯突出措施
新桥煤矿由于地质勘探不足，对矿井小的构造调查部清楚。因此,主要从地质前探和瓦斯抽放两个方面防治近煤层岩巷的煤与瓦斯突出事故。
3.3.1 在掘进过程中，严格执行地质前探工作。前探钻孔共设计4个钻孔，分别位于巷道的顶底板和两侧，分别于巷道法线成10°夹角，钻孔设计深度90 m，控制巷道法线外15 m。在前探中掌握巷道上下5#、7#煤层的变化情况，同时掌握是否在巷道两侧存在煤层地质构造带。
3.3.2 新桥煤矿采用在下山的帮上布置钻场对掘进前方进行瓦斯抽放，采用聚氨酯进行封孔。当前方瓦斯压力下降到0.74 Mpa或瓦斯含量下降到8 m3/t时方可掘进。在掘进过程中保证超前距离为20 m。
4 结论
4.1 基于煤层瓦斯赋存及含瓦斯的煤的力学性质等理论，根据综合作用假说，结合近煤层岩巷特点，总结了近煤层岩巷发生突出的条件，煤层距巷道底板 5m时突出危险性较大；煤层距巷道顶板 6m时突出危险性较大；巷道长距离穿煤时，掘进工作面前方2～15m突出危险性较大。
4.2 在开采煤层群时，不能避免将开拓巷道布置在近煤层的岩石中时，在掘进过程中必须做好地质前探工作和瓦斯防治工作，防治误穿煤层或因煤层瓦斯应力集中造成煤与瓦斯突出事故。
参考文献
[1]周世宁, 林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论[M]．北京：煤炭工业出版社，1996．
[2][苏]霍多特 B B. 煤与瓦斯突出 [M]. 宋士钊, 王佑安译. 北京: 中国工业出版社, 1966.
1 煤岩体渗透性的影响因素
煤体透气性不仅和煤体本身结构有关(包括煤的孔隙结构、裂隙以及层理等)，而且还和煤体所受的地应力、瓦斯压力有关。林柏泉[4]等在应力状态为二维，仅有侧压的条件下，用小煤样实验获得了围压与孔隙压（瓦斯）对渗透性的影响关系。认为孔隙压力变化不大时，在加载过程中，煤体的渗透率与载荷间的关系服从指数方程。
采掘工程引起的地应力变化能使煤层透气系数发生很大变化。集中应力带内，煤层透气系数可降低50%，甚至更多；而在卸压带内可增大数倍甚至数千倍。卸压作用可增大煤层透气系数、加速煤层中瓦斯流动。
2 含瓦斯煤的力学性质
含瓦斯煤是一种很复杂的力学介质。实验表明：在瓦斯压力不高的情况下，弹性模量与瓦斯压力的关系可用下式表达[5]：
（1）
式中： ——弹性模量，MPa；
——瓦斯压力，MPa；
， ——实验回归系数。
加速煤体的失稳破坏。此时，若有外界其它条件策动，极易造成突出事故。
3 近煤层岩巷掘进突出危险性分析
3.1 近煤层岩巷掘进发生突出的条件
煤与瓦斯突出是由瓦斯、地应力和煤的物理力学性质等多因素综合作用的结果。近煤层岩巷突出的发生一般需要一定条件。
3.1.1 突出区域大量瓦斯的积聚，且由于周围煤岩体透气性较小，使积聚的瓦斯无处泄露，形成高的瓦斯压力（临界值0.74 MPa）和瓦斯含量（临界值8 m3/t）；
3.1.2 高的瓦斯压力、集中应力等对周围煤、岩体应产生有效应力作用。在瓦斯治理过程中，集中应力区是防突的重点，而煤层集中应力区是防突工作的重中之重。煤层在巷道下方时，掘进工作前方煤层集中应力区在5～20 m之间；两侧6～12 m范围为煤层集中应力区，且煤层距巷道底板（法距） 7 m时，应力集中系数较小，基本等于原岩应力，应力峰值均处在煤层距巷道底板 5 m时从集中应力区向原始应力区变化的边缘。说明煤层煤层距巷道底板 5 m时突出危险性较大。煤层在巷道上方时，掘进工作前方煤层集中应力区在3～25 m之间；两侧6～12 m范围为煤层集中应力区，且应力峰值出现在掘进工作面前方6～8 m范围，且应力集中系数比煤层在巷道下方时高，煤层距巷道顶板7 m时，其应力集中系数1.38>1.2(煤层距巷道底板7 m)；煤层距巷道顶板 7 m时，其应力峰值处在煤层距巷道顶板 5m时集中应力区的中间区域。说明煤层距巷道顶板 6m时突出危险性较大。巷道长距离穿煤时，煤巷掘进工作面前方2～15 m为煤层集中应力区，煤岩巷掘进工作面前方3～15m为煤层集中应力区，煤巷、煤岩巷掘进工作面两侧6～12 m为煤层应力集中区，巷道长距离穿煤时，集中应力区距工作面较近，易发生突出。说明掘进工作面前方2～15 m突出危险性较大。
3.1.3 采动、放炮等因素使掘进工作面周围煤岩体发生破坏，煤岩体物理力学性质发生变化，强度降低，抵抗突出的能力减弱，工作面前方突出危险性增大。
3.2 新桥煤矿近煤层岩巷突出危险性分析
贵州省六盘水市新桥煤矿设计生产能力30万t/a，该矿共有5层煤可以开采，煤层间距均较小。只有5与7号煤层间距较大，5#与7#的间距为12 m，开采方案设计一采区布置采区轨道下山、采区运输下山、采区回风下山，3条下山均布置在距离5#煤层底板5 m的岩巷中。
经实测新桥煤矿5#煤的绝对瓦斯压力为0.91MPa，C8煤层瓦斯含量为13.24 m3/t，瓦斯放散初速度为34mmHg，C8煤层钻屑解吸指标△h2最大值为360 Pa，K1最大值为0.69 mL/(min0.5?g）；C8煤综合指标D值为6.76，K值为35.71；新桥煤矿C8煤层（地质破坏带）煤体破坏类型属于Ⅲ～Ⅳ类，C8煤层正常区域的破坏类型为Ⅱ类；在打钻过程中曾出现卡钻、顶钻、抱钻、喷孔等瓦斯动力现象。3条大巷实际距煤层法距均 5m。综上所述：3条下山近煤层岩巷掘进具有突出危险性。
3.3 新桥煤矿近煤层岩巷防治煤与瓦斯突出措施
新桥煤矿由于地质勘探不足，对矿井小的构造调查部清楚。因此,主要从地质前探和瓦斯抽放两个方面防治近煤层岩巷的煤与瓦斯突出事故。
3.3.1 在掘进过程中，严格执行地质前探工作。前探钻孔共设计4个钻孔，分别位于巷道的顶底板和两侧，分别于巷道法线成10°夹角，钻孔设计深度90 m，控制巷道法线外15 m。在前探中掌握巷道上下5#、7#煤层的变化情况，同时掌握是否在巷道两侧存在煤层地质构造带。
3.3.2 新桥煤矿采用在下山的帮上布置钻场对掘进前方进行瓦斯抽放，采用聚氨酯进行封孔。当前方瓦斯压力下降到0.74 Mpa或瓦斯含量下降到8 m3/t时方可掘进。在掘进过程中保证超前距离为20 m。
4 结论
4.1 基于煤层瓦斯赋存及含瓦斯的煤的力学性质等理论，根据综合作用假说，结合近煤层岩巷特点，总结了近煤层岩巷发生突出的条件，煤层距巷道底板 5m时突出危险性较大；煤层距巷道顶板 6m时突出危险性较大；巷道长距离穿煤时，掘进工作面前方2～15m突出危险性较大。
4.2 在开采煤层群时，不能避免将开拓巷道布置在近煤层的岩石中时，在掘进过程中必须做好地质前探工作和瓦斯防治工作，防治误穿煤层或因煤层瓦斯应力集中造成煤与瓦斯突出事故。
参考文献
[1]周世宁, 林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论[M]．北京：煤炭工业出版社，1996．
[2][苏]霍多特 B B. 煤与瓦斯突出 [M]. 宋士钊, 王佑安译. 北京: 中国工业出版社, 1966.
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