石门揭煤防突技术讨论
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作者: 余立华 史春
摘要：据统计，石门揭煤是国内外发生最大的突出，不仅是因为石门揭穿煤层在煤与瓦斯突出矿井中，较其他方式揭穿煤层突出危险性大，同时也因为其突出强度也较其他方式大。一直以来石门揭煤都是防突研究的重点。本文简要介绍了几种石门揭煤法防突的方法，为研究和完善石门揭煤防突消突手段提供依据和借鉴。
关键词：石门揭煤 防突措施 方法
0 引言
我国是煤与瓦斯突出最严重的国家之一。据统计，我国目前突出矿井已达250余个，总突出次数超过万次。就我国目前多起突出事故来看，石门揭煤工作面突出强度最大，达316t/次。强度在千吨级以上的特大型突出事故中，石门揭煤工作面突出就占77%[1]。在石门揭煤时，因为岩石强度比媒体大，但透气性比煤体差，这样在石门即将揭开煤层之间，煤层中只有少量瓦斯泄露，瓦颠压力几乎不会受到影响。同时，在石门揭煤过程中，煤巷尺寸往往比石门巷道的尺寸小，突出时突出口处的气压不至于过高，突出阵面可在煤体内发展，但突出强度一般都不会太小。突出的大量瓦斯波及范围广，造成的破坏严重，能给矿井带来毁灭性的灾难。一旦揭开煤层，煤体内就会释放出大量的初始释放瓦斯膨胀能，从而引起突出。正因为如此，同一地点的煤层用石门揭煤的方式揭开时具有较大的突出危险性，而采用煤巷掘进的方式揭露时，其突出危险性则要低一些，甚至消失。同时，由于石门揭煤施工工艺的特殊性，揭穿突出煤层的全过程都有危险，并可能发生连续突出、延续突出和自行揭开突出，比一般的突出造成的人身伤亡财产损失要大。另一方面，新水平，新采区的准备又不能避免石门揭煤，同时防突措施又占用时间长，造成矿井生产接替紧张。因而，能安全，快速的揭开煤层，对突出矿井的安全生产具有十分重要意义。
1 现存石门揭煤消突措施
我国20世纪50年代初首次成功采用密闭巷道和钻孔预抽了开采层瓦斯。20世纪50年代后期，成功实现邻近层瓦斯抽采技术，进行了开采保护层的区域性防突措施以及石门揭煤、煤巷掘进工作面局部性防突措施的研究。20世纪60年代中期至70年代末，在全国广泛推广了开采保护层结合瓦斯抽放，使保护层开采技术更加完善。近40年来全国普遍推广了开采保护层技术以及抽瓦斯、打超前钻孔、注水、松动爆破、金属骨架和水力压裂等技术措施，近10年来大力推广了突出煤层大面积抽瓦斯和控制卸压爆破等防突措施。在总结了国内外防突经验的基础上，提出了突出预测、防治突出措施、效果检验与安全防护措施的四位一体防突综合措施[2]。
自20世纪60年代以来，石门揭煤防突措施先后采用了水力冲孔、金属骨架、钻孔抽排放、煤层注水和煤体固化等防突措施。
1.1 水力冲孔斜压法 水力冲孔是在进行采掘之前，以岩柱或煤柱作为安全屏障，利用钻机打孔，通过钻头的切割和高压水射流冲击煤体，激发煤层发生可控制的喷煤和喷瓦斯。当部分煤体和瓦斯从形成的孔洞中排出后，孔洞周围的煤体内发生变形，地应力降低，透气性增高，大量的瓦斯从中掺流出来，一定范围内的煤层中瓦斯压力及瓦斯含量降低，强度提高，相应的初始释放瓦斯膨胀能降低，从而使煤体失去突出能力。
1.2 金属骨架法 金属骨架是用于石门揭穿煤层防止突出的一种超前支架。当石门距煤层一定距离时，暂停掘进，在其顶部及两帮上侧打眼，钻孔穿过煤层全厚，进入岩层0.5m时终孔，孔间距一般为0.2m左右。布置钻孔的方式可依据本煤层的突出危险性而定。一般在项部和两侧周边外0.5-1.0m的范围内布置单排或双排钻孔，两帮也布置部分钻孔，孔径一般为75-108mm。
由于地应力一般要比支架的支撑力大得多，依靠金属骨架不能抵挡，金属骨架只有顺着煤体发生向巷道的变形。当暴露面的煤体位移到一定位置后，煤体作用在金属骨架上的力与金属骨架的支撑力平衡，位移停止。这样金属骨架支撑着部分煤体的作用力，可以防止暴露面附近的煤体与内部煤体分离。
1.3 钻孔瓦斯抽采法 预抽煤层瓦斯防止突出技术是在掘进或开采煤层之前向突出煤层打许多钻孔，再将钻孔与抽放管路相接，利用抽放泵提供的负压将煤层内的高压瓦斯抽出。煤层进行几个月至几十个月的预抽后，煤层内的瓦斯压力下降，瓦斯含量降低，能使突出煤层产生收缩变形，其上的地应力降低，煤层透气性增大，煤层的坚固性系数提高，这些变化都会使得煤层在开采或掘进过程中释放出来的初始释放瓦斯膨胀能降低，因而失去突出危险性[3]。
1.4 煤层注水法 煤层注水作为防治煤与瓦斯突出的技术措施，是通过钻孔向工作面前方煤体实施注水，以改变煤的力学性质、渗透性质及煤层原始应力状态，也相应改变了激发煤与瓦斯突出的条件，从而达到消除或减小突出的目的[4]。
1.5 煤体固化法 注浆加固是通过向煤层中压入性能适宜的固化剂，在一定压力下使其渗入到煤层中的裂隙和孔隙，人为地改善煤岩体的物理力学性质，使煤的内表面形成粘合胶结，改变煤的不均质性，提高煤体强度和自身承载能力，增加煤与瓦斯突出时的阻力，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。石门揭开有突出危险煤层现场施工工程中，采用波雷因材料、风动注浆泵及相应注浆新工艺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[5]。
1.6 注液冻结方法 将特殊的冷冻液注入石门揭煤工作面待揭的突出煤层，将减少煤与瓦斯突出的瓦斯动力源，增加煤层抵抗瓦斯突出的阻力，从而有效防治石门揭煤过程煤与瓦斯突出。该方法可广泛应用于低透气性或深部开采的石门揭煤瓦斯突出工作面，可以减少我国煤矿瓦斯灾害事故[6]。
2 防突措施存在的不足
目前，我们主要通过水力冲孔、金属骨架、排放钻孔和抽放瓦斯等措施来进行石门防突，但必须在固定的条件下才能顺利实施上述防突措施。比如后两种措施实施过程中需要确保透气性良好，而且为了获得预期的防突效果，瓦斯排放的时间至少要持续3个月。而水力冲孔则要在煤层具有自喷能力，且时间充足的条件下才能实施。固化防突措施实施难度较大，固化液很难渗入煤体；金属骨架一般使用在薄煤层中，且很难起到“屏蔽”作用；煤体固化防突措施对煤体稳定性造成破坏，注浆压力势必引起煤体内的应力挠动。注液冻结方法受煤层含水量的条件限制，不同含水量对煤层结构力学性质也不同，技术要求及成本较高。
同时，目前大部分石门揭煤防突措施都存在时间较长的弊病。瓦斯抽放方法抽放时间一般要大于三个月，实施措施的岩壁厚度要大于等于3米，钻孔要在石门周边外3-5米以内的范围布孔，孔距可根据煤层的透气性和允许抽放的时间确定，一般为2-3m，均匀布孔，经效果检验有效或瓦斯压力小于0.74MPa。水力冲孔法适用于自喷现象的煤层，岩壁厚度大于5m，在石门周边外3m范围内布孔，钻孔布置程上、中、下三排，每排程左、中、右，共9个冲孔。冲孔顺序相间进行，要求石门全断面冲出煤量不少于20煤层厚度，如果冲出的煤量较少时，应在孔周围补加冲孔。排放瓦斯法同样也要求有足够的排放时间，岩层厚度大于3m，钻孔要在石门周边外3-5米以内的范围布孔，孔距可根据煤层透气性和允许排放时间确定，经效果检验有效或瓦斯压力小于0.74MPa。金属骨架法适用于石门与煤层面的夹角大于45°，实施岩层厚度为2-3m，在巷道上部和周边外0.5-1.0m的范围内布置骨架孔，孔距一般不大于0.2m(单排孔)或）0.3m(双排孔)，骨架两端在顶底板岩石孔内的长度在0.5m以上[7]。
3 结论
煤与瓦斯突出一直是煤矿安全生产研究的重点和难点之一，尤其是在石门揭煤时的防突更是重中之重。石门揭煤尽管方法较多，但必须配合煤矿的地质条件及在突出预测的基础上进行。在实际生产中应用现有工程技术的同时也亟需新的工艺和技术来更好协调安全、效益之间的关系，增强工程技术应用的普遍性和可靠性，这是我们今后努力的方向。
参考文献：
[1]蒋承林，俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术.徐州：中国矿业大学出版社，1998．
[2]俞启香，矿井瓦斯防治.徐州：中国矿业大学出版社，1992．
[3]姚尚文，刘泽功，杨立新.高瓦斯掘进工作面抽放技术[J].煤炭科学技术，2005，33(5)：1.4．
[4]李伟雄，周宗卫，张兴权.煤层注水技术在芙蓉煤矿的研究与应用[J].煤炭科学技术，2008，36(2)：50.54．
[5]徐西亮.煤体固化石门揭煤防突技术研究：硕士学位论文.淮南：安徽理工大学，2007．
[6]杨志刚，宋彦波.采用注浆加固技术防止石门揭煤时煤与瓦斯突出叨.煤矿安全，2007，1：9.11．
[7]洪春生，杨连华.石门揭煤防治煤与瓦斯突出的实践[J].煤炭技术，2003，22(5)：151.157．
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