石門揭開(kāi)突出危險(xiǎn)煤層,是煤炭生產(chǎn)企業(yè)在巷道掘進(jìn)過(guò)程中一項(xiàng)十分危險(xiǎn)又不得不面對(duì)的工作。由于礦山地壓、煤層瓦斯、煤體自身物理特性等諸多因素,造成石門揭煤時(shí)經(jīng)常發(fā)生煤與瓦斯突出[1]。突出一旦發(fā)生,輕則造成巷道冒頂、設(shè)施損壞,重則摧毀礦井通風(fēng)系統(tǒng),造成重大人員傷亡,損失難以估量。目前石門揭煤常用的防突措施有:超前鉆孔卸壓、預(yù)抽排瓦斯、水力沖孔,金屬骨架等。這些措施雖對(duì)突出起到了一定的防治作用,但它們沒(méi)有從根本上考慮在突出中起決定作用的煤體強(qiáng)度和瓦斯釋放條件,而只是著眼于煤巖彈性能和瓦斯?jié)撃艿尼尫臶2]。常規(guī)的防突措施一般都使煤體受到不同程度的破壞,降低了煤體的自身承載能力和對(duì)突出的抵御作用,對(duì)松軟煤層或地質(zhì)構(gòu)造破碎帶,影響更為嚴(yán)重,而這些區(qū)域正是突出的多發(fā)區(qū)。常規(guī)的防突措施還存在揭煤時(shí)間長(zhǎng),嚴(yán)重地制約著煤礦的正常生產(chǎn)銜接[3]。

　　1　注漿加固防突機(jī)理

　　1.1　煤與瓦斯突出過(guò)程分析石門揭開(kāi)有瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層時(shí),突出能量集中,突出強(qiáng)度大,瓦斯涌出量高,典型突出比例多,對(duì)煤礦生產(chǎn)造成的災(zāi)害也最嚴(yán)重。當(dāng)石門接近煤層時(shí),在煤巖交界面附近兩側(cè),巖石、煤體的力學(xué)性質(zhì)相差懸殊,這種差異產(chǎn)生其變形的突變(應(yīng)力不連續(xù)),當(dāng)煤層揭開(kāi)之前,瓦斯未經(jīng)排放,保持著原始高壓狀態(tài)或受到掘進(jìn)集中應(yīng)力的影響,煤體處于超原始高壓狀態(tài),這樣在煤體受到掘進(jìn)施工(如放炮瞬間)的影響,煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)突然變化,煤體內(nèi)的應(yīng)力梯度可能達(dá)到很高的數(shù)值,在煤巖交界面應(yīng)力突變值會(huì)更高,而且,新暴露煤體的受力狀態(tài)由三向受力變?yōu)槎蚴芰顟B(tài),如果此時(shí)煤體松軟、強(qiáng)度低,不能有效抵抗這個(gè)高應(yīng)力的沖擊和高壓瓦斯膨脹力的作用,就有可能發(fā)生煤與瓦斯突出[4]。

　　1.2　注漿加固防突機(jī)理分析

　　石門揭開(kāi)突出危險(xiǎn)煤層、煤體遭到破壞時(shí),煤體強(qiáng)度及整體性降低、阻止內(nèi)部煤與瓦斯突出能力減弱,容易導(dǎo)致大量吸附瓦斯瞬間解吸成游離瓦斯而突然噴出,從而形成煤與瓦斯突出。注漿加固是通過(guò)向煤層中壓入性能適宜的固化劑,使其滲入到煤層中的裂隙和孔隙。經(jīng)過(guò)注漿,可人為地改善煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)[5],有效增加煤體強(qiáng)度,減少煤體與巖體的力學(xué)性質(zhì)的差異,增強(qiáng)煤巖交界面附近圍巖的整體性,當(dāng)石門揭開(kāi)煤層時(shí)可避免煤巖交界面產(chǎn)生變形突變和圍巖應(yīng)力不連續(xù)。通過(guò)注漿可充填封閉煤層內(nèi)的裂隙和孔隙,減少瓦斯解吸速度和解吸量、降低煤體的吸附能力,使外部煤體阻滯內(nèi)部煤體突出的作用得以加強(qiáng)[6-7],相比其它常規(guī)的防突方法,采用注漿加固防突還可大大縮短石門揭煤時(shí)間。

　　2　試驗(yàn)地點(diǎn)

　　試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在淮南某礦1521(3)下風(fēng)巷出煤斜巷,出煤斜巷位于13-1主采煤層,13-1煤層為高瓦斯突出煤層,礦井自投產(chǎn)以來(lái)13-1煤層掘進(jìn)工作面發(fā)生了多起煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象。斜巷所處煤層厚度4.0m,煤層傾角14°,出煤斜巷仰角15°,巷道掘進(jìn)寬度4.2m,高度3.3m,半圓拱形斷面。

　　3　注漿加固防突試驗(yàn)過(guò)程

　　1521(3)上風(fēng)巷出煤斜巷掘進(jìn)至距13-1煤層底板法距10m時(shí),實(shí)施前探鉆孔3個(gè),且前探鉆孔穿透13-1煤全厚進(jìn)入煤層頂板不少于0.5m。鉆孔直徑為75mm,取芯并測(cè)定鉆孔內(nèi)煤體的瓦斯放散初速度、煤體的平均堅(jiān)固性系數(shù)等指標(biāo)。在距13-1煤層底板法線距離5m時(shí),采用Φ75mm鉆頭在工作面鉆2個(gè)測(cè)壓孔,安裝壓力表測(cè)定13-1煤的瓦斯壓力。測(cè)壓孔應(yīng)布置在巖層較完整的地點(diǎn),且測(cè)壓孔與前探鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn),間距不少于5m。封孔完畢后經(jīng)過(guò)24h水泥凝固后,安上壓力表(壓力表量程為0~10MPa)進(jìn)行測(cè)壓,實(shí)測(cè)瓦斯壓力高達(dá)5.6MPa。

　　3.1　煤體突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

　　煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)采用D、K綜合指標(biāo)法進(jìn)行預(yù)測(cè)。在打測(cè)壓孔的過(guò)程中,每米煤孔取一個(gè)煤樣,測(cè)定煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f),將2個(gè)測(cè)壓孔所得的堅(jiān)固性系數(shù)最小值加以平均作為煤層軟分層的平均堅(jiān)固性系數(shù),最后將堅(jiān)固性系數(shù)最小的2個(gè)煤樣混合后,測(cè)定煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)(ΔP)。D、K指標(biāo)的計(jì)算方法為:

　　D=〔0.0075Hf-3〕(p-0.74)K=△P/f式中　D———煤層突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)之一;

　　K———煤的突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)之二;

　　H———開(kāi)采深度,H=620m;

　　F———煤層堅(jiān)固性系數(shù),f=0.21;

　　p———煤層瓦斯壓力,MPa;

　　△P———煤層瓦斯放散初速度指標(biāo),取:△P=9。經(jīng)計(jì)算可得:D=92,K=42.9。按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定:突出的臨界值為D=0.25、K=15。可見(jiàn)2個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)都超限,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)具有突出危險(xiǎn)性,13-1煤為突出危險(xiǎn)煤層。