石門揭開突出危險煤層,是煤炭生產(chǎn)企業(yè)在巷道掘進(jìn)過程中一項十分危險又不得不面對的工作。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。這些措施雖對突出起到了一定的防治作用,但它們沒有從根本上考慮在突出中起決定作用的煤體強度和瓦斯釋放條件,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突出的抵御作用,對松軟煤層或地質(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間長,嚴(yán)重地制約著煤礦的正常生產(chǎn)銜接[3]。

　　1　注漿加固防突機理

　　1.1　煤與瓦斯突出過程分析石門揭開有瓦斯突出危險的煤層時,突出能量集中,突出強度大,瓦斯涌出量高,典型突出比例多,對煤礦生產(chǎn)造成的災(zāi)害也最嚴(yán)重。當(dāng)石門接近煤層時,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),如果此時煤體松軟、強度低,不能有效抵抗這個高應(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　注漿加固防突機理分析

　　石門揭開突出危險煤層、煤體遭到破壞時,煤體強度及整體性降低、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],有效增加煤體強度,減少煤體與巖體的力學(xué)性質(zhì)的差異,增強煤巖交界面附近圍巖的整體性,當(dāng)石門揭開煤層時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[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間。

　　2　試驗地點

　　試驗地點選擇在淮南某礦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13-1煤層掘進(jìn)工作面發(fā)生了多起煤與瓦斯突出動力現(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　注漿加固防突試驗過程

　　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,實施前探鉆孔3個,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,取芯并測定鉆孔內(nèi)煤體的瓦斯放散初速度、煤體的平均堅固性系數(shù)等指標(biāo)。在距13-1煤層底板法線距離5m時,采用Φ75mm鉆頭在工作面鉆2個測壓孔,安裝壓力表測定13-1煤的瓦斯壓力。測壓孔應(yīng)布置在巖層較完整的地點,且測壓孔與前探鉆孔見煤點,間距不少于5m。封孔完畢后經(jīng)過24h水泥凝固后,安上壓力表(壓力表量程為0~10MPa)進(jìn)行測壓,實測瓦斯壓力高達(dá)5.6MPa。

　　3.1　煤體突出危險性預(yù)測

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

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

　　K———煤的突出危險性綜合指標(biāo)之二;

　　H———開采深度,H=620m;

　　F———煤層堅固性系數(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2個預(yù)測指標(biāo)都超限,實驗地點具有突出危險性,13-1煤為突出危險煤層。