【文章內(nèi)容簡介】 鉆機，以提高鉆進速度和鉆進深度。日本研究成功了在高瓦斯長壁工作面頂板打水平鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯的工藝和相應的裝備，單孔抽放率達 2~3 m3/min[9]。 改善煤層透氣性方面。通常的方法是利用鹽酸處理和水力壓裂方法改善煤層透氣性，但其作 用范圍限于 500 m，超過此深度效果逐漸降低。烏克蘭采用腐植酸鈉和水 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 3 力壓裂處理煤層。在煤層中的滲透作用強擴散距離大，并有方向性地改變了煤層的結(jié)構(gòu)和物理特征。實驗表明，采用新藥劑的綜合抽放法克提高抽采率 60%~75 %。成為一種產(chǎn)業(yè)加以發(fā)展。德國、蘇聯(lián)等國家也相繼開始了煤層氣的研究與開發(fā)。 煤與瓦斯突出防治。突出預測：前蘇聯(lián)頓涅茨克工學院研究利用煤體變性指標來確定煤層突出危險性；波蘭采用鉆粉法測定瓦斯解吸量來判斷突出傾向；美國從 20世紀 30 代開始微震監(jiān)測研究，近年來使用了突出自動監(jiān)測系統(tǒng)，起到了良好的效果。突 出防治：當開采煤層群時，開采解放層是預防突出最有效的方法，前蘇聯(lián)的頓巴斯礦區(qū)多年來開采解放層，形成了一些列的完整措施。原聯(lián)邦德國認為刨煤機比滾筒采煤機安全，有 50%的長壁工作面使用刨煤機開采 [10]。 上隅角瓦斯治理。國外采用壓風引射器引排法、小型液壓風機吹散法、鉆孔及埋管抽放等。前蘇聯(lián)、原西德、波蘭等國除了加強瓦斯抽放外，主要是通過改變回采工作面通風系統(tǒng)來維持安全生產(chǎn)，如 Z 型、 Y 型、 H 型等通風系統(tǒng)。 國內(nèi) 防突 技術研究概況 我國煤礦 防突 技術自 20 世紀 50 年代開始，經(jīng)歷了漫長曲折的研究與實踐。以煤與瓦斯突出規(guī)律為起點，引進學習國外煤與瓦斯突出的成果及經(jīng)驗，并結(jié)合中國煤炭開采的特點研究適合我國的煤與瓦斯突出預測、防治方法 [11]。 60 年代使用保護層開采防突技術使全國突出次數(shù)明顯下降。 70 年代，中國礦業(yè)大學、煤科院和天府礦務局對遠距離上保護層開采，使下方被保護層透氣性系數(shù)增加 300 多倍，是我國最早統(tǒng)地對保護層開采效果的考察研究 [12]。 1975~1976 年，中國礦業(yè)大學和天府礦務局進行了石門預排煤層瓦斯消除揭煤區(qū)域突出危險性的機理研究，在運用中使瓦斯壓力由 MPa 降至 MPa，煤層透氣性增 大 50 倍，預排煤層瓦斯區(qū)域排放率為 75%，區(qū)域性的消除了突出危險性 [13]。隨后中國礦業(yè)大學和中梁山煤礦研究并應用了大面積預抽煤層瓦斯區(qū)域性地消除了煤與瓦斯突出 [14]。 1994~1995 年，煤炭科學研究總院撫順分院與焦作煤業(yè)集團進行了交叉鉆孔預抽本煤層瓦斯的研究，平行鉆孔和交叉鉆孔相間布置。結(jié)果表明，在鉆孔數(shù)量及質(zhì)量相同時，采用交叉鉆孔比傳統(tǒng)的平行鉆孔提高瓦斯抽放量 ~ 倍。 1998~2021 年，中國礦業(yè)大學和淮南礦業(yè)集團進行了遠距離下保護層開采及卸壓瓦斯強化抽采試驗，使煤層透氣性系數(shù)大幅度增 加，同時也 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 4 提高了瓦斯的抽采率，不僅使瓦斯得到合理利用，而且大大降低了煤與瓦斯突出的危險性 [15]。進入 21 世紀后，區(qū)域防突又有了進一步的發(fā)展， 2021~2021 年中國礦業(yè)大學和陽泉煤業(yè)集團開展了超遠距離下保護層開采及卸壓瓦斯強化抽采試驗研究，在應用中使被保護層抽采率大于 70 %。中國礦業(yè)大學和淮北礦業(yè)集團在淮北祁南礦開展網(wǎng)格式穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采技術，利用該技術在鉆孔施工過程中采用水壓誘導控制噴孔，提高了孔群范圍內(nèi)煤體的透氣性，通過抽采使煤層巷道具備了綜合機械化的掘進條件。 經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展已經(jīng)形成 了比較完善的瓦斯防治技術。最為有效且實施效果較好的措施有區(qū)域性防突措施、 “ 四位一體 ” 綜合防突措施 [16]。其中區(qū)域性防突措施可使煤層一定區(qū)域消除突出危險性屬于該類的措施有開采保護層、預抽煤層瓦斯和煤層注水。在突出礦井中先開采保護層可使其上下相鄰的有突出危險性的煤層受到采動影響而減少或喪失突出危險的煤層 [17]。預抽煤層瓦斯是在采用通風方式不能解決瓦斯問題時時采用，它分為開采層瓦斯抽放、鄰近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放、圍巖瓦斯抽放。區(qū)的優(yōu)點在于施工不與采掘工作沖突，防突措施和正常的生產(chǎn)工作可同時進行 “ 四位一體 ” 綜合防突措施包括突出危險性預測、防治突出措施、防治突出措施的效果檢驗、安全防護措施四個方面。從預測、防治、檢驗、防護措施較為全面綜合地防治煤與瓦斯突出，其效果顯著。 總體來講，為 保障安全生產(chǎn)，必須因地制宜，把采前抽采與邊抽邊采等措施結(jié)合起來，采取綜合的瓦斯抽放技術。利用時間與空間，實現(xiàn)立體化、多元化的抽放，能夠最大限度地增加瓦斯抽放量、提高瓦斯抽放率，在工藝和方式方面，采取井下抽放與地面抽放相結(jié)合、垂直鉆孔抽放與水平長鉆孔抽放相結(jié)合、短鉆孔抽采與長鉆孔抽采相結(jié)合、常規(guī)抽放與強化抽放相結(jié)合、鄰近層與本煤層抽 采相結(jié)合的技術措施，綜合使用優(yōu)勢互補。其最終目的是礦井瓦斯抽放能力要與采掘布局相協(xié)調(diào)、相匹配，使采掘生產(chǎn)活動始終在安全容許范圍內(nèi)。 另外，在沒有條件采用區(qū)域防突措施時，可采用局部防突措施：松動爆破、鉆孔排放瓦斯、水力沖孔、金屬骨架、超前鉆孔、超前支架、卸壓槽、煤體固化。此措施可使工作面前方局部失去突出危險性，但局部防突不能與采掘工藝并行且受到地質(zhì)因素影響較大，所以僅作為區(qū)域防突措施的補充 [18]。 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 5 瓦斯涌出規(guī)律研究現(xiàn)狀 大量資料表明，突出是有規(guī)律可循的 [19]。了解這些規(guī)律對于制定合理的 防突 方案具有重要作用。瓦斯涌出普遍有如下規(guī)律： (1) 當采掘深度達到一定值后才會誘發(fā)突出，不同地質(zhì)條件、開采方式發(fā)生突出的深度也大相徑庭。總體來講突出的強度是隨著開采深度增加而加強的，突出次數(shù)也會隨之增加。 (2) 有地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域如：褶曲、斷層等是突出最多的地帶，據(jù)南桐礦務局統(tǒng)計，扭轉(zhuǎn)、斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造附近是突出事故高發(fā)地帶，除石門突出外，達到 95 %以上。 (3) 巷道上隅角、相向掘進工作面接近時，煤層煤柱的相對應上下方煤層處，回采工作面的集中應力區(qū)內(nèi)掘進時容易誘發(fā)突出。上山掘進時由于煤自 重的影響會比下山掘進突出的可能性大。 (4) 煤層厚度特別是軟分層厚度的增加會導致突出次數(shù)和強度增加，硬而厚的圍巖存在、煤層傾角大，都會導致突出的危險性增大。 (5) 煤層瓦斯含量和瓦斯壓力對突出有重要影響，但由于突出是多種因素誘發(fā)的結(jié)果，煤層的瓦斯含量和壓力兩項指標并不能完全成為衡量突出的標準。但我國瓦斯含量超過 20 m3/t 的特大突出礦井就有 30 個，此兩項在突出中的地位仍不容忽視。 (6) 突出煤層都具有一定的特點：軟硬相間、強度低、透氣性差，煤的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，無明顯節(jié)理、光澤暗淡等，放炮和落煤工序 引發(fā)突出的可能性最大。 (7) 突出的發(fā)生往往有征兆，支架和煤層的壓力增大，煤壁膨脹鼓包掉渣，煤層內(nèi)會有破裂聲、煤炮聲，瓦斯涌出量不穩(wěn)定，煤塵增加，打鉆時會有夾鉆噴孔等現(xiàn)象。 防突 技術存在問題 目前，防治煤與瓦斯突出的措施主要有開采保護層和瓦斯抽采。對具有保護層開采條件的煤層優(yōu)先開采可起到煤體卸壓和消突的作用。不具備開采保護層條件的煤層，可采用瓦斯抽采技術降低煤層瓦斯含量。而在瓦斯抽采的過程中暴露出了一系列的問題。瓦斯抽采需要與煤炭開采保持協(xié)調(diào)，煤炭高效開采就受到了限制，工作面的接替問題也很突出 ，而且很多抽采技術都有局限性，例如：井下順煤層長鉆孔抽采的 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 6 優(yōu)點是高效率低成本，但在鉆孔施工的時候可能會遇到夾鉆、卡鉆等現(xiàn)象。穿層鉆孔抽采效率高，但抽采設備需要專門設置巷道進行抽采布置和施工，耗時且成本高。 保護層卸壓抽采的施工和措施的效果存在著一定的風險。 煤礦在防治瓦斯災害方面存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面 [20]： (1) 對瓦斯災害 認識上 存在定位不準、認識不清的問題。 (2) 瓦斯的管理方面問題多亟待解決， 防突 依然是 煤礦安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。 (3) 突出理論還沒有實現(xiàn)重大突破，不能為突出事 故的預防提供理論上的必然保障。 (4) 煤層瓦斯抽采效率偏低。 (5) 目前的 防突 技術的發(fā)展主要是放在如何提高抽采率上， 防突 技術的創(chuàng)新較少。 本論文的研究方向和技術路線 本文針對楊柳礦 10414 工作面瓦斯突出的問題進行研究。用事故樹對煤與瓦斯突出進行危險性評價，確定其具有 防突 的必要確定引起突出的主要因素。通過礦井瓦斯基本參數(shù)的測定，分析瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯涌出的影響因素，根據(jù)分析結(jié)果制定合理的瓦斯防治技術措施，有針對地對工作面、采空區(qū)、鄰近層采取不同的瓦斯抽采技術及安全對策，區(qū)域性地消除工作面 瓦斯突出危險。最后對所采用的技術措施進行檢驗，看其是否能夠消除突出危險，得出結(jié)論 ，如圖 11。 圖 11 技術路線圖 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 7 2 煤與瓦斯突出危險性評價 進行突出評價的必要性 楊柳礦煤與瓦斯突出危害嚴重， 2021 年 12 月 27 日，北總回風巷炮后發(fā)生巖石小型突出 (巷道迎頭有一層 100 mm 的煤線 )。突出巖石年 45 噸，瓦斯量 368 m3。在10414 機、風巷施工過程中也發(fā)生過 3 次瓦斯動力現(xiàn)象。 2021 年 7 月 17 日，首采工作面 10414 的 2地面鉆井發(fā)生噴孔現(xiàn)象，保守估計噴出瓦斯量 166383 m3。給煤礦安全生產(chǎn)帶來了嚴重威脅。但煤與瓦斯突出的機理表明突出是煤體特征、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯等多種因素共同作用的結(jié)果，臆斷其發(fā)生的原因，漫無目的的進行 防突 不僅浪費人力物力，而且起不到相應的效果。為了 有目的、有針對性地采取 防突 技術，制定相應的管理、生產(chǎn)方案，必須對引起突出的各種因素進行分析研究，找出引起瓦斯突出的主要因素，并針對這些因素采取相應的措施，保證煤炭的安全生產(chǎn)。 事故樹分析方法簡介 (1) 事故樹分析 事故樹分析 (FTA)源于故障樹分析 [21]，是一種演繹的安全系統(tǒng)分析方法，是從結(jié)果到原因描繪事故發(fā)生的有向邏輯樹，它通過分析事故的現(xiàn)象、原因、結(jié)果事件及它們的組合，從而找到避免事故的措施。事故樹分析的作用有：較全面的分析導致事故的多種原因的邏輯關系，并對它們做出簡介形象的描述 。它能夠發(fā)現(xiàn)和查明系統(tǒng)內(nèi)部固有的和潛在的危險因素，并能夠進行定性、定量分析與評價，為制定安全技術措施和采取安全管理對策提供依據(jù)。 (2) 割集、徑集 頂上事件是事故樹分析的對象事件。事故樹中能夠?qū)е马斏鲜录l(fā)生的基本事件的集合成為割集。能夠?qū)е马斏鲜录l(fā)生的最小限度的基本集合成為最小割集。某些特定的基本事件不發(fā)生，也可以使頂上事件不發(fā)生，這些基本事件的集合就稱為徑集。其中，保證頂上事件不發(fā)生所需要的最小限度的徑集成為最小徑集 [22]。 (3) 結(jié)構(gòu)重要度 結(jié)構(gòu)重要度 是從事故樹的結(jié)構(gòu)上分析各個基本事件的重要性 程度 ，它不考慮 各個基本事件的發(fā)生概率，或者是認為基本事件發(fā)生概率都相等的情況下，分析各個事件 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 8 對頂上事件的影響程度。最常用的方法是利用最小割 (徑 )集，判斷系統(tǒng)的大小排出重要順序。 事故樹編制過程及求解 事故樹編制過程 根據(jù)煤與瓦斯突出機理的綜合假說及瓦斯地質(zhì)方面的相關理論，瓦斯突出的發(fā)生主要是由煤層賦存的瓦斯特征及其周圍的地質(zhì)條件來影響和控制的。把煤與瓦斯突出作為頂上事件，各類瓦斯、地質(zhì)的條件構(gòu)成諸多的基本事件，按照事故樹的編制規(guī)程，將各類因素和煤與瓦斯突出的關系用 “與 ”、 “或 ”關 系建立起分層的事故樹。如圖 T 為事故樹的頂上事件； Ai (i=1， 2， 3， 4， …… ， n)為中間事件； Xi(i=1， 2， 3， 4， …… ，n)為相應的不同中間事件的和可能引起瓦斯突出事故的基本事件 [23]。煤與瓦斯突出事故樹如圖 21 所示。 圖 21 煤與瓦斯突出事故樹 最小割集、最小徑集計算 列出楊柳礦突出事故樹結(jié)構(gòu)函數(shù)表達式 (21)，并利用布爾代數(shù)法化簡事故樹，求最小割集： 楊柳礦 10414 工作面防突技術及應用 9 39。A39。A39。AT39。 321 ??? (21) = (X1+X2+X3)(X4+A4+A5+A6)(X5+X6) = (X1+X2+X3)(X4+X7+X8+A7+A8+X9+X10)(X5+X6) = (X1+X2+X3)(X4+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14)(X5+X6) 最終得出楊柳礦瓦斯突出的最小割集為以下 54 組： { X1， X4， X5 }； { X1， X4， X6 }； { X1， X7， X5 }； { X1， X7， X6 }； …… ； { X3， X14， X5 }； { X3， X14， X6 }。 最小割集的數(shù)量較多，每一組最小割集都代表可能發(fā) 生煤與瓦斯突出的一種途徑，表明楊柳礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故的路徑有 54 種，危險性非常大。 將楊柳礦煤與瓦斯突出事故樹變?yōu)?“成功樹 ”，求解成功樹的最小割集，就可以得到事故樹的最小徑集。突出成功樹結(jié)構(gòu)函數(shù)表達式 (22)為： 39。A39。A39。AT39