【文章內容簡介】 致或以小角度相交。斷層多為順層斷層，在斷層帶上煤層受到嚴重破壞。以主斷面為界，之上多為未受構造影響的原生結構煤，條帶結構，垂直節(jié)理。揭煤地點煤層瓦斯含量為18m3/t，具有突出危險性。八礦戊二軌道上車場開口，開口位置距副井1348m，開口標高416m，方位角32176。，施工坡度13176。半圓拱形斷面，凈寬3800mm，凈高3600mm，S凈=。，穿巖段采用錨網噴支護，噴漿厚度120mm；過煤段采用架U29棚子支護，棚間距500mm，之后噴漿封閉，噴漿厚度150mm。由于八礦開二隊從上端已施工430m停頭，，停頭處巷道頂板距戊910煤層底板5m停掘，因此該巷剩余工程量306m全部為揭穿、過戊910煤。由地勘資料和已掘進巷道揭露的資料分析，首采面的瓦斯地質條件較復雜，為了準確掌握煤層的位置、賦存狀態(tài)和瓦斯地質條件，及為保護巖柱的設計尺寸提供基本的數據。在八礦戊二軌道上車場開口，開口位置距戊910煤層10m時，在掘進工作面正頭施工前探鉆孔2個，使鉆孔穿透全煤層并進入頂（底），用來探明戊910煤層的賦存狀態(tài)。前探鉆孔的設計參數如表。表中2號孔全鉆取芯，當2號探孔有疑時施工備用探孔以探清地質情況。在施工前探鉆孔的過程中，根據《防突細則》第32條、第34條及第60條的規(guī)定，對揭煤點的突出危險性選用鉆屑瓦斯解吸指標△h2作為突出預測指標，進行第一次突出危險性預測，預測指標的臨界值如表31。表31 前探鉆孔參數表鉆孔序號位置傾角中線夾角孔徑（mm）見煤深度（m）止煤深度（m）鉆孔總長（m）備注距中線（m）距腰線（m）1013176。0176。75全取鉆芯20015176。0176。75全取鉆芯備用探孔0128176。0176。75全取鉆芯表32 突出預測指標臨界值突出預測指標鉆屑瓦斯解吸指標△h 2（pa）干煤濕煤臨界值200160預測時所有探煤孔都要進行預測，預測位置為見煤后每2m預測一次，當鉆孔鉆進到預定取樣孔深時，立即啟動秒表計時，并用1mm和3mm分樣篩重疊起來在孔口接鉆孔中排出的鉆屑，并經篩分成1～3mm粒度，裝入解吸儀的煤樣瓶中，秒表記時到3min時轉動三通閥，使煤樣瓶與測量系統接通，與大氣隔絕，秒表記時到5min時刻解吸儀的示值即為Δh2。為了防止誤穿煤層，在石門距戊910煤層法距5m時，在掘進工作面正頭施工補打3個小直徑（42mm）超前探鉆孔，且保證其超前距離不少于2m，小于2m時應重新打超前探鉆孔。用以探明戊910煤層的準確賦存和層位，前探鉆孔的設計參數如表。在探孔施工中同時用Δh2進行第二次突出危險性預測。表33 小直徑超前探鉆孔參數表鉆孔序號位置傾角（度）水平角（度）孔徑（mm）見煤深度（m）止煤深度（m）鉆孔總長（m）備注距中線（m）距底板（m）113左偏1442穿煤2015042穿煤328右偏1442穿煤，在鉆窩內施工二個測壓鉆孔。測壓鉆孔的參數如表五。在打測壓鉆孔過程中，每米鉆孔采一個煤樣，測定煤的堅固性系數f，并將兩個測壓孔所測的堅固性系數最小值平均，作為煤層平均堅固性系數。將堅固性系數最小值的兩個煤樣混合，測定煤的瓦斯放散初速度ΔP。為了準確得到原始瓦斯壓力值，測壓孔應布置在巖層比較完整的地方，測壓鉆孔的見煤點與前探鉆孔的見煤點之間的距離不得小于5m。表34 測壓鉆孔參數表鉆孔序號位置傾角（度）與回風大巷中線夾角孔徑（mm）見煤深度（m）止煤深度（m）鉆孔總長（m）備注距迎頭（m）距底板（m）12860176。94穿煤221580176。94穿煤在打測壓鉆孔過程中，每米鉆孔采一個煤樣，測定煤的堅固性系數f，并將兩個測壓孔所測的堅固性系數最小值平均，作為煤層平均堅固性系數。將堅固性系數最小值的兩個煤樣混合，測定煤的瓦斯放散初速度ΔP。為了準確得到原始瓦斯壓力值，測壓孔應布置在巖層比較完整的地方，測壓鉆孔的見煤點與前探鉆孔的見煤點之間的距離不得小于5m。并用D、K值對揭煤點進行預測，綜合預測指標D、K的值按下式計算：D=()()K=△P/fD――煤層突出危險性綜合指標；K――煤的突出危險性綜合指標；H――開采深度；P――煤層瓦斯壓力，取測壓孔實測煤層瓦斯壓力最大值MPa；△P――軟分層煤的瓦斯放散初速度指標；f――軟分層煤的平均堅固系數。由于缺少本礦區(qū)的綜合指標D、K的預測臨界值，建議預測采用《防治煤與瓦斯突出細則》給定的臨界，預測采用的臨界值如表5所示。表35 綜合指標D、K預測煤層區(qū)域突出危險性的臨界值煤層突出危險性綜合指標D煤的突出危險性綜合指標K15本次設計測定的預測參數范圍為：△P在10～32，～；K值在70～142，；構造軟煤普遍發(fā)育，瓦斯放散初速度較大，具備發(fā)生突出的煤體強度、放散初速度和煤層壓力條件。4石門揭煤技術方案及參數目前國內揭開嚴重突出的近水平煤層一般要五至七個月時間，最長甚至要16個月。為盡可能縮短揭煤時間，在總結成功的揭煤經驗、認真研究平煤八礦揭煤工作面瓦斯地質條件的基礎上，需要重點解決的難點有：①石門揭煤預留巖柱厚度的確定；②瓦斯抽放方式的確定；③揭煤爆破方式的深入研究。以安全、快速、措施簡單為原則，初步提出三個抽放技術方案，兩個爆破技術方案。石門揭煤全過程采用爆破破碎煤巖體方式。在爆破掘進過程中，炮眼中炸藥產生的高溫高壓氣體作用于被爆破的煤巖體上，使炮眼周圍的煤巖體受到一個以炮眼軸線為中心的向四周輻射的沖擊波和后續(xù)的應力波壓力。爆破點深部的部分煤體將產生劇烈的變形和破壞。由于炮眼周圍煤巖體只具有向炮眼軸心方向和巷道空間方向的自由度，從而使得被爆破煤巖體只能向采掘空間拋出。同時，炸藥爆炸時產生的垂直于炮眼軸線方向的沖擊壓力將起到瞬時降低或消除部分深部煤巖體與巷道軸向垂直的受壓載荷的作用，為突出創(chuàng)造有利條件。另外，炸藥在巖體內爆炸，開挖范圍內的巖石爆破下來，同時必然對保留巖體造成損傷和破壞，從而使圍巖的力學性能劣化，承載力及穩(wěn)定性降低，當煤巖交界處巖體破碎、巖柱厚度較小時，就難以抵抗大的地應力和瓦斯壓力而自行揭開煤層，發(fā)生突出。所以，石門揭穿煤層之前，必須預留合理厚度的巖柱，既要防止突出，同時又有利于采取防突措施。為此，我們采用有限元數值模擬手段，從巖石的物理力學性能、爆破對巖石的損傷和破壞作用、地應力和瓦斯壓力的影響等幾方面綜合進行研究，確定安全的最小預留巖柱厚度。巖石在爆破時，在一定范圍內造成破壞或破碎，未破壞的保留巖體將產生損傷作用，保留巖體在爆破后的力學性質及其穩(wěn)定性研究是合理確定石門揭煤預留巖柱厚度的重要基礎之一。爆破損傷巖石的力學特性反映了巖石在爆炸作用下的損傷程度，其破壞與損傷范圍與爆破條件、爆破參數、裝藥量等因素有關。因此，根據爆破損傷巖石的力學性能實驗及結果分析、爆破對圍巖損傷的現場試驗、爆破對圍巖質量影響分析等三方面工作，在爆破損傷巖石的力學性能實驗基礎上，在巖石大巷中進行了巷道掘進爆破對圍巖力學性能及完整性的影響現場試驗；采用分次爆破方式實驗對比了周邊眼爆破參數對圍巖的影響，選取不同裝藥直徑對比試驗不同不耦合系數條件下爆破對圍巖的影響；分析研究了爆破條件對巖石質量指標RQD和圍巖力學性能的影響；裝藥結構和爆破損傷對圍巖穩(wěn)定性影響。根據實驗研究和理論分析的結果，可以得到以下結論：（1）爆破對保留巖體的影響區(qū)域主要在25倍的炮孔半徑范圍內，如果按照現場采用的φ38mm炮孔直徑計算，對該范圍以外的巖體基本沒有影響，僅僅產生可以恢復的彈性損傷作用。（2）在爆破影響范圍以內的巖體影響程度為：按照巖體基本質量指標BQ來計算時，BQ值減小值在20%～30%以內；按照巖石的單軸抗壓強度計算時，強度減小了5%～20%。（3）爆破對保留巖體的影響與爆破方法有很大的關系，采用不耦合裝藥可以明顯減弱對巖體的損傷和破壞，且在保證爆破效果的前提下，應該加大不耦合系數，對于現場的實際鉆眼爆破條件，采用φ38 mm的炮孔直徑時，采用25～28mm的裝藥直徑是合理的，并且可以明顯減小對保留巖體的強度及BQ值的影響。瓦斯壓力的變化將引起煤巖體有效應力的改變，從而使煤巖體的力學性質如變形和強度特性發(fā)生明顯變化。設瓦斯壓力為p，為 簡化討論取α為1，則骨架的有效應力可寫為：σi，=σi – p 假設巖體破壞滿足庫侖—莫爾準則，則以主應力表示的庫侖—莫爾準則寫成有效主應力形式為： σ1，=σ+sσ3， 式中：σ1，、σ3，—分別為最大、最小有效主應力 σ—巖石的單軸抗壓強度 s—主應力系數。 經整理：σ1p=σ+s（σ3 p） 在應力στ平面內畫出有效應力表示的莫爾圓以及實際應力的莫爾圓，如圖41所示。圖中，A、B線為瓦斯壓力等于零時的莫爾包絡線，曲線Ⅰ為有效應力的莫爾圓，曲線Ⅱ為總應力的莫爾圓。當瓦斯壓力為零時，莫爾圓在包絡線AB的里邊，當瓦斯壓力增加時，該曲線向左移動，直到它和A、B相切，此時破壞發(fā)生。圖41 瓦斯壓力對煤巖強度的影響由以上分析可見，煤巖體強度將隨瓦斯壓力的增加而降低。另外煤體瓦斯吸附量的增加，使煤體體積膨脹，強度降低，甚至導致煤體顆粒之間的聯結力完全喪失，煤體近似散粒狀。根據大量的工程經驗和爆破實驗結果，力學參數測定的是巖塊的實驗結果，巖體強度一般較巖塊的強度要小，同時揭煤巷道的爆破作業(yè)對預留巖柱產生損傷作用，結合平煤八礦礦區(qū)的煤層實際情況，預留巖柱厚度取2m?！睹旱V安全規(guī)程》第二百零二條規(guī)定，防治石門突出措施可選用抽放瓦斯、水力沖孔、排放鉆孔、水力沖刷或金屬骨架等措施。部分具體介紹如下：鉆孔抽放瓦斯：石門揭煤前，由巖巷或煤巷向突出危險煤層打鉆，將煤層中的瓦斯經過鉆孔自然排放出來，待瓦斯壓力降到安全壓力以下時，再進行采掘工作。水力沖孔：又稱鉆沖法，是利用煤柱或巖柱作為安全屏障，向有自噴能力底危險煤層鉆孔，通過鉆頭的切割和高壓水射流沖擊破碎煤體，激發(fā)煤層潛能釋放，排出煤和瓦斯，使其周圍的地應力降低、透氣系數增加、瓦斯壓力及含量減小、煤的強度增高、煤的彈性變形能與瓦斯能釋放，從而使噴煤噴瓦斯鉆孔周圍一定范圍內的煤喪失突出能力。水 力 沖 孔主要適用條件有：煤質較軟或有軟分層，；具有自噴能力的煤層。實踐表明，水力沖孔是用于嚴重突出危險煤層的一種有效防突措施，除用于石門揭煤外，也可用于煤巷掘進和回采。排放鉆孔：又稱多排鉆孔，是石門揭煤常用的一種防突措施，其機理主要是在揭穿煤層的石門斷面外均勻布置多排扇形鉆孔，使石門周圍一定范圍內的煤體發(fā)生收縮變形，緊張狀態(tài)得到緩和，煤的變形彈性能與斯?jié)撃艿玫结尫牛貞χ蹬c地應力梯度減小，煤的透氣性增大，瓦斯壓力值與瓦斯壓力梯度降低，煤的力學強度增加，多排鉆孔的布置取決于煤層的危險程度、煤層透氣性能和鉆孔有效作用范圍等參數，鉆孔要均勻布置，孔底間距一般控制在12m，在測得有效半徑后，石門揭穿煤層預排瓦斯底鉆孔數按下式計算： 式中：K—系數，視煤層危險程度而定， ；a— 巷道兩幫排放瓦斯帶底寬度，m；h、b — 巷道高度、寬度，m；r —有效排放半徑，me金屬骨架：金屬骨架是用于石門揭穿煤層的一種超前支架，當石門掘至煤一定距離時，在石門斷面的頂部及兩幫打鉆孔并穿透煤層全厚進入頂(底) 以上，孔內插入鋼管或鋼軌，形成金屬骨架，排放一定數量的瓦斯，并使一定范圍內的煤體得到卸壓，同時又增加煤體的堅固性和穩(wěn)定性。在巷道揭穿煤層過程中，它支撐上方煤體的重力，阻止煤體的突然破壞與離層，從而達到防突的目的，一般使用于薄煤層中?！都?則》規(guī)定，采用金屬骨架防突時，必須與抽放瓦斯、水力沖破或排放鉆孔等措施配合使用，骨架孔直徑一般為75～108mm，～，當骨架材料采用鋼管時，直徑不小于5Omm的鋼管，采用鋼軌則不小于8Kg/m，～。多年來，國內外科研、生產單位在石門揭煤突出預測及采取防突技術措施方面都進行了較深入的研究，先后采用水力沖孔、金屬骨架、擴孔鉆具卸煤、煤層固化和抽排瓦斯等技術措施，起到了積極的防突效果。相比之下，水力沖孔措施以高壓水流為動力，對突出煤層進行沖刷卸壓，起到有效的防突作用，但該措施需用高壓水源及配套的沖孔設備，在技術尚未完全成熟的情況下，執(zhí)行措施時易誘導突出，所以沒有得到很好的推廣應用；金屬骨架和擴孔鉆具卸煤措施主要適用于突出危險不太嚴重的傾斜及急傾斜煤層，在緩傾斜煤層中施工難度較大，目前也缺乏采取此措施時統一的合理參數計算方法，實施過程帶有一定的經驗性，其應用范圍受到一定的局限；煤層固化措施用固化液膠結煤體，增強了煤體自身的強度，能有效地阻止瓦斯突出的發(fā)生，但該措施屬于被動的防突措施，作業(yè)成本高，且不利于過煤門掘進時防突，其安全性也有待于進一步提高；抽、排瓦斯結合導硐震動放炮揭煤措施，能夠適用于緩傾斜煤層，有較高的安全程度，但執(zhí)行該措施一般需要很長的抽放和排放瓦斯時間，揭煤工期多數超過五個月，嚴重影響礦井生產接替。鑒于國內外在石門揭煤防突研究方面的現狀，國內外突出礦區(qū)不得不投入大量的人力、財力用于揭煤防突，揭煤工期長、成本高，嚴重影響了突出礦井的經濟發(fā)展。而沒有安全有效的防突措施，更使瓦斯突出事故嚴重威脅著煤礦職工的人身安全。尤其近些年來，發(fā)生的數起石門揭煤突出事故，更為煤礦安全生產敲響了警鐘。自六十年代以來，石門揭煤防突措施先后采用了水力沖孔措施、金屬骨架結合擴孔鉆具卸煤措施、煤層固化措施和鉆孔抽排瓦斯措施，相比之下，鉆孔抽放瓦斯措施能有效地排放煤層瓦斯，使煤體充分卸壓，增強煤體的強度，近年來的揭煤防突實踐證明該措施能可靠地消除石門工作面的突出危險性，是積極主動的防突措施，因此應作為石