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打鉆突出事故發生的例子不少,打鉆過程中出現的噴孔實際上就是鉆孔中出現的小型突出。為什么會產生這種現象呢?因為采掘場所存在突出危險源,煤體內存在高壓力的瓦斯和高的地應力,煤層整體透氣性低,打鉆過程中鉆孔改變了原有應力狀態和封閉條件,形成高的瓦斯壓力梯度,使得原來封閉的瓦斯向外噴出,這就是噴瓦斯。如果煤體中有松軟破碎煤層存在,由于松軟破碎煤層強度低,不能抵抗高的瓦斯壓力梯度,就會導致松軟破碎煤的突出,軟分層煤的突出改變整個煤體的應力狀態,改變了煤層透氣性,進而引起更大規模的突出。
軟分層的存在和煤層透氣性低都是客觀存在的,但是根據礦山壓力的理論,巷道周圍煤壁內存在著卸壓帶、應力集中帶、原始應力帶。在卸壓帶由于煤壁裂隙發育,透氣性高,應力低,沒有封閉的高壓瓦斯存在,鉆孔在卸壓帶中施工沒有發生突出的動力條件,不會引發突出。所以,可以先在卸壓帶中施工淺鉆孔,進一步釋放煤體深部瓦斯,使卸壓帶寬度增加,應力高峰點前移。
煤與瓦斯突出的原因主要有3條:一是存在高的地應力,二是煤體內存在高壓力的瓦斯,三是煤體松軟破碎、抵抗突出的阻力低。防突的基本原則也有3條:一是應力釋放原理,二是瓦斯排放原理,三是煤體強度增加原理。在突出煤層中施工鉆孔,本身就是改變煤層的應力狀態,如果鉆進速度過快,應力狀態也會突然改變,打破原有的平衡狀態,激化矛盾,這樣有利于突出的發生。
根據這個原理,施工鉆孔時,可以先施工淺鉆孔,不致引起大的應力集中。淺鉆孔可以進一步釋放前方煤體內的瓦斯,降低壓力梯度,也可以使應力高峰點向煤體深部延伸增加卸壓帶寬度。
施工完淺鉆孔后,然后在淺鉆孔的基礎上施工深度較大的鉆孔。由于淺鉆孔的應力釋放和瓦斯排放作用,在掘進工作面形成了一道安全屏障,再施工深部鉆孔時,由于已經有了安全屏障,鉆孔施工時發生的噴出被限制在鉆孔內,避免大的突出發生。淺孔施工完后,如果套深孔的過程中還發生噴孔、頂鉆要立即停止鉆進,并且鉆桿不能退出,等壓力釋放后方可繼續鉆進。對于突出非常嚴重的煤層,淺鉆孔可以分多次完成,先打完第一遍,再打第二遍,這就是“循環淺進,逐步深入”,或者叫做“先淺孔后深孔原則”。
淺的標準是鉆進過程中不出現噴孔、頂鉆。各礦煤層條件不一樣,地應力大小不一樣,構造也不盡相同,所以淺孔的標準要根據統計數據得出,但以鉆進過程中不噴孔為原則。比如某礦施工抽放鉆孔,鉆孔深度在20 m以內時,不噴孔、不頂鉆,超過20 m時,鉆進難度大,出現卡鉆、頂鉆,甚至噴孔,那么,淺孔的標準就是不超過20 m。
具體做法可以舉例說明如下。比如一個煤巷掘進工作面設計20個抽放鉆孔,按先淺孔后深孔的原則應先用風煤鉆打完20個淺孔,然后再改用液壓鉆機在淺孔的基礎上套打深孔。這20個淺鉆孔打完需要一定時間,在打這些淺孔的過程中,淺孔范圍內的瓦斯會釋放,而且由于鉆孔的作用,地應力也會降低,掘進工作面前方的應力高峰點也會向煤體深處轉移,形成一道安全屏障,起到保護作用。
在突出煤層中打鉆,鉆孔直徑越大,施工越困難,對突出煤層的擾動越大,越容易引起突出,所以《防治煤與瓦斯突出規定》中要求鉆孔直徑以75~120 mm為宜,如果超過120 mm,要有專門施工設備和安全技術措施。考慮到施工方便,可用煤電鉆施工42 mm直徑淺孔,也可用風煤鉆施工直徑50 mm淺孔。在松軟突出煤層中,由于小直徑鉆孔周圍地應力變化和破壞范圍小于大直徑鉆孔,發生噴孔的可能性小于大直徑鉆孔。小直徑鉆孔施工完要經過一段時間,在這段時間內,鉆孔已在一定程度上釋放了周圍煤體的地應力和瓦斯,隨后正常鉆進時,也不易發生噴孔,降低了鉆孔噴孔程度,甚至防止了鉆孔內的突出。而且小直徑淺孔施工方便,施工速度快,正式的抽放鉆孔是在小直徑淺孔的基礎上套打。這種方法稱為“先小孔后大孔”。
若采用上述方法在施工淺孔過程中仍有噴孔現象,則可加密小鉆孔,就是在原定抽放孔數量的基礎上增加鉆孔數量,比如設計抽放鉆孔為20個,那么小鉆孔可以為40個,打完40個小鉆孔后,再在小鉆孔基礎上套打20個抽放鉆孔。多出的、不用于抽放的20個小鉆孔在瓦斯抽放前可用做注漿,以封閉煤體裂隙,提高鉆孔抽采濃度。
如果鉆孔過程中發生噴孔,除上述方法外,還可采用“高轉速、低鉆壓”的工藝措施。通過鉆具在孔內高速轉動,保證孔內反風環暢通,使孔內煤屑及時排出孔外,并釋放噴出的瓦斯,降低孔內瓦斯壓力,冷卻鉆具,同時還可以磨碎噴孔時噴出的大顆粒煤屑,通過壓風能順利帶出孔外,防止卡鉆事故。
綜合上述,在煤層巷道中施工順層鉆孔時,防突的基本原則是“先淺孔后深孔,先小孔后大孔”。
上述是施工順層鉆孔防治煤與瓦斯突出的措施。但對于嚴重突出的單一煤層,采用條帶抽采措施時,施工進度將受影響,應積極開展底板巷道穿層抽采。