在理論研究分析指導(dǎo)下，結(jié)合工業(yè)試驗(yàn)，研究了嚴(yán)重煤與瓦斯突出煤層巷道掘進(jìn)防突技術(shù)。通過理論研究和工業(yè)試驗(yàn)，確定了水力掏槽新掘進(jìn)防突措施，并提出了適合焦作礦區(qū)的防突措施參數(shù)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了水力掏槽防突措施的有效性：適應(yīng)性和安全性。研究結(jié)果表明：水力掏槽防突措施是高壓水通過水槍產(chǎn)生高流量的穩(wěn)定射流破碎前方煤體形成槽硐，槽硐周圍煤體得到充分卸壓，釋放出大量瓦斯，煤體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。當(dāng)卸壓槽具有足夠面積時(shí)，在巷道周圍形成卸壓和排放瓦斯的煤帶，解除突出危險(xiǎn)性。2000米嚴(yán)重突出地區(qū)巷道掘進(jìn)表明，正常掘進(jìn)期間未發(fā)生一次突出，巷道安全掘進(jìn)速度提高2倍以上；采區(qū)水力掏槽防突措施每米掘進(jìn)進(jìn)尺的防突措施時(shí)間是超前排放鉆孔防突措施的1／14，是注水防突措施的1／7，有效緩解了采掘接替緊張局面，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。關(guān)鍵詞煤與瓦斯突出；水力掏槽；防突：高壓射流；概述焦作礦區(qū)具有百年開采歷史，開展瓦斯災(zāi)害防治研究將近五十年。集團(tuán)公司現(xiàn)有5對(duì)生產(chǎn)礦井，皆為突出礦井。近年來，隨著礦井開采深度逐漸增大，煤層瓦斯含量高、透氣性差、突出危險(xiǎn)性十分嚴(yán)重，頂分層煤巷掘進(jìn)主要采取超前排放鉆孔配合邊掘邊抽和中高壓注水防突措施，但煤巷掘進(jìn)速度平均每月只有45～60余米，采煤工作面1300m巷道至少需要掘進(jìn)兩年，采掘比例嚴(yán)重失調(diào)。為保證采掘平衡，一個(gè)采煤工作面至少要配4～6個(gè)掘進(jìn)工作面，一個(gè)突出煤巷掘進(jìn)區(qū)隊(duì)同期至少有4個(gè)掘進(jìn)工作面才能保證掘進(jìn)的順利進(jìn)行，造成巷道掘進(jìn)成本居高不下。有些突出嚴(yán)重的工作面，如九里山礦15011工作面掘進(jìn)期間連續(xù)發(fā)生大強(qiáng)度突出，自1998年3月份開始掘進(jìn)至2004年7月份共76個(gè)月掘進(jìn)1900m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為25m；朱村礦25051工作面運(yùn)輸巷兩頭對(duì)掘，連續(xù)6個(gè)月平均進(jìn)尺只有13.2m／月。
1.概述
焦作礦區(qū)具有百年開采歷史，開展瓦斯災(zāi)害防治研究將近五十年。集團(tuán)公司現(xiàn)有5對(duì)生產(chǎn)礦井，皆為突出礦井。近年來，隨著礦井開采深度逐漸增大，煤層瓦斯含量高、透氣性差、突出危險(xiǎn)性十分嚴(yán)重，頂分層煤巷掘進(jìn)主要采取超前排放鉆孔配合邊掘邊抽和中高壓注水防突措施，但煤巷掘進(jìn)速度平均每月只有45～60余米，采煤工作面1300m巷道至少需要掘進(jìn)兩年，采掘比例嚴(yán)重失調(diào)。為保證采掘平衡，一個(gè)采煤工作面至少要配4～6個(gè)掘進(jìn)工作面，一個(gè)突出煤巷掘進(jìn)區(qū)隊(duì)同期至少有4個(gè)掘進(jìn)工作面才能保證掘進(jìn)的順利進(jìn)行，造成巷道掘進(jìn)成本居高不下。有些突出嚴(yán)重的工作面，如九里山礦15011工作面掘進(jìn)期間連續(xù)發(fā)生大強(qiáng)度突出，自1998年3月份開始掘進(jìn)至2004年7月份共76個(gè)月掘進(jìn)1900m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為25m；朱村礦25051工作面運(yùn)輸巷兩頭對(duì)掘，連續(xù)6個(gè)月平均進(jìn)尺只有13.2m／月。
焦作礦區(qū)現(xiàn)采用的防突措施雖然可以有效解除掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性，但是措施施工時(shí)間長，有效掘進(jìn)時(shí)間短，導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢和嚴(yán)重的集中生產(chǎn)現(xiàn)象，為安全生產(chǎn)埋下重大隱患。因此，探索適應(yīng)嚴(yán)重突出煤層條件的綜合防突技術(shù)，在保證安全的前提下大幅度提高掘進(jìn)速度，已成為緩解采掘緊張局面、改變礦井經(jīng)濟(jì)與安全面貌的當(dāng)務(wù)之急。
2.水力掏槽措施防突機(jī)理研究分析
水力掏槽措施實(shí)質(zhì)就是外力在較短時(shí)間內(nèi)破壞煤體的原有平衡穩(wěn)定狀態(tài)，部分煤體破碎被沖出，槽洞周邊煤體向外發(fā)生位移，促使所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，有效應(yīng)力降低，并釋放大量瓦斯的過程。
水力掏槽措施的過程就是高壓射流破碎煤體、釋放大量瓦斯、改變改善煤體應(yīng)力狀態(tài)的過程。煤體的破壞首先是高能量的高壓射流破碎煤體，形成直徑較小的槽孔；然后在煤體瓦斯壓力梯度和射流殘余能量反射的作用下破碎孔周圍的煤體，形成大直徑的槽孔；而槽孔上部煤體由于穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，在水力和重力的作用下充分垮落，形成近似矩形槽硐。煤體在掏槽期間是漸進(jìn)的被破碎，煤體的應(yīng)力和瓦斯?jié)撃芤彩菨u進(jìn)的釋放，掏槽過程中排出了大量瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，因此在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基本條件，起到有效防治或抑制突出的效果。圖1是通過ANSYS數(shù)值模擬，槽孔底部的煤體和頂板發(fā)生了位移，位移模式分別為底部煤體鼓起和頂板下沉。
在地應(yīng)力作用下，煤層具有塑性變形位移流動(dòng)的特征，即流變性能。掏槽期間，掏出了很大的孔洞，在經(jīng)過一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)孔洞的體積明顯減小，甚至被周圍煤體的位移所充填。煤體位移的作用緩慢地由孔洞壁向周圍煤體傳播，也就不斷地?cái)U(kuò)大了掏槽的卸壓排瓦斯范圍，掏槽時(shí)和掏槽后的瓦斯排放量可達(dá)掏槽有效影響區(qū)域內(nèi)瓦斯總量50％左右.預(yù)防突出效果顯著。圖2是焦作礦區(qū)突出煤層排放措施孔硐面積(通常為圓孔硐)與瓦斯有效排放影響半徑關(guān)系曲線圖．
理論研究與分析表明：水力掏槽措施在提高煤體透氣性、改善煤層應(yīng)力狀態(tài)以及措施后煤體物理性質(zhì)變化都具有非常積極的影響，對(duì)突出的防治具有針對(duì)性和可行性。
