兴安煤矿深部中组煤层揭煤防突技术研究

兴安煤矿深部中组煤层揭煤防突技术研究

王忠文孙刚力（龙煤集团鹤岗分公司，黑龙江鹤岗15410

摘要：在我国煤炭生产企业中，高瓦斯矿井占26.8％，煤与瓦斯突出矿井占17.6％。在全国各类突出事故中，强度在千吨级以上的特大型突出事故中，石门揭煤工作面突出就占77%。由于石门揭煤突出强度大，突出的大量瓦斯波及范围广，造成的破坏严重，能给矿井带来毁灭性的灾难，比一般类型突出对人身安全的危害更大，另一方面，新水平或新采区的准备又不能避免石门揭煤，为防治突出，防突措施步步设防，执行措施占用时间长，造成矿井生产接替紧张，因而能安全、快速地揭开煤层，对突出矿井的安全生产具有十分重要的意义。

龙煤集团鹤岗分公司兴安煤矿瓦斯灾害严重，从2002年至今有记录的煤与瓦斯动力现象共发生了5次。2005年3月，经煤炭科学研究总院抚顺分院鉴定，确定兴安煤矿为煤与瓦斯突出矿井。根据《煤矿安全规程》和煤炭部颁发的《防治煤与瓦斯突出细则》要求，在石门揭煤时，必须制定详细的技术措施和组织措施。如何在煤层群开采条件下进行有效的快速石门揭煤防突工作，则是本论文着重要研究解决的关键问题。该论文的研究工作，必将对鹤岗矿区的石门揭煤防突工作和保障矿井的安全生产具有重要的意义。

针对瓦斯赋存规律及突出特点，提出了适合于鹤岗矿区煤层群开采石门快速揭煤有效的防突方法，确定了石门揭煤突出危险性预测方法，采用钻屑解吸指标与吸附瓦斯压力的关系，快速测出瓦斯压力。在兴安煤矿四水平二分段机道石门，现场进行了揭煤试验，利用2个月时间成功地完成了石门揭煤，将快速预测（效果检验）结果与传统的预测（效果检验）结果比较吻合，说明该快速石门揭煤技术可行、实用，具有显著的经济效益和社会效益。

关键词：煤与瓦斯突出；石门揭煤；煤层瓦斯含量；煤层瓦斯压力；煤层透气性系数；煤层孔隙率；钻屑解吸

Abstract：Richmethaneminesaccountfor26.8%andcoalandmethaneoutburstminesaccountfor17.6%incoalindustryinChina.Highlightingthevarioustypesofaccidentsinthecountry，theintensitylevelinmorethan1000tonsofoutburstincidents，accidentsoftunnelsexposingcoalseamcausingcoalandmethaneoutburstaccountedfor77%.AccidentsofexposingCoalSeamscausingcoalandmethaneoutburstasaresultofstrengthandalargeareabeinginfluencedbyeruptedmethanecanmakefataldisastertothemine，canmakemorefatalharmtominerthanothernormaltypeofoutburstincident，ontheotherhand，anewlevelorthepreparationofnewminingareacannotavoidexposingcoalseams，forthepreventionandtreatmenttohighlight，step-by-stepsecuritymeasurestopreventconflict，ittakesalongtimetoimplementthemeasuresforoutburstprevention，sosafeandfastexposingcoalseamisgreatsignificanceforsafeproductionofacoalinamethaneoutburstcoalmine.

ThereisseriousriskofgasdisasterinXinganMine，HegangBranch，LongmeiCoalIndustryGroup.Since2002totalof5timesofphenomenonofcoalandgaspoweredhavebeenrecorded.InMarch2005，XinganMinewasidentifiedascoal-methaneoutburstcoalminebyFushunBranch，ChinaCoalScienceResearchInstitute.Accordingto"CoalMineSafetyRegulations"and"CoalandGasOutburstPreventionDetailedRules,"issuedbytheStateCoalIndustryBureau，detailedtechnicalmeasuresandorganizationalmeasuresmustbemadeduringexposingcoalseams.Howtodotheworkofexposingcoalseameffectivelyandrapidlyundertheconditionsofminingcoalseamsisanimportantstudyinthispaper.Thisstudywillmakegreatsignificanceforoutburstpreventionduringtunnelexposingcoalseamandsafecoalproduction.

Concerningtherulesofmethaneexistingandcharactersofmethaneoutburst，thestudyhasissuedeffectivemethodsincludingfastriskforecasting，whichcanrapidlymeasuremethanepressurebyusingtherelationbetweencuttingsmethaneadsorptionandcuttingsmethanedesorption，fortunnelexposingcoalseaminmulti-seamminingconditionsinHegangcoalfield.Thetesthasbeencarriedouton-siteinthetunnelofsecondpanelatfourthproductionlevel.Ittook2monthstohaveexposedcoalseamsuccessfully.Thefastriskforecastingandtraditionalriskforecastingbeingcomparedshowscomprehensive，andtheresultbeingevaluatedshowsthatthetechnologyfortunnelexposingcoalseamfastisfeasible，practical，withsignificanteconomicandsocialbenefits.

Keywords：coalandmethaneoutburst；tunnelexposingcoalseam；methanecontentincoalseam；coalmethanepressure；permeabilitycoefficientofcoalseam；porosityofcoalseam；cuttingsdesorption

1概述

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

我国煤炭95%为井工开采，高瓦斯矿井占26.8％，煤与瓦斯突出矿井占17.6％。为了掌握矿井瓦斯赋存、涌出规律，消除瓦斯源，变害为利开发利用瓦斯资源，煤炭科研部门开展了矿井瓦斯预测、瓦斯抽放及局部瓦斯积聚防治技术的攻关研究，为保障煤矿安全生产起到了积极作用。兴安煤矿瓦斯灾害严重，在1990年和1996年发生的三起瓦斯事故，死亡59人。从2002年至今有记录的煤与瓦斯动力现象共发生了5次。

1.1.2课题研究的意义

在煤与瓦斯突出防治方面，我国已形成包括突出危险性预测、防治突出措施、防突措施效果检验、安全防护措施的“四位一体”综合防治体系，突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出综合措施的第一步。

煤与瓦斯突出预测预防是一项系统工程，目前国内外在局部检测和解危措施方面的研究已近成熟，从防治煤与瓦斯突出方面看，这些方法都是有效的，但就实施而言仍存在一定的难度，处于一种被动的低层次治理状态。而区域预测正可弥补煤与瓦斯突出研究工作中的这一不足。国内外开采实践表明，煤与瓦斯突出的发生呈区域性分布，而灾害发生区域只占整个开采区域的8%~20%。因此首先在宏观上，研究导致煤与瓦斯突出的影响因素，对突出危险性进行区域预测，使这些区域从煤与瓦斯突出灾害的威胁中解放出来，变为无突出危险的区域。在预测出的危险区域，研究采取其它行之有效的措施和方法，最终达到消除煤与瓦斯突出的目的。

我国是煤与瓦斯突出最严重的国家之一，据统计资料，至目前为止，突出矿井已达250多对，总突出次数达万次以上。强度在千吨级以上的特大型突出事故中，石门揭煤工作面突出就占77%。由于石门揭煤突出强度大，突出的大量瓦斯波及范围广，造成的破坏严重，能给矿井带来毁灭性的灾难。同时，由于石门揭煤其施工工艺的特殊性，揭穿突出煤层的全过程都有危险，并可能发生连续突出、延期突出和自行揭开突出，比一般类型突出对人身安全的危害更大，另一方面，新水平或新采区的准备又不能避免石门揭煤，为防治突出，防突措施步步设防，执行措施占用时间长，造成矿井生产接替紧张。因而能安全、快速地揭开煤层，对突出矿井的安全生产具有十分重要的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1煤与瓦斯突出机理及区域预测研究概述

煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯与煤的物理力学性质三者综合作用的结果。兴安煤矿的几次突出现象均是如此。

近年来，主要产煤国家都投入了大量的人力、物力和财力对煤层突出危险性以及在井田和采区范围内突出危险带预测的有效方法进行了广泛而深入的研究，研究工作特别重视能够及时预报危险性的一系列煤层突出危险性参数连续监测方法的发展和改进，取得了丰硕的成果，并广泛应用于矿井生产实践，取得了良好的经济效益和社会效益。

煤与瓦斯突出区域预测研究主要包括单指标法、综合指标D与K法、地质指标法、地质统计法、瓦斯地质单元法、无线电波透视探测技术、地质动力区划方法等。煤与瓦斯突出危险区域预测主要集中在地质勘探时期或补充地质勘探时期。不论是单一指标，还是综合指标预测法，受地质勘探工程量影响较大。预测结果仅能指导矿井（或采区）的开拓、开采设计，如巷道布置、采煤方法的选取、通风系统设计等，而不能直接指导采掘作业。

1.2.2石门揭煤突出研究概述

国内外开采突出危险煤层的实践证明，突出只发生在某些局部地带，这些突出危险带的面积约占突出层面积的5%~10%。石门揭煤也不例外，虽然我国绝大多数突出矿井的已采水平和延深水平其突出煤层瓦斯压力普遍大于1MPa，但各石门揭煤处突出危险性差别很大。因此，迫切需要研究突出危险煤层的快速揭煤新技术，在保障突出矿井安全生产的基础上，尽可能缩短揭煤时间，缓解矿井接替紧张局面，大幅度提高矿井经济效益。

石门揭煤突出是指在爆破作业揭开煤层的瞬间，由于表层突然破碎，煤体应力状态和瓦斯赋存状态突然改变，富含瓦斯的煤层在瓦斯压力和地应力作用下，急剧向巷道空间抛出大量煤岩和瓦斯，从而造成石门揭煤突出。多年来，国内外科研、生产单位在石门揭煤突出预测及采取防突技术措施方面都进行了较深入的研究。

法国、比利时和荷兰自20世纪70年代以来已停止开采突出危险煤层。日本绝大多数突出矿井现已关闭。俄罗斯和乌克兰突出矿井的石门揭煤防突措施多采用水力化措施。

我国在石门揭煤突出预测上多采用测定煤层瓦斯压力、钻屑瓦斯解吸指标△h2、K1值、钻孔瓦斯涌出初速度q等方法。上述方法中以测定煤层瓦斯压力为主，其余皆为参考指标。在石门揭煤防突措施上，我国曾采用过水力化措施、打排放（抽放）钻孔、向煤层中压注固化液以加固煤体等方法，起到了不同程度的防突效果。

鹤岗矿业集团公司兴安煤矿为煤层群开采，在开采过程中，先后有17、18、22、30号煤层发生过煤与瓦斯突出现象，2005年3月，经煤炭科学研究总院抚顺分院鉴定，确定兴安煤矿为煤与瓦斯突出矿井。该论文的研究工作，必将对鹤岗矿区的石门揭煤防突工作和保障矿井的安全生产具有重要的意义。

1.3研究内容（Reseachcontent）

（1）兴安煤矿煤层瓦斯赋存规律研究；

（2）煤与瓦斯突出发生规律分析；

（3）石门快速揭煤防突技术及应用效果。

2兴安煤矿煤层瓦斯基本参数测定

2.1兴安煤矿瓦斯概况

2.1.1矿井瓦斯概况

2005年4月份瓦斯鉴定：绝对瓦斯涌出量95.983m3/min，相对瓦斯涌出量14.204m3/min，经抚顺煤科院2005年3月10日鉴定为煤与瓦斯突出矿井。

2.1.2兴安煤矿煤层瓦斯赋存规律分析

瓦斯赋存规律是矿井瓦斯防治的基础，鹤岗矿业集团公司兴安煤矿自开采以来，缺乏必要的瓦斯基础参数作瓦斯治理的依据。为此针对兴安煤矿17、18、21和22号煤层的瓦斯基础参数进行测定，总结已采区域的瓦斯涌出规律，并预测未采区域的瓦斯涌出量，使瓦斯防治及矿井通风管理具有决策依据。

2.1.3兴安煤矿煤与瓦斯突出机理分析

关于突出机理的研究，普遍认为是由地应力、瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果，它较全面地考虑了突出的动力与阻力两个方面的主要因素，因而得到了世界各国的认同。近年来的突出研究也主要是围绕这几方面的因素开展实验室和现场的试验工作。兴安煤矿的煤与瓦斯动力现象具有其特殊性，应如何看待这种现象，其发生机理为何，应如何治理？有必要对其进行分析和探讨，以便有针对性地采取防突措施。

2.1.4石门揭煤防突技术研究

突出煤层进行石门揭煤时，必须编制详细的揭煤防突措施，其中包括探煤、预测和防突措施等。只要做到预测快、卸压快，即可达到石门快速揭煤的目的。因而我们通过钻屑解吸指标与吸附瓦斯压力的关系，可快速测出瓦斯压力，并通过特殊方法，增大石门揭煤范围内的透气能力，从而安全、快速地揭开石门。

（1）钻屑瓦斯解吸强度指标的理论分析

通过在现场采取煤样，在实验室测定钻屑瓦斯解吸规律与瓦斯压力的关系，从而得出该煤层条件下的数学模型，为现场确定实际瓦斯压力奠定基础。

（2）防突排放钻孔的作用机理分析

煤层的透气性是影响煤层瓦斯流动的主要因素，钻孔周围透气性系数的变化比较复杂，主要与钻孔周围的卸压程度和卸压范围有关。钻孔直径越大，卸压范围越大；反之，卸压范围越小。

排放钻孔的防突效果好坏，与钻孔布置有很大关系，而影响钻孔布置最直接的参数即是钻孔瓦斯排放半径。

理论分析排放钻孔的作用机理，考察有效排放瓦斯时间及排放量，可分析揭开石门的有效时间。

（3）快速石门揭煤工艺技术研究

通过考察排放钻孔的工程量、排放量及排放时间，确定石门揭煤的合理时间，并最终验证该技术的安全性、有效性和经济性。

2.2煤层瓦斯压力测定

测试地点选择在兴安煤矿四水平的南一石门、二分段机道石门以及三水平北18＃煤层，测定17、18、22煤层的瓦斯压力。为了确保煤层瓦斯压力测定的可靠性，测定地点至煤层间的垂直岩柱厚度一般不得小于10m，从岩巷内向测压煤层打穿透煤层顶板不小于0.5m（或穿煤层2~4m）、孔径为75mm的穿层钻孔。成孔后，清除完孔内钻屑，封孔测压，钻孔封好后在48小时后安装压力表，并定期观测压力值，待压力稳定后，该值即为煤层瓦斯压力。

封孔方式：封孔材料为水泥砂浆，其重量配比为7.5（500号普通水泥）：1.2（石膏）：3（水）并加适量速凝剂，水泥砂浆用压风作动力的注浆器注入钻孔。测压导气管用四分镀锌铁管加工而成。封孔深度视钻孔岩石段具体情况确定，但不得小于5m。

2.2.1四水平瓦斯压力测定情况

根据现场实际情况，由于四水平正处于新水平开拓阶段，符合参数测定条件的地点主要有以下两个：四水平南一石门、四水平中部区二分段机道石门。

2.2.2三水平瓦斯压力测定情况

兴安煤矿三水平，特别是18＃层在施工抽放钻孔过程中，时常发生顶钻、卡钻、喷孔、塌孔等瓦斯动力现象，因而选取未受抽放影响、围岩相对完整且符合施工钻孔见煤点距揭煤点大于20m以上的位置进行测定。

在三水平三区所测得18#、21#煤层的瓦斯压力均比实际瓦斯压力值小，18#煤层的测压地点由于条件所限只能选择抽放影响相对较小的区域；21#煤层未待压力值稳定便进行抽放从而所测数据非真实数据。

2.2.3瓦斯压力测定结果分析

根据国内外在瓦斯煤层大量的测定结果，在瓦斯带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加，瓦斯压力梯度随地质条件而异，在地质条件相近的块段内相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，因而可以按下式预测深部煤层的瓦斯压力：

17层：P=0.0044H-0.9582，H-埋藏深度，m；

21层：P=0.0032H-0.6069，H-埋藏深度，m。

2.3煤层瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量是指单位体积或重量的煤体中所含有的瓦斯量（换算成标准状态），常用m3/t或ml/g作为计量单位。煤层瓦斯含量是煤层瓦斯主要参数，它是计算矿井瓦斯储量和预测瓦斯涌出量的基础，也是判定煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一。生产矿井煤层瓦斯含量普遍采用间接法或直接法测定。

2.3.1根据瓦斯压力间接法计算瓦斯含量

在兴安煤矿四水平及三水平采取17#、21#、22#煤层的煤样送至抚顺分院实验室，根据高压容量吸咐试验报告，可得出在吸咐平衡温度30℃时煤层瓦斯压力与瓦斯含量的关系曲线图，测得三层煤的瓦斯吸附常数a、b值及其它参数。

间接法计算四水平煤层瓦斯含量结果。

鉴于本次直接法测定瓦斯含量，在南一石门和二分段机道石门所取煤样的瓦斯成分太低，其测值不可靠而弃用；应以间接法测定结果为准，即四水平-465m标高17#层瓦斯含量为10.391m3/t，-444m标高22#层瓦斯含量为8.542~10.289m3/t，平均9.081m3/t，－435m标高21#层瓦斯含量为7.106m3/t，由于－244标高21#煤层所测瓦斯压力比实际瓦斯压力值偏小，故所得瓦斯含量应大于5.417m3/t。

2.3.2根据工作面瓦斯涌出量确定煤层瓦斯含量

由于兴安煤矿符合条件的测点较少，为了全面了解本矿各煤层的瓦斯赋存状况，我们应用分源预测法的基本原理及解算公式，反推了各煤层的原始瓦斯含量。

（1）薄及中厚煤层开采时，回采工作面瓦斯涌出量由式（2）推算：

q1=k1·k2·k3·■·（W0-Wc）（2）

（2）厚煤层分层开采时，工作面瓦斯涌出量按式（3）推算：

q1=k1·k2·k3·kf·（W0-Wc）（3）

通过统计兴安煤矿已采工作面的瓦斯浓度、风量、日产量及回采工作面要素等基础资料，应用上述公式计算各煤层瓦斯含量。

2.3.3瓦斯含量测定结果分析

从整个矿井来看，在瓦斯风化带以下，瓦斯含量沿倾斜方向基本上是随着埋深的增加而增大，根据瓦斯含量测定结果可以得出，17层和21层的瓦斯含量随埋深符合以下关系式：

17层：C=0.0169H-2.0285；

21层：C=0.0078H+1.6143。

瓦斯含量高低受地质构造的影响较大。一般而言，距断层越近，瓦斯含量相对越低；距断层越远，瓦斯含量相对越高。其主要原因一是断层为开放性断层，不利于瓦斯的保存，在断层附近出现一定宽度的瓦斯排放带；其次断层为导水断层，地下水在漫长的地质年代可以带走数量可观的溶解瓦斯，另外由于地下水的溶蚀作用还会带走大量的矿物质，导致煤系地层的天然卸压，地应力的降低，引起煤层及围岩透气性增大，从而加强了煤层瓦斯的流失。

2.4煤层透气性系数测定

煤层透气性系数是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数表示。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易，透气性系数λ在我国普遍用的单位m2/MPa2·d。其物理意义是1m长的煤体，当压力平方差是1MPa2时，通过1m2的煤层断面，每日流过的瓦斯立方米数。1m2/MPa2·d相当于0.025毫达西。煤层透气性系数一般是标志着一个煤层抽放难易程度的一个重要指标。

煤层透气性系数测定采用径向不稳定流动法，与测定煤层瓦斯压力配合进行。当已知煤层原始瓦斯压力、排放钻孔半径、煤孔长度、排放时间为t时的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量等参数，可按径向不稳定流动理论计算煤层透气性系数。

计算用数据，然后以下述步骤计算煤层透气性系数。

（1）测定煤层瓦斯压力

在南一石门及二分段机道石门的测压结果为：

17层：P=2.25MPa；22层：P=2.28MPa；21层：P＝1.70MPa

（2）测定钻孔瓦斯流量

压力测定结束后卸下压力表，开始测定钻孔瓦斯流量。测定仪器用ZLD-2型多级流量计，喷嘴的选用视钻孔流量变化而定。在南一石门及二分段机道石门测得的17#、22#煤层的瓦斯流量。

（3）确定煤层瓦斯含量系数

根据间接法确定的瓦斯含量来计算：

17层的瓦斯含量系数：

α17=X/■=10.122×1.32&pide;■=8.907m3/（m3·MPa0.5）；

22层的瓦斯含量系数为：

α22=X/■=9.081×1.40&pide;■=8.420m3/（m3·MPa0.5）

（4）钻孔煤表面积S=2πr1L

S17=2πr1L17=2π×0.0375×10.5=2.473（m2）

S22=2πR1L22=2π×0.0375×11.4=1.884（m2）

（5）在排放时间为ｔ时，钻孔煤壁单位面积的瓦斯涌出量（比流量）

q17=qt/S=11.153&pide;2.473=4.510（m3/m2·d）

q22=qt/S=9.660&pide;1.883=5.130（m3/m2·d）

（6）计算17层煤和22层煤的A与B

17层：

A=■=■=0.0335

B=■=■=5388.802

22层：

A=■=■=0.0371

B=■=■=3489.207

选用公式λ=1.83A1.14B1/7.3计算：

λ17=1.83A1.14B1/7.3=1.83×0.03351.14×5388.8021/7.3=0.124m2/（MPa2·d）

λ22=1.83A1.14B1/7.3=1.83×0.03711.14×3489.2071/7.3=0.131m2/（MPa2·d）

验算F0值：F0=B·λ

因验算结果F0在102～103之间，故λ值计算公式选用正确。将上述计算结果。

通过以上规定可知兴安煤矿17#、22#煤层属于可以抽放煤层。

2.5煤孔隙率测定

煤中瓦斯90%以上是以吸附状态赋存在煤层中的孔隙内表面上，孔隙体积的大小决定着煤吸附瓦斯能力的大小。作为孔隙发育程度的衡量指标，孔隙率测定是在实验室进行的，它通过对现场采集的煤样测定煤的真假密度来计算，计算公式如下：

煤的孔隙率测定结果。

通过煤空隙率测定，可以知道煤层中瓦斯的吸附程度，也就是说可以知道瓦斯抽放的难易程度。

2.6煤与瓦斯突出参数测定

选取17#煤层、21#煤层与22#煤层比较具有代表性地点的煤样送至抚顺分院瓦斯实验室测定了瓦斯放散初速度指标△P、煤的坚固性系数f。

3兴安煤矿石门快速揭煤技术原理

3.1兴安煤矿石门快速揭煤技术思路

针对传统石门揭煤测压周期长、费工费时，打排放钻孔简单、方便，不须特殊装备，仅用普通钻机，配备大直径钻具即可实现有效排放的特点。由此出发，提出了石门快速揭煤方案总体思路：

（1）通过现场采取煤样，在实验室模拟研究钻屑瓦斯解吸强度指标与充气压力关系；

（2）在试验地点首先在预计揭煤地点向煤层打预测钻孔，测定煤的钻屑瓦斯解吸强度指标，利用在实验室得出的钻屑瓦斯解吸强度指标与充气压力关系式，间接得出煤层瓦斯压力，结合其它突出预测指标，预测煤层的突出危险性；

（3）将预测孔封闭实测煤层瓦斯压力，以检验推算瓦斯压力的准确性；

（4）经预测如煤层无突出危险，则采用远距离放炮揭开煤层；如预测煤层有突出危险性，则采取用排放钻孔措施以降低应力并大量释放煤体中的瓦斯，经效果检验后采用远距离放炮揭开煤层。

3.2石门揭煤快速测压方法及结果分析

瓦斯压力是预测石门突出危险性的主要指标，往往在石门揭煤前进行测定。通过对兴安煤矿石门快速揭煤技术思路中的石门揭煤快速测压方法及结果分析、钻屑瓦斯解吸强度指标测定、钻屑瓦斯解吸指标△h2与瓦斯压力P的关系、兴安煤矿实验结果分析总结出石门揭煤防突排放措施，对于实践具有指导意义。

4兴安煤矿石门快速揭煤工艺及应用

4.1试验地点概况

试验地点为兴安煤矿四水平二分段机道石门，由矿建公司一工区08队施工，总工程量710m，巷道设计采用锚喷支护形式，巷道净宽4.0m，高3.5m，净断面11.8m2。该巷道于2004年5月开工，在掘进过程中依次揭穿27#、25#、23#、22#、21#和18#煤层。历史上，在兴安煤矿四水平工程施工石门揭煤过程中，22#和18#煤层发生过煤与瓦斯突出现象。在22#、18#和17#煤层揭煤过程中必须采取“四位一体”的综合防突措施。以四水平二分段机道揭开18#煤层为例，应用快速石门揭煤工艺技术。

4.1.1石门揭煤工作面前探钻孔

为了解工作面前方煤岩层的赋存状况，在工作面躲避洞室内施工1个超前钻孔，以便掌握煤层的确切位置。

4.1.2石门揭煤工作面突出预测

（1）预测钻孔布置

在工作面距煤层法距10m处，施工两个穿透煤层全厚且进入顶板不小于0.5m的钻孔，开孔间距0.5m，倾角为25°和40°，孔径75mm，并详细掌握煤层层位、赋存条件和瓦斯情况等，见钻孔布置图3。

（2）瓦斯压力测定

预测钻孔施工完成后，2006年5月28日封孔测定瓦斯压力，采用注浆封孔，定期记录瓦斯压力表读数，当压力表数值连续一周以上不再变化时，该读数即为煤层原始瓦斯压力，最终测定稳定瓦斯压力值为1.98MPa。

根据测定的瓦斯压力，按照《防治煤与瓦斯突出细则》规定，当瓦斯压力大于0.74MPa时，为突出危险工作面，因而该机道石门预测有突出危险，必须采取防突措施。

（3）钻屑瓦斯解吸规律与瓦斯压力关系

在打测压钻孔见煤的同时，现场取样测定了钻屑瓦斯解吸指标△h2，共测定了4组煤样，测定结果分别为220Pa、190Pa、170Pa和180Pa。应用前面的18#煤层研究结果，

P=e■（5）

将所测得的数值代入（5）式，得出瓦斯压力分别为1.67、1.18、0.92和1.05MPa。即根据该指标间接计算瓦斯压力结果均大于0.74MPa，超过突出危险临界值，因而预测工作面为有突出危险。

4.2石门揭煤防突措施

局防突措施采超前排放钻孔措施，设计钻孔孔径为Ф75mm，有效排放半径取1.0m，钻孔控制到巷道轮廓线外3m，钻孔深度以穿透煤层全厚且进入顶板不小于0.5m为准，共施工钻孔30个。

当措施效果检验无效时，采取补充防突措施，即在防突措施孔中间增打12个排放钻孔。

由于实测瓦斯压力较大，为了增大该石门煤层的瓦斯排放速度，加快石门揭煤进度，实际施工中，共施工48个排放钻孔，孔深为21~24m之间。

4.3防突措施效果检验

4.3.1瓦斯压力测定

排放钻孔施工完成后，经过了近2个月的排放，为了检验排放防突效果，对石门迎头进行了封孔测压，经过10天时间的测定，瓦斯压力稳定在0.2MPa，说明排放钻孔防突措施有效。

4.3.2石门见全煤时的防突效果检验

当揭煤进入全煤时，也进行了检验。检验指标为钻屑瓦斯解吸指标△h2、钻屑量S和钻孔瓦斯涌出初速度q，测定结果工作面无突出危险性。

（1）三项指标测定结果与《防治煤与瓦斯突出细则》规定指标临界值（即任一指标满足△h2?叟200Pa、S?叟6kg、ｑ?叟4.5l/min，工作面预测为突出危险工作面）对比，未超过规定临界值，因而检验该石门进入全煤时无突出危险性。

（2）将所测钻孔4m和6m处△h2值70Pa和90Pa代入关系式（5）式，得出瓦斯压力为0.12和0.21MPa，即瓦斯压力也未超过0.74MPa，检验防突措施有效。即该方法与实测瓦斯压力结果（0.2MPa）非常吻合。

从9月9日至10月4日自煤层底板到煤层顶板共计27m，安全揭穿18#煤层。

5结论

5.1对17#、21#和22#煤层的瓦斯参数进行了测定，直接法测定四水平17#层在-465m标高瓦斯压力为2.25MPa，22#层在-444m标高瓦斯压力为2.28MPa，21#层在-436m标高瓦斯压力为1.7MPa；四水平-465m标高17#层瓦斯含量为10.391m3/t，-444m标高22#层瓦斯含量为8.542~10.289m3/t，平均9.081m3/t，－435m标高21#层瓦斯含量为7.106m3/t，由于－244标高21#煤层所测瓦斯压力比实际瓦斯压力值偏小，故所得瓦斯含量应大于5.417m3/t。

5.2通过研究，对17#和21#层瓦斯压力和瓦斯赋存得出以下规律。

瓦斯压力符合以下规律：

17#层：P=0.0044H-0.9582

21#层：P=0.0032H-0.6069

瓦斯含量符合以下规律：

17#层：C=0.0169H-2.0285

21#层：C=0.0078H+1.6143

但是在接近断层时瓦斯压力和含量不遵从此规律。如果断层已经揭露，那么在断层附近瓦斯压力和含量都变小，如果断层未被揭露，那么断层附近瓦斯压力和含量都变大，并且还有喷出或者突出的可能。

5.3分析了兴安煤矿近几年来发生突出的原因及防治措施：发生突出的原因是由于高地应力和地质构造（断层）引起的局部瓦斯突出现象，必须采取探煤、预测、局部防突措施和效果检验“四位一体”综合防突措施。

5.4研究了石门快速测压的原理方法，实验得出了17#、18#和21#层的钻屑瓦斯解吸规律，分析了防突排放钻孔的作用机理，理论上推导了排放钻孔瓦斯流动规律，得出了钻孔的极限排放瓦斯半径计算方法和排放瓦斯时间。

5.5快速石门揭煤较传统石门揭煤工艺优越。采用快速测压技术后，减少了封孔测压环节，缩短了测压时间，其预测结果与传统的石门揭煤封孔测压预测结果比较吻合，从而可提早进行防突措施施工，加快了石门揭煤进度。具有显著的经济效益和社会效益。

5.6峻德和富力煤矿为兴安煤矿南北相邻矿井，煤层赋存地质条件符合鹤岗矿区地层特点，地质条件具有相似性，因此，该论文的研究结果可以在南北两矿逐步进行验证推广，扩大煤层瓦斯含量、压力预测以及石门快速揭煤的应用。

作者简介：王忠文（1962~），47岁，职称为高级工程师，现为龙煤集团鹤岗分公司副总经理、鹤岗矿业集团公司总经理。

孙刚力（1960~），男49岁，山东省东阿县人，职称为高级工程师，现任鹤岗矿业集团公司副总工程师、规划设计院院长。