CN100557375C - 横向松动爆破 - Google Patents

Abstract

横向松动爆破是煤矿在突出煤层中掘进和石门揭煤时消除发生突出危险的一种新方法。在煤层底板岩巷中向突出煤层打钻孔，对煤层进行松动爆破，使设定做煤巷的煤层中的条带和石门揭穿突出煤层处的一定范围内的煤体得到松动，使该处煤层上的矿压向外转移，同时，成倍地提高煤层的透气性，对煤层瓦斯进行排、抽放，并达到一定的抽放率，煤层的坚固性得到提高，以消除在突出煤层中掘进和石门揭煤时的突出危险性，不发生诱导突出和延期突出，确保安全生产，提升矿井安全水平。做到加快掘进速度，确保采掘正常接替，充分发挥矿井的生产能力，并取得良好的安全和经济效益，改变矿井的面貌。

Description

横向松动爆破

一、技术领域

横向松动爆破方法属于地下煤层开采技术领域，是在突出煤层中掘进巷道和石门揭煤的一种新方法。

二、背景技术

煤矿在地下采掘过程中，在很短的时间(数分钟)内，从煤壁内部向采掘工作面突然喷出大量煤和瓦斯的现象称为煤与瓦斯突出。它是猛烈的矿井瓦斯动力现象，能喷出大量的瓦斯和煤岩，能摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统、造成人员窒息、煤流埋人，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾事故……。煤与瓦斯突出是煤矿最严重的灾害之一。一百多年来煤矿工人和科技人员为防止煤与瓦斯突出事故进行了长期的艰苦的斗争，通过无数次的试验、研究，采取了各种防突措施。有：水力冲孔、高压水力割缝、煤体水爆破、深孔松动爆破、超前大直径排放钻孔、金属骨架、远距离震动爆破(诱导突出)，抽放瓦斯、前探支架等措施，使在突出煤层中掘进和石门揭煤的防突问题有很大改善，根据一些矿井的统计资料，采用深孔松动爆破措施前平均百米煤巷掘进突出率达8.35次，采取措施后下降到0.48次，成绩显著。但仍存在不少的问题，突出危险仍未得到完全消除。深孔松动爆破，施工程序多，循环周期长，影响掘进速度，因爆破点集中往往破坏了煤层顶、底板，给巷道掘进、支护都带来困难，爆破后在煤层中往往形成空硐，再次爆破时可能引起瓦斯燃烧和爆炸，发生事故的概率为1.3％，百米突出为0.39次，突出威胁仍然存在。因此，近年来，采用该措施逐步减少。超前大直径排放钻孔是通过在煤层中打一定数量的钻孔排放煤层中的瓦斯来防止煤与瓦斯突出，在透气性低的突出煤层中需要打较多的钻孔，排放瓦斯时间长，影响掘进速度，打排放孔多时，削弱了安全煤柱的强度，往往在打钻时发生瓦斯喷出和突出。据统计打钻发生突出为突出总数的2.4％，存在发生突出的危险性。石门揭煤采用远距离放震动爆破是一种诱导突出的措施，会造成一定的破坏，这是不可取的。而且据有关统计资料表明延期突出30分钟及以上的概率高达9％，最长的时间有30小时，这是很危险的，矿工的安全没有保证，对生产的破坏也很大，这种措施应停止使用。水力冲孔等采用有压水流进行防突的措施需要投入高压泵及高压管路，初期投资大，工艺复杂，维修量大，钻孔有时难以达到预定的深度，煤层顶、底板吸水膨胀使巷道围岩松碎难以支护等。因此，水力冲孔等防突措施已很少采用。

煤与瓦斯突出机理是非常复杂的，其动力有：地应力、瓦斯压力、煤的自重、煤岩的弹性变形能等，而保持围岩、煤壁、巷道稳定的因素有：煤岩的强度及围岩内部形成的支承结构状况，巷道支架维护围岩的稳定能力等，采用钻爆法掘进时，爆破后由于煤岩的蠕变，围岩强度逐步降低，支承能力减小，潜在的各种动力，如瓦斯压力等在增强，又由于不能及时进行有效的支护，巷道的稳定性、及其安全系数在不断减小，当接近临界状态时，即使采用手镐落煤等产生微小的振动(甚至无作业)时，都会破坏这脆弱的平衡而发生(延期)突出，在这种情况下安全是没有保证的。

综上所述，现在采用的各种在突出煤层中掘进的防突措施和石门揭煤技术对防突问题有很大改善，但防突问题没有得到根本的解决，为了彻底消除在突出煤层中掘进及石门揭煤中的突出威胁，必须采取进一步的措施。

三、发明内容

(一)发明的目的

1、彻底消除在突出煤层中掘进和石门揭煤时发生煤与瓦斯突出；

2、做到有系统地进行瓦斯抽放，以充分利用煤层气(瓦斯)资源，并改善矿井安全环境；

3、合理进行巷道布置和采掘程序安排，在布置下一个工作面的回风巷时应与上工作面运道距离M₂控制在1～4米，使其位置处在上工作面回采后形成卸压作用的保护范围内，消除突出威胁。

4、确保矿井采、掘正常接替，充分发挥矿井生产能力，改变矿井面貌。

(二)技术参数的确定

1、进行横向松动爆破有二种方式：一种方式是沿走向做底板巷道，使巷道顶部与煤层底板法线距离M₁控制在2～3米。在底板岩巷掘进工作面打垂直煤层底板并穿过煤层的横向松动爆破钻孔，并可检查煤层的状况：煤层的方位和距离以控制巷道的方向。钻孔之间的距离为L。在钻孔中安装炸药要与顶、底板保持一定距离，在进行爆破时以免顶、底板受到破坏。

横向松动爆破的另一种方式：石门揭煤，进行石门揭煤时，揭煤巷道一般是垂直煤层的，在掘进中要按《煤矿安全规程》的规定要求打探眼进行预测，到设定位置M₁时按设计打横向松动爆破眼，如巷道断面较小满足不了要求时，可在巷道挡头做与煤层有一定距离(按煤矿安全规程第二百条规定)，并平行于煤层的辅助巷，在其中增设横向松动爆破钻孔。

2、钻孔之间的距离与装药量的确定。

松动爆破钻孔距离的确定：根据松动爆破孔与检查孔的距离与瓦斯流量变化的资料，利用回归分析法求得经验函数关系式为：

X＝K₁〔-1.11L_n(0.733g)〕…………(1)

式中：

X——观测孔与松动爆破孔的距离，米

g——放炮前后流量变化值，升/分

K₁——距离系数，取0.90～0.95

横向松动爆破钻孔的距离

L＜2X………………………………(2)

横向松动爆破的钻孔装药量：

根据在郴州大排冲矿井横向松动爆破的现场试验数据并利用回归分析法求得经验公式为：

q＝K₂(0.412-5.03×10^-3L²h)…………(3)

式中：

q——单位煤体装药量，公斤/立方米

L——松动爆破钻孔距，米

h——煤层厚度，米

K₂——装药量系数，取K₂＝1.05～1.10

则钻孔装药量Q为：

Q＝q·L²·h，公斤/孔…………(4)

根据(1)～(4)式计算横向松动爆破钻孔距离和每孔装药量。

上述各式都是在特定条件下通过试验、回归分析得出。因此，对不同的煤田、煤层应通过试验来确定所取的q值和公式中的系数。

3、施工程序与瓦斯抽放

在突出煤层中掘进煤巷，首先掘煤层底板岩巷，在掘进工作面及时打好横向松动爆破钻孔，并以每6～10个孔为一组进行装药、连线、爆破，使煤层透气性系数成倍增加，为瓦斯排、抽放创造条件，爆破后，在钻孔孔口处埋设抽放管并与矿井的抽放支管连通，对瓦斯进行抽放。使掘进工作面运输巷的煤层条带消除了突出危险，则可用一般方法从底板岩巷揭开煤层和掘进煤巷。松爆和抽放必须结合，才能取得显著的效果。虽然对煤层进行横向松动爆破，但掘进时必须坚持做好防突的预测工作。对底板岩巷和煤巷的掘进必须要有独立的通风系统。

石门揭煤的工作顺序为：把揭煤岩石巷道掘到规定位置，必要时再做一段平行于煤层的辅助巷，打横向松动爆破孔，在巷道中心打一个孔，并以其为中心，在巷道周围打横向松动爆破孔。按顺时方向计及孔间距离和中心孔到各周边孔的距离都必须小于L值(如l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇、l₁等均小于L值)，并且，周边孔到预定揭煤巷道轮廊的距离与1/2L值的和应大于4米(该值在实践中应进一步验证)。测定煤层中的瓦斯压力，进行松动爆破和瓦斯抽放，经预测进行石门揭煤处的一定范围内的煤层消除了突出威胁后，即可用一般掘进方法揭开煤层。

横向松动爆破的关键是分两步走，第一步进行横向松动爆破，消除一定煤层中的突出威胁，第二步经预测达到防突标准后，即用一般方法进行煤巷掘进和石门揭煤。

(三)有益效果

1、能消除在突出煤层中掘进(包括石门揭煤)产生煤与瓦斯突出的危害，也不出现诱导突出和延时突出，确保矿工安全。

2、加快了掘进速度，确保矿井正常接替，充分发挥矿井生产能力。

3、使矿井取得明显的经济效益。横向松动爆破虽然多掘了一条底板岩巷和平均每米多打1.0～1.5米的松动爆破钻孔(约4米巷道打一个松爆钻孔)，但采用大直径排放钻孔防突(每次以打10米长的6～9个孔，进5米计)平均每米巷道要打钻孔12～18米，与打一米的底板岩巷投入相当。但采用横向松动爆破可使矿井正常生产，充分发挥了矿井的生产能力，将使矿井获得较大的经济效益。

4、对瓦斯进行了有层次、系统的抽放，因此，能充分利用瓦斯资源。

5、有效地防止了煤与瓦斯突出，提升了矿井安全水平，取得巨大的安全效益，改变矿井的安全面貌。

四、附图说明

图1.横向松动爆破钻孔、巷道布置图

图2.横向松动爆破掘、抽系统图

图3.横向松动爆破石门揭煤布置图

五、具体实施方式

(一)突出现状与实施方式和条件

我国是世界上突出严重的国家，于1950年4月到1981年底为止，共发生煤与瓦斯突出近万次，占全世界突出总数的三分之一强。近年来，我国产量大幅度增加，开采深度加大，突出次数将会有所增加。湖南省根据最近调查统计，乡镇以上煤矿共有突出矿井320处，约占矿井总数14.8％。煤与瓦斯突出严重地威胁着矿井的安全与矿工的生命，因此，防治煤与瓦斯突出是摆在煤矿工作者前面十分严重的任务，应该加大力度进行研究，进一步解决这个问题。横向松动爆破就是针对消除在突出煤层中掘进(包括石门揭煤)防止突出的有效方法，一定会把防突工作提高到一个新水平。

横向松动爆破方法一般采矿工程技术人员都可领会，并指导实施。采用现有的巷道掘进方法，抽放技术和设备即可实施横向松动爆破。因此，本发明完全有条件、有措施进行全面实施，将煤矿防突工作提高到一个新水平，全面改变矿井的面貌。

(二)初步实践效果

横向松动爆破在郴州大排冲矿井进行了现场实验。该矿为高瓦斯突出矿井，属华塘矿区，煤层变化比较大，平均煤厚2.27米，煤层结构比较简单，为无烟煤，f系数0.3～0.4，顶板为泥岩或粉砂质泥岩，底板为泥岩、粉砂岩。煤层和顶、底板岩层透气性很低，因此，有严重的煤与瓦斯突出危险。实验巷道总长22米，钻孔间距2.5～4.4米(受现场施工条件限制，排列不均匀)，钻孔直径φ75毫米，钻孔在煤层中总长度24米，钻孔每米装药量1.57公斤，每孔封泥长度1.0米以上，横向松动爆破取得了明显效果。

1、排除了大量瓦斯

横向松动爆破增加瓦斯的总排放量为8812立方米(巷道回风口处甲烷传感器测出瓦斯浓度曲线减去正常瓦斯排放浓度曲线乘排放时间)，一般在每天13.0～16.0时之间瓦斯排放达到最大峰值。瓦斯排出率在30％以上。

2、消除了突出危险。

从底板岩巷揭开煤层：经预测无突出危险后，用一般掘进方法揭开了煤层。

在煤巷掘进中用钻屑法对工作面前方煤层进行了突出危险性预测64次，其中10～30Pa为33次，31～60Pa为27次，61～90Pa为4次，没有出现大于90Pa的量值，也没有发生瓦斯突出动力现象，不需采取其他防突措施，使掘进得到顺利进行。而在掘进巷道超过横向松动爆破控制的范围后，瓦斯突出动力现象明显，采用大直径钻孔法排放瓦斯后才能掘进。

3、对煤层进行了有效地松动破碎。

在掘进中，揭露钻孔处煤层有明显的松动半径为0.5米左右，松动爆破影响超出巷道控制范围。在煤层中没有出现空硐现象，顶、底板没有受到破坏，不影响巷道支护。综合松动爆破数据，形成破碎圈半径为0.1米，松动半径约0.72～0.75米，而松动圈影响半径可达1.39～4.52米，而按(1)式计算松动爆破的波及半径可达6～8米。

4、加快了突出煤层中巷道掘进的速度。

根据试验矿井的作业安排，采用横向松动爆破后，一个循环为二个小班，第一班进行突出危险性预测(都没有超过突出危险性临界值)，紧接着打眼、装药、连线，放出班炮，第二班出煤矸、支架和其他工作。采用大直径排放钻孔防突一般需6个小班，打排放孔二个小班，排瓦斯2个小班，效果检验、打眼、放炮、出煤矸、支架等共需2个小班，如果检验不符合要求还要加打排放孔延长时间。一般情况下掘进采用打大直径排放钻孔是采用横向松动爆破所需时间的3倍，前者月进度为20～30米，则后者可达60～90米。以上分析说明：横向松动爆破可以把突出煤层中掘进速度提高到一个新水平。底板岩巷与煤层运输煤巷的掘进是可以平行作业同时掘进的，因此，采区的整体布置速度得到加快。

对横向松动爆破的分析与认识：(1)该方法是在确保安全的条件下进行的；进行横向松动爆破时，作业在岩巷中进行有岩柱作保护；进行石门揭煤和在(突出)煤层中做巷道掘进时，在形成了无突出危险的块段、条带和松动圈保护下进行而确保安全；(2)利用炸药有控地进行爆破，松动煤层是十分有效的，提高了煤层的透气性，有利于进行瓦斯排、抽放，影响范围大，效果明显是其他方法难以比拟的。(3)完全可以在石门揭煤和在(突出)煤层掘进中消除突出危险，不出现延期突出，也不会出现突出威胁处在临界状况，以致有一点动作(如使用手镐)而发生突出的现象。震动爆破能发生诱导突出，也会产生延期突出，同时很难预测和控制，这是很危险的，安全是没有保障的。这种方法必须停止使用。其他方法由于不能完全消除突出危险应被取代。

对横向松动爆破要注意的问题：一是要科学地确定横向松动爆破的参数，使煤层松动到一定的范围而不受到破坏；二是要认真对煤层中的瓦斯进行排放、抽放，在一定范围内抽放率要大于25％；三是做好地质测量工作，确保底板岩巷和煤层的距离控制在合理范围内。

Claims (5)

1、“横向松动爆破”是在有突出危险的煤层中打钻孔进行爆破以消除煤层发生突出危险的方法，其特征是在突出煤层底板中做一平行于煤层走向的底板岩巷，在石门揭煤时只做控制揭煤的一段底板巷，在底板控制巷道顶部，在石门揭煤时为巷道掘进工作面顶部与煤层底板的法线距(M₁)在2～3米；从底板岩巷中按一定距离打垂直煤层底板的钻孔，在石门揭煤时钻孔布置在巷道掘进方向上，直到煤层顶板，在炮孔中装药后对煤层进行松动爆破，以成倍地提高煤层的透气性，并利用炮孔进行瓦斯排放、抽放，降底煤层中相应范围内的瓦斯含量，使抽放率达25％以上，并提高煤层的坚固性，使在煤层中掘进和石门揭煤时不发生煤与瓦斯突出，不出现诱导突出和延期突出，做到采用一般方法能正常进行煤巷掘进和石门揭煤。

2、根据权利要求1所述的横向松动爆破方法，必须按规定合理的布置炮眼和确定每个钻孔的装药量等参数，在爆破后使煤层松动而不受到破坏，并且要提高其坚固性，确保煤巷掘进和石门揭煤顺利进行。

3、根据权利要求1所述的横向松动爆破方法，在爆破后利用炮孔及时进行瓦斯抽放；将炮孔口中的抽放管接入底板岩巷的抽放支管再到矿井总管，形成抽放管网，以便于瓦斯集中利用和减少矿井井巷和工作面中的瓦斯浓度，提高工作地点的环境质量。

4、根据权利要求1所述的横向松动爆破方法，煤巷掘进应与底板岩巷掘进平行作业，相错距离应按横向松动爆破后煤层中瓦斯排、抽放的情况而定；松爆后的煤巷掘进也必须进行突出危险性预测。

5、根据权利要求1所述的横向松动爆破方法，下采煤工作面回风巷的位置应设在上工作面回采后经卸压被解放的保护区段内，与上工作面运道的距离(M₂)控制在1～4米范围内，以消除煤与瓦斯突出威胁。

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