CN104612747B - 一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，涉及煤矿安全技术领域，从高瓦斯矿井回采工作面坚硬顶板垮冒引发瓦斯爆燃的成因多角度采取防治措施，施工方法简便易行，经多次试验，防治效果显著，成本低，适合在矿区大范围推广应用，减小高瓦斯矿井坚硬顶板引发瓦斯爆燃的几率，降低对井下煤矿工人的人身安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法。
背景技术
最早在1887年，普鲁士矿井瓦斯委员会就首次指出了由于岩石相互摩擦引起瓦斯爆炸、燃烧的可能性；并认为其引燃瓦斯的火源是采空区顶板冒落或老巷道大量岩石突然破碎时摩擦形成的。我国在2000年之前，山西晋城、阳城、沁水等多个煤矿发生采空区瓦斯爆炸或爆燃。据测定，采空区后方距工作面22m时瓦斯浓度达到5％以上时，若悬顶区老顶大面积垮落，发生采空区瓦斯爆炸（燃烧）事故几率较高。通过对这些事故进行分析，引燃引爆火源均排除了明火、炮火、雷管火、电火花、电弧、高温表面及热辐射等因素，未能找到起火原因。
煤炭科学研究总院抚顺分院对岩石摩擦致燃瓦斯做了专题试验研究，试验结果表明：
（1）通过岩石相互撞击引燃引爆瓦斯模拟实验装置，当冒落岩块以大于66.66kg的重量，从3m高落下撞击岩石可以引起瓦斯爆炸（燃烧）。
（2）当岩块相对摩擦速度达到7.43m/s时，29次试验中，有13次发生了瓦斯爆炸，说明石英砂岩间相互摩擦可以引燃引爆瓦斯。
（3）通过对山西阳城等发生过采空区瓦斯燃烧（爆炸）的矿井顶板岩性成分进行分析，顶板砂岩中SiO2含量较高（最高达83.52％），含中粒石英砂岩的坚硬顶板在冒落过程中相互摩擦是引燃采空区瓦斯的根本原因。
以往对类似条件下坚硬顶板垮落引燃瓦斯尚未得到足够的重视，因而一直没有系统的考虑该类安全事故的防治措施。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，从瓦斯爆炸的火源、氧气和瓦斯浓度三个角度出发，从坚硬顶板预裂、瓦斯治理及改变工作面通风方式方面进行处理，具有良好的应用效果。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，通过以下步骤实现：
1）对本煤层瓦斯实施顺层超前预抽；
2）在回采工作面上部设置偏Y型组合的通风巷，对回采工作面形成正压平行升压通风系统进行通风；
3）对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放；
4）对煤层上方坚硬顶板实施预裂爆破，对爆后预裂深孔实施高压注水，利用高压水对爆生裂隙进一步致裂，同时利用注水后留存裂隙水，对顶板垮冒过程中岩石摩擦生热进行降温。
所述步骤2）中的偏Y型组合的通风巷由下部进风巷和设置于回采工作面上部的上部进风巷、专用回风巷组成，分别在下部进风巷和上部进风巷内安装升压风机，在专用回风巷内设置升压调节风窗，使回采工作面形成正压平行升压通风系统。
所述步骤3）中在上部进风巷布置瓦斯高位抽放钻机硐室，向顶板施工瓦斯高位抽放钻孔，对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放。
所述步骤4）中在煤层上方坚硬顶板内布置扇形旋转预裂炮孔对下位坚硬顶板进行预裂爆破，利用原有扇形旋转预裂炮孔形成高压注水孔，对爆后预裂深孔实施高压注水。
所述步骤4）中在煤层上方坚硬顶板内布置拉槽截断炮孔对上位坚硬顶板进行预裂爆破，利用原有扇形旋转预裂炮孔形成高压注水孔，对爆后预裂深孔实施高压注水。
坚硬顶板预裂爆破及高压注水均在支承压力峰值范围以外进行，利用支承压力实现对爆生裂隙与水压裂隙再致裂，促使坚硬顶板在预裂爆破后随采随冒，工作面上端头区域基本充满，压缩瓦斯聚集空间。
所述步骤4）中扇形旋转预裂炮孔孔底连线与顶板自然断裂半O-X破裂圈三角形弧板裂隙带分布基本一致。
步骤4）中坚硬顶板预裂爆破需要留设保护层。
综上，本发明所阐述的方法，从高瓦斯矿井回采工作面坚硬顶板垮冒引发瓦斯爆燃的成因多角度采取防治措施，施工方法简便易行，经多次试验，防治效果显著，成本低，适合在矿区大范围推广应用，减小高瓦斯矿井坚硬顶板引发瓦斯爆燃的几率，降低对井下煤矿工人的人身安全隐患。
附图说明
图1 高瓦斯工作面两进一回偏Y型通风方式示意图；
图2 高瓦斯工作面平行升压通风系统示意图；
图3瓦斯高位钻机硐室布置示意图；
图4 采空区瓦斯高位抽放示意图；
图5 坚硬顶板O-X破断裂隙圈分布示意图；
图6 坚硬顶板扇形旋转深孔预裂爆破示意图；
图7 上位坚硬顶板拉槽截断爆破示意图；
图8 坚硬顶板预裂爆破后高压注水示意图。
图中编号说明：
1-下部进风巷；2-上部进风巷；3-专用回风巷；4-回采工作面；5-升压风机；6-调节风窗；7-扇形旋转预裂炮孔；8-拉槽截断炮孔；9-下位硬厚岩层；10-上位硬厚岩层；11-高压注水孔；12-瓦斯高位抽放钻机硐室；13-瓦斯高位抽放钻孔。
具体实施方式
如图1-8所示，该高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，通过以下步骤实现：
1）对本煤层瓦斯实施顺层超前预抽；
2）在回采工作面上部设置偏Y型组合的通风巷，对回采工作面形成正压平行升压通风系统进行通风；
3）对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放；
4）对煤层上方坚硬顶板实施预裂爆破，对爆后预裂深孔实施高压注水，利用高压水对爆生裂隙进一步致裂，同时利用注水后留存裂隙水，对顶板垮冒过程中岩石摩擦生热进行降温。
作为优选的方式，所述步骤2）中的偏Y型组合的通风巷由下部进风巷1和设置于回采工作面4上部的上部进风巷2、专用回风巷3组成，分别在下部进风巷1和上部进风巷2内安装升压风机5，在专用回风巷3内设置升压调节风窗6，使回采工作面4形成正压平行升压通风系统。
作为优选的方式，所述步骤3）中在上部进风巷2布置瓦斯高位抽放钻机硐室12，向顶板施工瓦斯高位抽放钻孔13，对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放。
作为优选的方式，所述步骤4）中在煤层上方坚硬顶板内布置扇形旋转预裂炮孔7对下位坚硬顶板9进行预裂爆破，利用原有扇形旋转预裂炮孔7形成高压注水孔11，对爆后预裂深孔实施高压注水。
根据需要，所述步骤4）中在煤层上方坚硬顶板内布置拉槽截断炮孔8对上位坚硬顶板10进行预裂爆破，利用原有扇形旋转预裂炮孔7形成高压注水孔11，对爆后预裂深孔实施高压注水。
作为优选的方式，坚硬顶板预裂爆破及高压注水均在支承压力峰值范围以外进行，利用支承压力实现对爆生裂隙与水压裂隙再致裂，促使坚硬顶板在预裂爆破后随采随冒，工作面上端头区域基本充满，压缩瓦斯聚集空间。
作为优选的方式，所述步骤4）中扇形旋转预裂炮孔7孔底连线与顶板自然断裂半O-X破裂圈三角形弧板裂隙带分布基本一致。
作为优选的方式，步骤4）中坚硬顶板预裂爆破需要留设保护层。
下面通过一个具体的实施例来阐述本发明，步骤如下：
（1）在本煤层瓦斯实施超前预抽，降低煤层瓦斯含量。
（2）如图1所示，在工作面4上部布置上部进风巷2和专用回风巷3，形成为两条巷道进风、一条巷道回风的偏Y型通风方式；如图2所示，在下部进风巷1和上部进风巷2内安装升压风机5，在专用回风巷3内设置升压调节风窗6，使回采工作面4形成正压平行升压通风系统进行通风。
（3）在上部进风巷2布置瓦斯高位抽放钻机硐室12，向工作面4上方顶板内布置瓦斯高位抽放钻孔13，对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放。钻孔直径不低于95mm，每30m布置两排钻孔，每排3个，共6个钻孔，钻孔呈扇形布置，钻孔终孔位置从工作面4上隅角至上隅角以下20架支架上方均匀分布，距煤层顶板垂直距离为10m～40m，其中上隅角至上端头支架上方的3个钻孔终孔高度为煤层顶板10m，其余钻孔终孔高度为煤层顶板20~40m。钻孔孔口扩孔、下套管长度6m，封孔材料选用聚氨酯或其它材料封孔，封孔长度定为3m。钻孔施工完后，6个钻孔均用软管连接到集气管上，集气管再用软管与工作面回顺瓦斯抽放主管相连，连接后6个钻孔同时抽放。
水平投影上每个钻场终孔应超前一钻场钻孔10m。每组钻孔都是先抽煤层裂隙瓦斯，后抽顶板冒落瓦斯，瓦斯高位抽放钻机硐室12布置如图3所示，瓦斯高位抽放钻孔13布置方式如图4所示。
4）在回采工作面支承压力峰值以外区域对煤层上方坚硬顶板实施预裂爆破。根据顶板在不同支承条件的破断步距公式计算坚硬顶板岩层的破断步距，选择理论破断步距的1/3~1/4作为循环放顶步距。在下部进风巷1和上部进风巷2内，布置扇形旋转预裂炮孔7，炮孔指向回采工作面4推进方向，对下位坚硬顶板9进行碎裂，炮孔孔底连线与顶板自然断裂半O-X破裂圈三角形弧板裂隙带分布基本一致，如图5；扇形旋转预裂炮孔7布置如图6。
若工作面存在上位坚硬顶板10，需要在工作面下部进风巷1和上部进风巷2内，沿上位坚硬顶板10走向布置拉槽截断炮孔8，将上位硬厚岩层10的边界固支支承条件改为简支支承或自由支承条件，进行爆破，如图7所示。
上位坚硬顶板10、下位坚硬顶板9预裂爆破后，间隔选择扇形旋转炮孔7作为高压注水孔11，实施预裂爆破后高压注水，如图8。利用钻机将原有封孔段重新掏空，在孔口区域安装封孔器，利用煤层注水泵对预裂后爆破后岩层注水，注水压力不低于10Mpa。对煤体进行注水时实际单孔注水时间约5-6min，考虑到对岩层注水，实际单孔注水时间应不小于60min，或以煤壁及其他范围渗出水为准计算。
预裂爆破必须要保证煤层或岩层完整性，在工作面支架上方需要预留2-3m的保护层，炮孔装药段必须控制在保护层上方，并且保证封孔段长度满足规程要求，避免冲孔对巷道壁及顶板的破坏，保证预裂的效果。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，其特征是，通过以下步骤实现：
1）对本煤层瓦斯实施顺层超前预抽；
2）在回采工作面上部设置偏Y型组合的通风巷，由下部进风巷（1）和设置于回采工作面（4）上部的上部进风巷（2）、专用回风巷（3）组成，分别在下部进风巷（1）和上部进风巷（2）内安装升压风机（5），在专用回风巷（3）内设置升压调节风窗（6），使回采工作面（4）形成正压平行升压通风系统；
3）对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放；
4）对煤层上方坚硬顶板实施预裂爆破，对爆后预裂深孔实施高压注水，利用高压水对爆生裂隙进一步致裂，同时利用注水后留存裂隙水，对顶板垮冒过程中岩石摩擦生热进行降温。
2.根据权利要求1所述的一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，其特征在于，所述步骤3）中在上部进风巷（2）布置瓦斯高位抽放钻机硐室（12），向顶板施工瓦斯高位抽放钻孔（13），对采空区上部区域瓦斯进行高位抽放。
3.根据权利要求1所述的一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，其特征在于，所述步骤4）中在煤层上方坚硬顶板内布置扇形旋转预裂炮孔（7）对下位坚硬顶板（9）进行预裂爆破，利用原有扇形旋转预裂炮孔（7）形成高压注水孔（11），对爆后预裂深孔实施高压注水。
4.根据权利要求3所述的一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，其特征在于，所述步骤4）中在煤层上方坚硬顶板内布置拉槽截断炮孔（8）对上位坚硬顶板（10）进行预裂爆破，利用原有扇形旋转预裂炮孔（7）形成高压注水孔（11），对爆后预裂深孔实施高压注水。
5.根据权利要求3或4所述的一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，其特征在于，坚硬顶板预裂爆破及高压注水均在支承压力峰值范围以外进行，利用支承压力实现对爆生裂隙与水压裂隙再致裂，促使坚硬顶板在预裂爆破后随采随冒，回采工作面（4）上端头区域基本充满，压缩瓦斯聚集空间。
6.根据权利要求3或4所述的一种高瓦斯采场坚硬顶板垮冒致燃瓦斯的防治方法，其特征在于，所述步骤4）中扇形旋转预裂炮孔（7）孔底连线与顶板自然断裂半O-X破裂圈三角形弧板裂隙带分布基本一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |