掘進工作麵過保護層切斷線冒頂事故原因分析及對策

　　1 工作麵概況 　　峰峰集團公司大淑村礦172104工作麵開采二疊係山西組2號煤（俗名大煤），煤厚4.6～5.8m，傾角5°～15°，走向長880m，傾斜寬140m。頂夾石距頂板0.4～0.6m，厚0.5～1.0m，底夾石距底板1.6m，厚0.1m。直接頂為粉砂岩，厚4.0m，老頂為細砂岩，厚4.0～20m，直接底為粉砂岩，厚10.0m。采用輕型支架放頂煤采煤法，一次采全高。 　　172104掘進工作麵溜子道、運料巷、均摸2號煤底板掘進。支護采用U25型鋼。兩巷掘進斷麵12m2。 　　172104工作麵下部的174104野青保護層工作麵已回采。由於174104野青保護層工作麵地質條件複雜、斷層多，回采期間丟下2塊煤柱。 　　2 問題的提出 　　172104工作麵是在其下部174104野青保護層工作麵回采後才進行巷道掘進的。2004年6月22日，172104工作麵溜子道報刊到保護層斷線（“切斷線”：隨回采工作麵推進，直接頂、老頂懸露的跨度不斷增長，其撓度增加，煤壁內的支承壓力也隨著增長，直到直接頂、老頂達到極限跨度時，沿煤壁或煤壁內發生破斷，所形成的不規則破斷麵在鉛直平麵上的投影線）處，掘進工作麵發生冒頂 02manbetx.com 。冒落範圍（平均）高3.5m、長5.5m、寬5m，冒落體積約為96.25m3。同時，冒頂期間瓦斯湧出量明顯增加。該掘進工作麵供風量784m3/min，冒頂前，風流中正常瓦斯濃度為0.3％，瓦斯湧出量為2.35 m3/min ，冒頂時風流中瓦斯濃度為0.8％，瓦斯湧出量達6.27 m3/min ，是正常湧出量的2.67倍。 　　2004年6月24日，172104運料巷掘至保護層切斷線以時4m處，掘進工作麵發生冒頂 02manbetx.com ，冒落範圍（平均）高1.7m，寬2.5m，長2m，冒落體積為8.5 m3，同時，冒頂期間，瓦斯湧出量劇增。該掘進工作麵供風量592 m3/min，冒頂前風流中正常瓦斯濃度為0.6％，瓦斯湧出量為3.6 m3/min，冒頂期間風流中瓦斯濃度達3.5％，瓦斯湧出量為20.72 m3/min，是正常湧出量的5076倍。 　　在上述2個掘進工作麵過保護層切斷線施工過程中，我們十分謹慎，都是在掘進工作麵距切斷線20m前就采取了打排放鑽孔的防卸壓 措施。發生冒頂前，掘進工作麵都施工了10個深9m、孔徑Φ89mm的排放卸壓鑽孔，經效果檢驗。測得的突出危險性指標都在《防治煤與瓦斯突出細則》規定的臨界值以下，采用同樣的 措施，在此之前的兩巷掘進過程中沒有出現過冒頂及瓦斯湧出異常現象。 　　為什麼172104溜子道及運料巷2個掘進工作麵過保護層切斷線時，在施工了排放卸壓孔、並經過效果檢驗突出危險性指標不超標的情況下，還發生了冒頂 02manbetx.com 呢？而且還伴隨著有瓦斯湧出異常現象呢？ 　　3 冒頂及瓦斯湧出異常原因 03manbetx 　　3.1 2次冒頂 02manbetx.com 的共同特點 　　（1）2個掘進工作麵都是從受到保護的區域向未保護區域推進；（2）事故都發生在保護層工作麵切斷線附近；（3）冒頂前，掘進工作麵附近煤體出現連續的煤炮聲響；（4）冒頂時，瓦斯湧出量明顯增大；（5）2個掘進工作麵均采用綜掘機掘進，掘進前都施工了10個深9m、孔徑Φ89mm的排放卸壓鑽孔。打排放卸壓鑽孔時，瓦斯湧出量比以往增大。打完排放鑽孔後，經效果檢驗，突出危險性指標在《防治煤與瓦斯突出細則》規定的臨界值以下。冒頂時，2個掘進工作麵都保持有5m以上的排放瓦斯卸壓鑽孔前超前距和2m以上的效果檢驗孔超前距。 　　3.2 冒頂原因及瓦斯湧出異常 03manbetx 　　（1）由於172104工作麵下部的解放層工作麵174104工作麵在開采過程中留下2塊未采煤住，形成2個孤島和半孤島形煤柱。孤島形煤柱受幾個方向集中應力的疊加作用，形成應力集中區。孤島煤柱上的集中應力區不僅對本煤層采掘有影響，而且對其上部的170104工作麵，也造成局部集中應力區。由於開掘巷道，破壞了原岩應力，在開掘工作麵區。由於開掘巷道，破壞了原岩應力，在開掘工作麵的前方地應力變化較大，形成了一定的高應力區。這樣2個集中應力區相互疊加，形成了更高的應力集中區。 　　（2）煤體的透氣性與周圍的應力關係較大。作用在煤體上的壓應力越大，煤體的透氣性就越小，因為在壓力的作用上，煤體受壓變形，煤體內的孔隙逐漸閉合，瓦斯運移的通道也相應減少。由於本礦大煤煤體強度低，在壓力的作用下，煤體內的孔隙通道更容易閉合，煤體的透氣性會急劇降低，瓦斯滲流非常困難，這樣為瓦斯聚集創造了條件。在這一範圍形成了瓦斯壓力增高區。 　　（3）煤體在集中應力的作用下，發生搓揉和破碎，煤體的強度大大降低，煤體極易發生流冒。這2個掘進工作麵均采用ESMB－75A型綜掘機掘進。雖然減少了爆破震動影響，但在實際掘進過程中揭露到這一瓦斯高壓帶，發現煤層搓揉明顯，煤體鬆軟。盡管迎頭得到及時支護，但煤體在揭露幾個小時後，煤體內的應力作用開始顯現，並且受到風化影響，煤體以粉狀和小塊狀從架間、架前流出。在高應力作用下，支架逐漸變形，盡管對空頂部分進行了背頂和支架的加固工作，但在強大的瓦斯釋放能的作用下，出現了支架被推倒和冒頂事故。由於冒頂，煤體內的應力下降，透氣性係數大大增加，大量的瓦斯得以釋放。 　　綜上 03manbetx ，筆者認為上述2個掘進工作麵發生冒頂事故的原因是：瓦斯與掘進工作麵前方集中應力共同作用的結果。瓦斯來源於本煤層，而集中應力則是保護層切斷線附近的“殘餘應力”（保護層切斷線附近的“殘餘應力”實質上就是保護層采空區前方的集中應力）與本煤層掘進工作麵前方集中應力的疊加。 　　通過對上述2次事故的反複思考和 03manbetx ，認為導致事故發生的主要因素就是保護層工作麵切斷線附近的“殘餘應力”。當掘進工作麵前方無切斷線（或地質構造）時，煤層瓦斯的釋放通道處於最佳狀態，隨著掘進工作麵的推進，在其前方會形成一個相應較寬的卸壓帶，經打排放瓦斯卸壓鑽孔，煤層瓦斯能夠充分釋放，因此，冒頂很難發生，瓦斯湧出量相對較小。當掘進工作麵前方的瓦斯卸壓帶推進到野青保護層切斷線附近後，由於切斷線附近存在“殘餘應力”，煤層受擠壓變形，掘進工作麵前方煤層中的瓦斯已不可能再隨工作麵的推進正常釋放，在工作麵前方逐漸聚起了1個較高的瓦斯壓力梯度。雖然在掘進過程中打了10個排放瓦斯卸壓鑽孔，但由於煤層受“殘餘應力”作用，透氣性相對降低，鑽孔瓦斯排放半徑相對減小，在鑽孔之間和鑽孔以外的部位，煤體瓦斯仍不能得以有效釋放，當瓦斯壓力和地應力的作用超出了煤體的承受能力時，就發生垮塌冒落，進而發展為冒頂事故，煤體中瓦斯釋放造成掘進工作麵瓦斯湧出量突然增大。 　　4 如何防止類似事故發生 　　掘進工作麵過切斷線出現冒頂事故的概率較正常地段高是大家所公認的，掘進工作麵由受保護區向未保護區推進，瓦斯湧出量增大，也在情理之中。那麼172104溜子道和運料巷2個掘進工作麵掘進至保護層切斷線附近發生冒頂和瓦斯異常湧出就不可避免嗎？回答是肯定的。 　　通過以上分析得知，172104溜子道和運料巷掘進工作麵推進到保護層切斷線附近發生冒頂，並伴隨瓦斯湧出異常，是因為切斷線附近存在“殘餘應力”，這種“殘餘應力”阻礙和影響了掘進工作麵前方煤體瓦斯的釋放。今後遇到類似情況，如果不采取有效的預防 措施，不但冒頂事故難以避免，而且，當瓦斯積聚的範圍和壓力達到一定程度時，還有可能造成煤與瓦斯突出事故的發生。 　　采取有效 措施，使掘進工作麵前方“殘餘應力”和煤體瓦斯得到充分釋放，就可以防止類似事故發生。 　　經過反複研究論證，我們在大煤掘進工作麵過保護層切斷線掘進過程中，當掘進工作麵距切斷線20m時，就實施打排放瓦斯卸壓鑽孔措施，排放卸壓鑽孔數量由正常掘進時的10個增加到30個，每個鑽孔深9m，孔徑Φ89mm；再掘進工作麵前方向兩幫煤體內打10個深30m、Φ42mm的排放卸壓鑽孔，兩幫鑽孔要伸入到巷道輪廓線以外5m。由於鑽孔數量增多，深度加大，控製範圍加寬，掘進工作麵前方煤體瓦斯有了較好的釋放通道，特別是掘進工作麵較遠處煤體內的瓦斯能夠提前和較長時間地排放。這樣一來，切斷線附近媒體瓦斯充分釋放後，失去支撐力，“殘餘應力”也隨之得以釋放。掘進工作麵向前推進時，就可以避免冒頂及煤與瓦斯突出事故的發生。 　　172104運料巷掘進工作麵過裏段保護層切斷線掘進期間，我們嚴格按照以上措施施工，掘進工作麵順利通過切斷線；在172104回采工作麵過保護層切斷線時，除正常施工排放瓦斯卸壓鑽孔外，在工作麵推進到距切斷線附近10m處，沿工作麵每5m打1個深30m、孔徑Φ42mm的排放瓦斯卸壓鑽孔，工作麵也順利地推過了保護層切斷線，實現了 安全生產。