防突揭煤设计中的关键流程及措施

瓦斯隧道的防突揭煤是一项完整的综合性防治系统工程,结合我国50 多年尤其是煤矿行业防治煤与瓦斯突出的理论与实践总结,《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)在《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)基础上对防突揭煤理念进行了调整,引入了煤矿行业“四位一体”的综合防治措施,即突出危险性预测、防突措施、效果检验和安全防护措施。 在防突揭煤设计中又以突出危险性预测和防突措施设计尤为重要。

1)防突揭煤总体原则

《煤矿安全规程》及《防治煤与瓦斯突出规定》均明确要求:“防突工作必须坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。”即通过“区域防突措施”(通常采用开采保护层和预抽煤层瓦斯两种方法)提前在较大范围内消除瓦斯突出,再利用“局部防突措施”进行“查漏补缺”,确保防突揭煤作业安全。

隧道工程与煤矿相比,两者的瓦斯防突机理和防突流程是类似的。 所不同的是煤矿在煤层中呈多通道掘进,揭煤范围更广,区域更集中,瓦斯的含量及突出风险也更高;而隧道工程更类似于一条“线”状工程,其埋深相对较深,煤层分布更为分散,也不适宜采用开采保护层的方法。

结合隧道工程的自身特点,隧道穿越突出煤层时应遵循“超前综合防突措施先行、工作面综合防突措施补充”的原则。 即先在距离煤层一定的掌子面处实施“超前综合防突措施”(主要为预抽煤层瓦斯),隧道开挖掘进一段长度后,再在距离煤层更近的掌子面处采用“工作面综合防突措施”,以确保隧道施工安全。

众多的工程案例和文献表明,厚度在0.3 m 以下的煤层不易形成灾害性的突出事故。故当隧道在揭穿厚度小于0.3 m 的煤层时,可直接采用远距离爆破方式揭穿煤层;反之,则必须进行防突揭煤专项设计。

2)防突揭煤工作流程

防突揭煤工作流程可参照图4.8 进行。

防突揭煤工作流程的各阶段工作内容如下:

(1)超前综合防突

超前综合防突工作包括超前突出危险性预测、超前综合防突措施、效果检验和验证。

超前突出危险性预测:在距煤层位置10 m(垂距)处,施做不少于3 个超前取芯钻孔(预测孔),测定瓦斯压力、瓦斯含量等参数,验证煤层位置、煤层厚度。

超前综合防突措施:以预抽煤层瓦斯法为主,并做好相应的施工参数记录。

效果检验:防突措施实施后,应通过检验孔直接测定预抽区域的煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量等指标进行效果检验。

验证:经超前预测或防突效果检验为无突出危险时,在揭煤前仍需按工作面突出危险预测方法与规定进行超前验证。

(2)工作面综合防突

工作面综合防突措施包括工作面突出危险性预测、工作面防突措施、效果检验和安全防护措施。(www.xing528.com)

工作面突出危险性预测:在距煤层5 m(垂距)处,至少施做3 个超前取芯钻孔(预测孔),钻孔应穿透煤层全厚且进入顶(底)板不小于0.5 m 或见煤深度不少于10 m。 工作面突出危险性预测应选用综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法、复合指标法、“R”指标法、钻屑指标法中的其中两种方法相互验证。

工作面防突措施:一般情况下宜采用钻孔自然排放,当钻孔自然排放瓦斯较困难时,可采用抽放。

效果检验:在实施防突措施后,应进行效果检验。 检验结果超标或在打检验孔时发生喷孔、顶钻、夹钻等动力现象时,必须采取补充防突措施。

图4.8　防突揭煤工作流程图

安全防护措施:在揭煤前采用安全防护措施,诸如远距离爆破、加强通风管理等,避免突出预测失误或防突措施失效时出现安全事故。

3)突出危险性预测

瓦斯隧道突出危险性预测是制订后续技术方案的关键依据,其预测的准确性直接影响措施的有效性与经济性,甚至施工安全。 结合《煤矿安全规程》《防治煤与瓦斯突出规定》的相关要求和瓦斯隧道的实践经验,当隧道工作面开挖至距煤层10 m 和5 m(垂距)时,应对厚度大于0.3 m 的煤层分别进行超前突出危险性预测和工作面突出危险性预测。

超前综合防突预测可采用实测瓦斯压力或瓦斯含量的方法进行预测,工作面突出危险性预测应选用综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法、钻屑指标法、复合指标法和“R”指标法中的两种方法进行相互验证,当有任何一项指标超过临界指标时,该工作面即为有突出危险工作面。

4)防突措施

煤与瓦斯防突措施是“四位一体”中的关键环节,防突措施的有效与否将直接决定防突揭煤的成败。 结合瓦斯的突出机理,防突措施的制订主要遵循如下原则:

①提前释放煤层和瓦斯压力,降低瓦斯压力梯度。

②提前降低瓦斯含量,避免开挖后瓦斯含量瞬间急剧加大。

③增强工作面整体稳定性,提高工作面防突承载能力。

④合理确定开挖工法,减小分部开挖断面。

目前,隧道工程瓦斯防突措施主要有预抽瓦斯、钻孔自然排放和管棚支护几类,在低透气性地层中也会使用水压压裂增透等辅助性措施。 另外,国内外大量的工程实践表明,提前卸压和预抽瓦斯又是解决瓦斯突出的根本,这也是目前应用最广、最有效的措施。 图4.9 为叙毕铁路(川滇段)煤层瓦斯排放孔布置示意图,图4.10 为现场掌子面排放钻孔照片,图4.11为瓦斯抽排现场照片。