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第二章 平顶山矿区安全综合治理技术 第一节 矿区概述 一、平顶山煤业集团有限责任公司基本情况 平顶山煤业集团有限责任公司前身是平顶山矿务局，1955年建矿，1996年元月改为国有独资的有限责任公司，是自行勘探设计开发建设的一个特大型煤炭基地，被誉为“中原煤仓”。煤田包括平顶山、韩梁、朝川三个矿区，面积767km2，1997年保有储量7410 Mt，可采储量2860 Mt，现有12座矿井，年产原煤20 Mt。 二、地质及煤层赋存 平顶山矿区四周高角度的正断层把煤田抬起，使之成为一个独立的断块隆起单元，形成为一宽缓的复式向斜--李口向斜。向斜轴向大致北西50，向北西方向倾伏，地层倾角较缓，一般在5-15之间。仅在矿区西南端，十一矿井田范围内浅部地区地层倾角较陡，局部地区可达60。向斜两翼有次一级褶曲构造，由北向南依次有襄郏背斜、灵武山向斜、白石山背斜、郭庄背斜、牛庄向斜、诸葛庙背斜和郝堂向斜。 平顶山矿区断层多呈北西-南东向，与李口向斜轴向基本一致。位于李口向斜西南翼，与向斜轴向大致平行的锅底山正断层走向在北西40-45之间，倾角30-60。断距由80m-450m，断层结构比较复杂。主断层两侧附近多发育有派生的次一级小断层，形成一个较宽的断层带。锅底山断层不仅是划分三、四、六矿与五、七矿井田范围的自然边界，也是矿区水文地质分区的界限。 矿区水文地质条件属简单至复杂类型，主要含水层为寒武系、石炭系石灰岩含水层及第三系淡水灰岩含水层。矿区矿井总涌水量7000m3/h。 平顶山煤田属华北聚煤区，是豫西煤田的一部分，成煤时期为石炭纪和二叠纪。由于煤田地处华北地台的南缘，特有的古地理环境形成了具有多煤组、多煤层的沉积特征。见表8-2-1-1。 平顶山煤田的含煤地层由石炭系太原组、二叠系山西组和石盒子组组成。总厚约800m，含煤7组88层，自上而下为二叠系石盒子组的甲、乙、丙、丁、戊组煤和山西组的己组煤，石炭系太原组的庚组煤，煤层总厚约30m，含煤系数为3.75。区内主要可采煤层自上而下为丙3、丁5、丁6、戊8、戊9、戊10、己15、己16、己17、庚20。煤层总厚约30m，含可采煤层10层，可采煤层总厚1518 m。局部可采煤层有乙2、丁4、丁7、戊11、己14、庚21共6层。韩梁矿区由于长期遭受剥蚀，仅丁组及丁组以下的煤层被保存下来。矿区开采煤层除庚20煤层顶板为石灰岩外，其余各可采煤层顶板为泥岩、砂质泥岩和砂岩。见图8-2-1-1。 平顶山煤田内主要可采层多为稳定和较稳定煤层。煤质优良，对比清楚，且有规律可循。 表8-2-1-1 平顶山煤田主要可采煤层特征一览表 平顶山煤田的含煤地层由石炭系太原组、二叠系山西组和石盒子组组成。总厚约800m，含煤7组88层，自上而下为二叠系石盒子组的甲、乙、丙、丁、戊组煤和山西组的己组煤，石炭系太原组的庚组煤，煤层总厚约30m，含煤系数为3.75。区内主要可采煤层自上而下为丙3、丁5、丁6、戊8、戊9、戊10、己15、己16、己17、庚20。煤层总厚约30m，含可采煤层10层，可采煤层总厚1518 m。局部可采煤层有乙2、丁4、丁7、戊11、己14、庚21共6层。韩梁矿区由于长期遭受剥蚀，仅丁组及丁组以下的煤层被保存下来。矿区开采煤层除庚20煤层顶板为石灰岩外，其余各可采煤层顶板为泥岩、砂质泥岩和砂岩。见图8-2-1-1。 平顶山煤田内主要可采层多为稳定和较稳定煤层。煤质优良，对比清楚，且有规律可循。 三、矿区安全技术概况 矿区现有十二对生产矿井，四、五、八、十、十二矿为煤与瓦斯突出矿井;十一矿为高瓦斯矿井;一、二、六、大庄、高庄矿、朝川矿;为低瓦斯矿井。所采的丁、戊、己、庚四组煤层均有自然发火倾向，自然发火期312个月不等，最短的只有18d。煤尘均有爆炸危险性，爆炸指数为2842。建矿四十多年来，曾发生过特大瓦斯爆炸事故四次。特别是近几年来瓦斯涌出量增大，煤岩与瓦斯突出已到了非治不可的程度，尤其是1993年十一矿“58”和1996年十矿的“521”特大瓦斯爆炸事故，都一次次告诫我们，平顶山必须找到治理瓦 图8-2-1-1 平顶山矿区地层综合柱状图 斯的有效途径，从根本上治住瓦斯超限和煤岩与瓦斯突出，以确保安全生产。为此我们加强了安全管理，取得了“安全工作五条线”、“掘进工作面安全装备系列化”等一系列安全管理经验，在制约全公司发展的“一通三防”方面，加大了科技攻关力度， “九五”期间，平煤集团公司立项并组织实施了国家重点科研攻关项目矿井瓦斯综合治理示范工程配套技术的研究，与国内著名科研院校开展科技横向联合，取得了一大批具有国际、国内先进水平的科研成果，收到了良好的社会效益和经济效益，为平煤集团公司未来的健康发展打下了坚实的基础。 （一）瓦斯 平顶山矿区自1984年八矿发生第一次煤与瓦斯突出以来，截止2001年底共发生煤与瓦斯突出109次，总突出煤量5366t，瓦斯量417800m3，平均突出强度53.1t/次，瓦斯量4136.6m3/次，吨煤突出瓦斯量77.86m3/t。目前开采的丁组、戊组、己组三层煤均为突出煤层。目前生产的采区共有10个采区为突出采区，实测参数戊组煤层-300～-500m水平，瓦斯压力为1.12～3.1MPa，瓦斯含量为12.5～17.5m3/t；己组煤层-300～-500m水平，瓦斯压力为0.7～1.89MPa，瓦斯含量为8.1819.4 m3/t；十二矿井田受复杂地质条件的影响瓦斯压力、含量异常，在-370m水平实测瓦斯压力达2.16Mpa，瓦斯含量达25.6m3/t。详见表8-2-1-2。 表8-2-1-2 瓦斯涌出量、瓦斯压力表 全公司现有8对抽放矿井，建有抽放泵站21个（其中包括3个地面抽放站），现有瓦斯抽放主干管路42880m，从1992年开始进行瓦斯抽放经过8年的发展，目前抽放能力稳定在2500万m3的水平。 （二）煤层自然发火 所采丁、戊、己、庚等4组7层煤，均有自燃倾向，在开采过程中都曾发生过自然发火。发火期一般为612个月，个别为36个月。 表8-2-1-3 防灭火基本情况表 为加强对矿井煤层自然发火的管理，在十一矿、大庄矿、高庄矿使用FZI型火灾束管监测系统。 19621990年，发生内因火灾72次，封闭回采工作面15个，冻结煤量4.482Mt。1991年至今，未发生自然发火事故。防灭火基本情况见表8-2-1-3。 （三）粉尘 丁、戊、己、庚四组煤均有煤尘爆炸危险，爆炸指数一般在3642。基本情况见表8-2-1-4。 （四）矿井通风 通过扩修通风巷道和更换主要通风机等一系列矿井通风系统构造，使矿井通风状况得到了根本改善。全局14个生产矿井，除大庄矿与高庄矿为压入式通风外，均为抽出式通风，具体见表8-2-1-5。 表8-2-1-4 粉尘基本情况 表8-2-1-5 矿井通风概况 第二节 矿井安全综合治理技术 一、局部通风机自动切换监控器的应用 （一）概述 在高、突掘进工作面应用双风机供风，是平煤集团公司20世纪80年代中期在局部通风管理上的一大创新，它的推广应用有效地防止了因局部通风机停风造成的瓦斯超限和积聚，保障了掘进工作面的作业安全。但在实际应用中，往往因倒台装置工作不可靠、不合理，而造成风机停风导致瓦斯超限的事故时有发生。 目前，许多煤矿都是自行制作控制板，置于风机开关内部进行倒台。在使用中，两风机间的自动倒台和闭锁、风机对掘进工作面供电开关的闭锁和风机运行状态的监视这三个方面是相互独立的，安装使用不方便。存在的共性弊端一是自动倒台装置不规范不合理，倒台时没有延时，两风机无闭锁，不能自动互倒，停电不自保等，故障率高，可靠性差；二是开停传感器工作的可靠性易受环境电磁场的干扰和安装调整因素的影响；三是不具备防爆设备使用的合法性。特别是近几年来长距离高突掘进工作面大规模推广使用了节能高效的对旋式局部通风机后，双风机使用了４台开关，倒台控制更加困难，现有的技术装备已无法满足需要。 平煤集团公司随着开采深度的不断增大，煤层瓦斯含量也不断增大，特别是掘进工作面通风及电气设备较多，稍有不慎，就会造成工作面停风瓦斯超限事故，时刻威胁着煤矿安全生产，1993年平煤集团公司十一矿“58”特大瓦斯爆炸事故和1996年平煤集团公司十矿“521”特大瓦斯爆炸事故，都造成了重大人员伤亡和巨大的经济损失。此外，平煤集团公司要建设高产高效矿井，实现集约化生产，有些采煤工作面走向长度已达到2600多米，给掘进工作面的安全通风提出了更高的要求。 （二）KJD11型局部通风机自动切换监控器 1.功能 1）、双风机自动相互切换。当运行中的风机出现故障停机后，另一台风机自动启动，保证工作面供风不间断，切换时具有3～20s的延时功能，以免损坏分风器等设施。如果是对旋式局部通风机，则主风机的一级因故停运后，装置在切断另一级供电的同时，经过延时后依次启动副风机的二级，当副风机的二级因故都不能启动时，主风机的另一级保持正常运行，以免停风。 2）、双风机之间相互闭锁。一台风机（对旋式局部通风机的一级或二级）处于运行状态时，另一台风机无法启动，以免因强风损坏分风器和风筒等装置。 3）、风电瓦斯闭锁。当主风机（或主对旋式局部通风机的任一级）停止运行后，装置自动切断工作面动力设备电源。如果和监测系统配合使用，则当瓦斯超限后装置可进行瓦斯电闭锁，从而使风电瓦斯电闭锁更加方便可靠。 4）、风机运行状态监测。装置可以监测风机（包括对旋式局部通风机的各级）开关的工作状态，然后转换成标准的本质安全型开关量信号传输至监测系统分站，实现风机运行状态的自动监测。 5）、恢复供电风机不能自动启动。当双风机因停电都处于停止状态时，一旦恢复供电，则两台风机均不会自动启动，必须人工送电，以免在瓦斯超限且未处理的情况下自动送风。 6）、被控开关运行状态监测。装置可以监测被控开关负荷侧电压的状态，并转换成标准的本质安全型开关量信号传输至监测系统分站，实现闭锁控制的监测。 2.特点 1）、使用灵活。装置采用插件式结构，即可用JBT风机的倒台和监控，也可用于对旋式局部通风机的倒台和监控，而且可根据工作面实际情况，通过跳线设置，允许对旋式局部通风机一级工作一级备用。 2）、一机多用。一是完成风机倒台、闭锁控制和状态监测；二是实现风电闭锁控制并以电压方式监测被控开关负荷侧状态；三是与监测系统分站配合使用可以将风机开关和被控开关负荷侧的状态信号传输至地面中心站，监测系统能根据异常情况对装置发出控制指令，如瓦斯电闭锁。 3）、适应性强。装置接受监测系统分站发出的控制信号可以是触点或电压型；装置的控制输出可以是常开型或常闭型；在其它井下工作场所与监测系统配合使用可以单独做断电控制器使用；延时时间可调。 4）、当风机配用开关防爆型式为“ExdI”时，该装置开停及断电控制板必须由监测系统KDW2A型电源箱提供电源，如果为ExdibI时，装置的AC36V可取自磁力启动器控制变压器副端。 3.主要技术参数 1）、工作电压倒台控制电路AC36V，开停和断电控制电路DC21V 2）延时时间专、备用间3-20s可调，级间6-30s可调可调 3）开关量输出五组本安输出，触点型或电流型 4）控制量输出一组非本安型触点（常开/常闭），分断能力AC660V/250W 5）整机功耗120mA 6）控制量输入一组本安型触点（常开/常闭），或电压信号（由防爆检验合格的分站提供 7）防爆型式矿用隔爆兼本质安全型，防爆标志ExdibI150℃ 8）尺寸重量460X275X150mm,23kg （三）现场应用效果 目前，平煤集团公司已在井下使用KJD11型局部通风机自动切换监控器30套，现场使用情况反映，该装置性能可靠，方便灵活，大大提高了局部通风的安全可靠性，将掘进工作面的安全监测技术应用集于一身，功能齐全，因此，它可以有效防止因局部通风机停风造成瓦斯超限和积聚，促进安全生产，具有很好的社会和经济效益。 二、矿井瓦斯地质技术在平煤集团公司十二矿的应用 （一）矿井概况 十二矿井田位于乎顶山矿区东部，1960年投产，设计能力为0.30Mt/a，经四次扩大井田范围及改扩建工程后，现核定能力为0.90Mt/a，采用斜井阶段水平石门采区上下山开拓方式，混合抽出式通风。全矿井共有7个采区，己一一己五采区已开采结束，现有己六、己七两个采区生产。己六采区己15-17煤层，1989年被鉴定为突出煤层，己六采区被鉴定为突出采区。到目前为止，该采区共发生煤与瓦斯突出16次。已七采区己15煤层-350m以下水平定为突出区域，该区域到目前为止共发生煤与瓦斯突出5次。全矿井共发生煤与瓦斯突出21次。 十二矿井田内开采山西组己组煤层。己组煤共分三层，自上而下为己15、己16、已17。在井田范围内，三层煤间距变化较大，煤层时分时合。己六采区三层煤合并为己15-17煤层，煤层厚度为4.57.6m，平均5.4m。己七采区己15与己15-17分层，层间距为0.520m，一般为410m，己15煤层平均厚度为3.5m，横向上稳定分布，己16-17煤层厚度为0.82.9m，平均1.8m，煤层顶底板均为透气性较差的砂质泥岩。 （二）瓦斯地质条件分析 实践证明，煤层瓦斯含量及煤与瓦斯突出主要受地质构造控制，特别是井田内的中型地质构造。十二矿井田内的中型地质构造与煤田内的大型地质构造线一致，均为北西向，其中己六采区与己七采区位于不同的地质构造单元，瓦斯地质条件差异较大。 己六采区地质构造较为复杂。以牛庄向斜轴为界，南翼为单斜构造，易于瓦斯的排放，瓦斯含量低、压力小，相对瓦斯涌出量一般为510m3／t，为低瓦斯区，也没发生过煤与瓦斯突出；北翼位于中型地质构造牛庄向斜、郭庄背斜的公共翼及原十一矿逆断层、F2逆断层、牛庄逆断层的尖灭部位，其构造线走向与区域构造线方向一致，均为北西向，属于压性、压扭性构造应力区。受其影响，瓦斯含量高、压力大，相对瓦斯涌出量一般为1020m3／t，为高瓦斯区，并且存在着牛庄一F2逆断层挤压破坏带及牛庄向斜挤压破坏带，从而形成了两个构造煤条带，宽度在50150m之间，己六采区发生的16次煤与瓦斯突出全部发生在这两个构造煤条带中。该区内小断层十分发育，平均每100m发育两条，落差为0.36m，其发育方向及对煤层的破坏程度基本上可以分为三种类型一种是北东向断层，其数量少、落差小、构造煤不发育。另一种是北西向，密度较大,产状变化大，对煤体的破坏范围逆断层大于正断层。落差大于2m时，影响宽度达515m。落差大于4m的逆断层，全采区共有6条，构造煤宽度达20100m以上。再一种是南北向。数量较少，构造煤也不发育，产状稳定，可延伸100200m。构造煤仅分布于断层两侧。 己七采区地质条件较为简单，煤层产状、构造煤分布、瓦斯涌出及煤（岩）与瓦斯突出主要受区域性中型地质构造（即郭庄背斜）的控制。郭庄背斜为一直立开阔褶皱，走向北偏西50，轴部通过己七采区南部，造成己七采区己15煤层南高北低的赋存状态。其中上部倾角较缓，轴部基本水平，向下倾角由16逐渐增大，到中上部倾角达到30左右，最大达到38，向下又逐渐变小至10左右。受其影响导致浅部350m水平以上煤层顶、底板张性断裂发育，煤层普遍遭到破坏，形成构造煤，但瓦斯已释放，相对瓦斯涌出量一般为210m3／t，形成低瓦斯区。在350m以下的中深部，煤层基本未受破坏，硬度大，瓦斯压力大、含量高，瓦斯涌出量一般为1025m3／t，小断层不发育，落差为0.52.4m。每100m发育0.5条。但受区域构造控制，在己1517160和己1517170两采煤工作面附近有一煤层倾角变陡带，走向与煤层走向基本一致，倾角一般在3038以上，构造发育，己7采区发生的5次煤与瓦斯突出事故有4次发生在该变陡带内。另一次发生在己七采区深部、主要受一落差为0.5m逆断层影响，见表8-2-2-1。 采区 区域划分 相对瓦斯涌出量 （m3/t） 突出次数 构造单元 己六 危 险 区 威胁区 5～10 0 牛庄向斜南翼，单斜构造 一般区 0 位于背斜公共翼 突出带Ⅰ 10～20 3 牛庄向斜轴部挤压破碎带 突出带Ⅱ 13 牛庄F2逆断层挤压破碎带 己七 非突出区 2～10 0 郭庄背斜南翼，单斜构造 突 出 区 一般区 1 郭庄背斜北翼，单斜构造 突出带Ⅲ 10～25 4 煤层挤压破碎带（煤层倾角变陡带） 合 计 21 表8-2-2-1 平顶山十二矿瓦斯涌出及煤与瓦斯突出区域划分 （三）煤与瓦斯突出危险性区域划分 根据己六、己七采区瓦斯地质条件分析及煤与瓦斯突出规律，把十二矿己六采区己15-17煤层的突出危险性划分为“两区两带”，将己七采区己15煤层的突出危险性划分为 “两区一带”，见图8-2-2-1。 己六采区的“两区两带”为 1、 突出威胁区以牛庄向斜轴为界，南至采区边界，西至井田边界，东至己15-17煤层分岔线。长930m，宽350700m,面积51.2万m2，占整个采区面积的27.8％。 2、突出危险区北至采区边界，南至牛庄向斜轴，西至井田边界，东至采区己15l7煤层分岔线。长度为1400m，宽度为950m，面积为133万m2，占整个采区面积的72.2％。 在该区内又可分别划出一般突出区、突出危险Ⅰ、Ⅱ带三个区带。 3、牛庄向斜轴部突出带Ⅰ突出危险区中的突出条带。该突出条带内共发生3次煤与瓦斯突出，为一般突出带，位于牛庄向斜北边，平行于其轴部40140m的范围。长度为1350m，宽度为100m，面积为13.5万m2。 4、牛庄一F2逆断层突出带Ⅱ该突出条带内共发生13次煤与瓦斯突出，为严重突 出带，位于采区中北部，长度为l00m，宽度为80215m，面积约21.2万m2。 Ⅰ、Ⅱ突出危险带面积合计24.7万m2，占突出危险区的26.1％，占己6采区煤层的18.8. 己七采区的“两区一带” 1、非突出区350m水平以上为非突出区； 2、突出区-350m水平以下为突出区； 3、突出带Ⅲ突出区内的煤层倾角变陡带。 图8-2-2-1 平顶山十二矿己组煤层煤与瓦斯突出区域划分 （四）突出危险区域分级管理 平顶山十二矿突出危险区域分如下四级管理。 1、一级管理区非突出区域。不采取防治煤与瓦斯突出措施，直接进行施工。 2、二级管理区突出威胁区域。按照防治煤与瓦斯突出细则规定，采掘工作面每推进30～100m连续进行两次突出危险性预测，其中任何一次验证为有突出危险时，该区域改划为突出危险区域。 3、三级管理区突出危险区域。十二矿制定的防突措施规定，掘进工作面每推进1.5m、回采工作面每推进2m时进行一次突出危险性预测，若预测无突出危险可继续施工。 4、四级管理区突出条带ⅠⅢ。在该带内不再进行突出危险性预测，直接采取防突措施，效果检验后，决定是否掘进作业或回采。 （五）效果 截止目前为止，十二矿己六采区所发生的16次煤与瓦斯突出全部发生在突出危险区内的两个突出条带内，突出威胁区域内尚未发生过突出；己七采区发生的5次煤与瓦斯突出有4次发生在突出区域的突出条带内。对突出危险区域划分的准确性达100％，对突出条带划分的正确性达95％。 通过对以上突出危险区域划分及分级管理的应用，避免了在突出危险区域不采取防突措施而给职工的生命安全及国家财产造成的严重威胁，同时也避免了不分突出危险性大小一律采取防突措施所造成人力物力的巨大浪费。通过对突出危险区划分及分级管理，采取了针对性的措施，杜绝了突出伤亡事故，确保了安全生产。 三、掘进工作面防突综合配套技术的应用 随着采掘深度的增加和地质构造影响的加大，突出危险越来越严重，原防突技术措施装备明显不配套，效果和效率受到严重影响。如平煤集团公司八矿己15-14081风巷因突出严重，1998年以来，月进度均在30m以下，有时仅有10m左右，使采掘接替日益紧张，直接影响经济效益。究其主要原因是突出危险性预测与地质构造探测不配套，防突措施参数与地质构造变化不配套和防突技术措施与实施措施的装备不配套。平煤集团、重庆分院共同研究了煤巷掘进工作面防突综合配套技术。 一掘进工作面防突综合配套技术原理 防突综合配套技术原理是采用先进的地质雷达探测工作面前方大于60m范围内的地质构造，利用电磁辐射技术预测突出危险。在此基础上，研究确定与构造复杂程度和突出危险程度相适应的防突技术参数，并用专门研制的防突钻机实施防突措施，形成掘进工作面防突综合配套技术，大幅度提高掘进速度。其技术原理见框图8-2-2-2。 （二）应用现场概况 平煤集团公司八矿己15一1408l采面位于井田西翼己四采区首采工作面。风巷沿己15煤顶板施工，总工程量1353m。该采面上覆戊9-10煤层，间距160m，已开采，但未起到保护作用。下覆己16-17煤层，间距6m，尚未开采。己15煤层为突出煤层。 己1514081风巷煤层倾角2434，煤层顶板为砂质岩，底板为砂岩或砂质泥岩。无大的断层出现。煤厚3.23.5m左右．夹矸厚度较小、上下分层均为ⅠⅡ类结构煤，煤的坚固性系数在0.3左右；中部为软分层，煤层结构破坏类型为ⅢⅣ类，坚固性系数在0.3以下，软分层厚度变化较大．一般有2m左右，在局部构造破坏区域达3m以上。 确定工作面前方构造和工作面突出危险性 采用QFZ-22轻便型防突钻机快速实施措施 地质雷达非接触式探测工作 面前方大于60m的地质构造 确定超前钻孔措施参数或补充措施参数 电磁辐射非接触式 预测工作面突出危险 N 措施效果检验 Y 在安全防护措施下掘进 图8-2-2-2 技术原理框图 该巷道标高-375m，垂深477m，瓦斯含量15.7m3/t，2台28kW局部通风机，工作面风量在420 m3/min左右，瓦斯浓度在0.5％左右。试验前，该风巷于1996年4月3日发生了该矿最大一次突出，突出煤量478t、瓦斯量40217 m3。 掘进工作面采用超前钻孔排放瓦斯的防突措施，一般情况下打2排直径89mm、深l0m的排放钻孔，每排5个孔。采用2kW岩石电钻施工，速度为0．28m/min。由于推进速度慢和无专门处理卡钻办法，打一个循环钻孔需24h，掘进速度很慢，有时进尺仅0.3m/d左右。 （三）掘进工作面防突综合配套技术的应用 1、地质雷达探测技术的应用 1）地质雷达探测构造原理 矿井地质雷达是一种利用地下高频电磁波反射探测地质构造的装备，其探测原理是发射机通过发射天线向地下定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上遇到不同介质的界面时即发生反射；各个反射波与直达波被设置在发射天线的接收天线接收，通过采样器数字化后送入微机进行处理；取反射波往返时间之半乘以相应介质的电磁波传播速度便得出目标距离，再通过分析判断目标性质。 2）地质雷达探测构造方法 井下探测用的KDL3型矿井防爆地质雷达，由发射及接收天线、发射机、接收机、井下采样器及电源、笔记本电脑等组成，总重50kg左右。该仪器使用机动灵活，简便快捷，探测一次需2030min，分辩率高，探测距离大于60m。 探测点固定在巷道迎头的中间偏底部，通过改变不同的探测仰俯角和方位角而构成两个探测剖面，即垂直纵剖面和水平横剖面，如图8-2-2-3、图8-2-2-4所示。垂直剖面可以探测出煤层顶底板在巷道顶部和底部向巷道掘进前方60m范围内展布和摆动情况，而水平剖面展现的是煤层顶底板在巷道两帮的展布或摆动情况，这两张图件综合展现了各点上的探测结果。 在图8-2-2-3上,探测的仰俯角是仰角0水平、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、60。这些角度可比较均匀地控制煤层顶板在巷道顶部的延续情况；俯角1、2、3、4、5，可探测出巷道底部的煤层底板情况。如图8-2-2-4所示，在水平探测的角度分别向巷道左斜和右斜，向左斜的角度分别是5、10、15、20、30、40、60；向右斜的角度分别是3、5、8、10、15、20、30、40、60。这些角度分别探测煤层顶底板在巷道两帮的延伸情况。探测角度可根据实际情况变化。 图8-2-2-3 14081风巷地质雷达第一次超前探测垂直纵剖面（比例尺 1∶200） 图8-2-2-4 14081风巷地质雷达第一次超前探测水平从剖面（比例尺 1200） 3地质构造判别技术 通过波形特征分析判断地质构造变化。首先判断波形，从垂直剖面图和水平剖面图上找到对应的煤层顶底板位置，再从每个测点的顶底板的相对位置和纵向变化及连续性上判断有无断层、小褶曲及顶底板的起伏。 在三次探测试验中，垂直纵剖面和水平纵剖面上各测点的波形对煤层顶底板的反映是明显的，在顶底板位置上都有明显的反射，随着仰俯角的逐渐变小，探测距离增大，电磁波的入射线与这些界面的交角也逐渐变小，在顶底板界面上的反射能量变弱，波形幅度变小，但由于煤层与其顶底板的电性差异较大，反射还是很清楚的。正是由于这种较大的电性差异，当顶底板有一个较强的反射后，穿过顶板或底板传播再遇到下一界面时反射能量显著减弱。据此两点可准确判定顶底板的位置。若有断层等构造，则根据相同的原理可准确判断断层面。 由于煤层中的软分层与较硬煤层的电性差异小，更主要的是顺层探测时，各个俯角上的探测入射线与软分层的层面几乎平行，难以判断软分层厚度变化。因此，探测软分层较好的办法是垂直层面方向探侧，例如在近距离煤层中，沿某一巷道走向布置许多测点，垂直探测另一煤层的煤层及软分层厚度，同时可判定有无小构造及地质交化。 4地质雷达探测构造结果与验证 用KDL3型防爆矿井地质雷达对工作面前方地质构造进行了三次探测、各次探测距离分别为66m、66m和68m，在探测范围内煤层顶底板无大的起伏，未发现大的断层落差大于0.4m，实际揭露与探测结果相符。 用地质雷达探测工作面前方构造后，节省了探孔工程量和一些不必要的防突措施工程量。 2、电磁辐射预测工作面突出危险性技术的应用 1电磁辐射预测突出危险原理 在煤岩层受力破坏过程中发生电磁辐射现象是客观存在的。大量研究表明，电磁辐射有两个特点①辐射是频谱很宽的尖脉冲，频率的高低取决于煤岩层的种类，范围从1Hz至几百MHz；辐射信号的强度取决于煤岩层受到的作用力的大小以及和动力性质有关的煤岩破坏过程特性、煤的强度特性和变化特性；②辐射具有明显的方向性，即在沿纵向裂隙扩展面方向上接收到的信号强度最大。 煤巷掘进会造成工作面前方应力状态的改变，使煤岩破裂而产生电磁辐射。当工作面在无地质构造和无产状变化的均质煤体中等速推进时，每一循环之后，工作面前方的卸压带、应力集中带和原始应力带也相应地向前推进。此时，顶底板的移近速度大体相等，工作面前方煤岩体的破坏情况大体相同，所产生的电磁辐射强度均在临界值水平线下呈小幅度波动。在这种情况下，工作面处在无突出危险或突出威胁之中；当工作面前方出现某种类型的地质构造破环时，随着掘进工作面向前推进，有时会出现顶底板移近速度减慢，甚至不移近，这就是所谓的移近停滞现象。这种现象产生的前兆信息是随着工作面的推进，应力集中系数呈增长趋势，卸压带和应力集中带不明显，瓦斯保持较高压力，工作面前方煤岩体的破环活动加强，且破裂区迅速向前延伸和扩展。因而产生更强的电磁辐射，这时就可以根据电磁辐射的强度和方位来判断工作面的突出危险性。 2电磁辐射强度与突出危险关系 采用跟踪试验对比分析的方法研究电磁辐射强度简称电辐度与突出危险关系，是从l998年7月19日开始，至1998年l0月22日结束，累计跟踪试验巷道长度105m，，总共测试了30多个循环。 对比试验表明，电辐度Ⅰ同钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑瓦斯解吸指标△h2有着良好的对应关系，当q和△h2呈下降趋势，即工作面的突出危险性减小时，电辐度Ⅰ值也呈下降趋势当q或△h2呈上升趋势，即工作面的突出危险性增大时。电辐度Ⅰ值也呈上升趋势 。 工作面在采取防突技术措施前后电辐度值的对比见表8-2-2-2。从表8-2-2-2可以看出，采取防突措施后，除三个循环略有上升外这三个循环措施前后的电辐度Ⅰ值都较小，其余11个循环措施后的电幅度Ⅰ 均不同程度地下降。这表明措施后工作面的突出危险性减小，超前排放钻孔起到了防治突出的作用。 表8-2-2-2 措施前后电辐度Ⅰ对比 工作面位置 m 电辐度Ⅰ（相对量） 工作面位置 （m） 电辐度Ⅰ（相对量） 措施前 措施后 措施前 措施后 764.8 54 49 822.3 53 40 769.7 28 31 827.2 26 27 774.6 29 34 832.1 56 40 792.9 52 39 837.7 48 37 802.7 45 22 841.3 58 39 807.6. 56 38 864.0 60 35 812.5 27 26 869.0 68 42 注工作面位置是指工作面至巷道口中线点的距离。 可见，电辐度Ⅰ较好地反应了工作面前方的突出危险性，其预测突出危险性的敏感程度较高．可以作为八矿己15煤层掘进工作面预测突出危险性的一个指标。 3电磁辐射预测突出指标临界值的确定 通过将电辐度Ⅰ与原预测指标钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑瓦斯解吸指标△h2的临界值分别为4L/min、200Pa以及实际突出危险性进行对比，初步确定了电辐度Ⅰ的临界值。 与测定指标对比分析表明当Ⅰ＞50时，q＞4L／min或者△h2＞200Pa；当Ⅰ＜40时，q＜4L／min，△h2＜200Pa；在40≤I＜50的11个循环中，q＜4L/min，且△h2＞200Pa；安全掘进的有8个循环，占73％；而因q≥4L／min或者△h2＞200Pa采取了防突措施的有3次，占27％。这说明，当Ⅰ≥50时，工作面前方有突出危险；当Ⅰ＜40时，工作面前方无突出危险性；当40≤Ⅰ＜50时，则应根据钻孔法指标q、△h2等综合分析判断工作面的突出危险性。 此外，在打钻过程中发生喷孔、响煤炮动力现象前的电福度Ⅰ均大于50看，上述分析是符合实际的。1998年l0月15日工作面掘进至距开口中线点前864m处时，进行预测，Ⅰ＝60，随后打超前排放孔的过程中有响煤炮现象发生。采取防突措施后检验，Ⅰ＝35，q＝3．0L／min，△h2＝180Pa,说明突出危险已经消除，从而安全掘进5.0m。 对比分析得出，用电磁辐射预测突出危险性的有效距离为7.O12m。用电磁辐预测突出，操作简单、仪器轻便,只需一个人20min就可以完成整个测试工作，不需要钻孔作业。如果将预测安排在交接班期间进行，可以实现预测时不占用生产时间。 3、超前钻孔参数及钻孔布置 超前钻孔措施是向工作面前方打一定数量和深度的钻孔，使在钻孔控制范围内煤体的 瓦斯得到释放，应力得到缓解，从而达到消除突出危险的目的。如要达到上述目的，关键要确定超前钻孔的直径、深度、有效排放半径、钻孔深度和钻孔控制范围等参数。 己15煤层软分层的主要特点是煤质酥松，易垮，在破坏时扩容量大且扩容迅速，易造 成卡钻，钻孔穿过集中应力区时更是如此，但己15-14081风巷瓦斯压力不大，喷孔现象不很严重，因此，综合考虑钻孔排放瓦斯有效范围和钻孔时不发生严重喷孔等因素，超前钻孔直径选为89mm。 钻孔深度一般要求穿过应力集中带，同时要考虑掘进的正规循环作业进尺、5m措施超前距、措施效果检验孔深等因素。掘进队一般情况下每班可掘进2.5m左右，两班可掘进5m，效果检验钻孔深度为7m。这样，措施孔深为10m时，既能满足正规循环作业需要（每次循环用二个班掘进），又能满足措施安全超前距（5m）及效果检验孔深（每次循环效果检验一次，掘5m留2m安全煤柱）等要求。因此，综合考虑己15-14081风巷等实际情况，措施孔深定为10 m。 图8-2-2-5超前钻孔布置图 根据实际测定，直径89mm的排放钻孔在平行层理方向的有效排放半径为0.9m，垂直层理方向的有效排放半径按0.6m，经近几年的实践，该参数是比较合理的。 由于八矿突出绝大多数为小型突出，最大突出煤量也未超过500t，而且突出孔洞一般分布在工作面前方，因此，措施孔控制巷道两帮外23 m。根据以上参数和软分层厚度等，在一般情况下，布置2排钻孔，每排5个（图8-2-2-5）。遇构造或煤层厚度变化时，钻孔布置应根据具体情况而定。 4、QFZ-22轻便型防突钻机的应用 1特点 QFZ-22轻便型防突钻机采用了加大转矩倍数和启动转矩倍数为3.8的特殊电机，满足了遇夹矸和卡钻时所需的瞬时高转矩，为避免或处理卡钻提供了条件，既经济又合理。 为了灵活控制钻进速度，采用了手推动钻机在滑轨上滑动的钻进方式，在卸压带内钻进速度可加快，而在应力集中带内可根据钻进情况灵活控制速度，避免或减少卡钻次数，提高实施措施效率。 为了使每一个钻孔达到措施要求，专门设计了带有辅助测量钻孔参数的装置，能在打钻前方便地测量钻孔参数，而且钻架能保证在打钻过程中钻孔按预定参数钻进而不发生较大的变化。因此，钻架的应用使措施的可靠性得到了提高。 轻便型钻机的主要技术指标如下 额定功率 2.2kW 额定电压 127V 额定转矩 41Nm 最大转矩 156Nm 额定转速 520rpm 主机重量 30kg 钻孔直径 42-89mm 外型尺寸 460X355X230 另外，研制或选用了相应的螺旋钻杆和钻头，以达到钻孔时高效排粉的目的。 2应用效果 （1）软煤分层厚度变化较小时配套试验效果。利用钻架的辅助测量钻孔参数的功能，在钻进前移动并固定导轨，可方便确定钻孔参数，而且钻孔参数在钻进过程中不易改变，保证钻孔参数符合防突措施要求。当软分层厚度变化较小时，只要超前钻孔达到防突措施要求，就能达到防突效果。 （2）地质构造变化时配套试验效果。试验前通过地质雷达探测得知，在探测范围内煤层顶底板无大的起伏，未发现大的断层（落差＞0.4m）。但软分层的厚度变化不详。因此，在试验过程上主要通过实施超前钻孔时所发生的喷孔、卡钻、遇夹矸或顶（底）板和预测值异常等现象来分析软煤分层厚度的变化。 平煤集团公司八矿己15-14081风巷掘至832 m时，预测值q为14L/min大大超过临界值和前几个循环的预测值，据此分析，该工作面可能发生了地质变化，按原设计打10个超前钻孔后，效果检验表明仍有突出危险性；在钻孔未控制区域补打10个孔，再一次进行效果检验有效后安全掘进.经揭露发现，煤层倾角由24陡增至32，煤层层理发育，软分层增厚。该循环预测及效果检验值见表8-2-2-3。这一事实告诫我们，当预测指标发生变化时，应采取相应增补措施才能起到防治突出的效果。 表8-2-2-3 预测及效果检验值 项 目 q（L/min） △h2（Pa） 备 注 预测 14 40 按设计打10个超前钻孔 第一次检验 4.2 220 补打10个孔 第二次检验 3.2 140 安全掘进 （3）卡钻现象的防治。在突出煤层中打钻时，卡钻是经常遇到的现象。卡钻时，原来采用人工或绞车拉出钻杆的方法来处理。这样，既费时（有时需几小时），费力，又效率低下。现在，由于钻机最大转