裴文洲

(中煤新集能源股份有限公司 新集二礦,安徽 鳳臺(tái) 232181)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)每年所發(fā)生的煤礦安全事故中，有30%以上都是由瓦斯引起的[1]。如果礦井的煤層瓦斯涌出量不能得到很好控制，很可能造成煤礦瓦斯的燃燒與爆炸[2]，并且我國(guó)煤礦的開采深度正以每年10 m～30 m的速度向深部延伸[3-4]，而深部開采所帶來(lái)高地應(yīng)力、高瓦斯、高低溫等問(wèn)題更為安全生產(chǎn)造成了更大的挑戰(zhàn)[5-7]，這必定會(huì)持續(xù)增加瓦斯災(zāi)害發(fā)生的可能性。因此，煤礦瓦斯的治理工作作為保證煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分應(yīng)得到足夠的重視。

瓦斯治理一般從礦井通風(fēng)、瓦斯抽采角度進(jìn)行，其中由于礦井通風(fēng)能力比較有限，并不能從根本上解決煤礦瓦斯涌出問(wèn)題，因而礦井通風(fēng)只作為輔助措施實(shí)施，瓦斯抽采才是需要研究的重點(diǎn)[8]。本文通過(guò)對(duì)新集二礦1煤層組二水平2101采區(qū)210108工作面掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)，結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果和最大風(fēng)排瓦斯量確定瓦斯抽采率，在掘進(jìn)初期主要采用底板穿層鉆孔超前掩護(hù)預(yù)抽的方式，并輔助順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶及工作面順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的方式降低瓦斯涌出。采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行效果檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)過(guò)程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃巴咚褂砍隽侩S時(shí)間的變化情況，得到機(jī)巷瓦斯涌出受煤層厚度變化的影響較大，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)，瓦斯涌出量會(huì)顯著增加的規(guī)律。

1 工作面概況

新集二礦210108工作面位于井田二水平2101采區(qū)，是該采區(qū)1煤層組的首采工作面。該工作面平均走向長(zhǎng)1 273 m，平均傾向長(zhǎng)149 m，煤層傾角平均8°，井下標(biāo)高-643.1 m～-591.4 m，工作面下部施工有截水巷，距1煤層底板10 m左右。該工作面測(cè)定瓦斯含量為3.6 m3/t ～7.71 m3/t，測(cè)定最大瓦斯壓力0.63 MPa，工作面內(nèi)1煤層-650 m水平以上鑒定為非突出煤層，其厚度范圍0.1 m～5.9 m，平均3.9 m，煤層厚度變化小，屬全區(qū)主要可采穩(wěn)定煤層。210108工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。采煤機(jī)前滾筒沿頂板割煤，后滾筒沿底板割煤，截深800 mm，計(jì)劃正常回采期間日產(chǎn)量為3 300 t。

2 機(jī)巷瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

瓦斯涌出量預(yù)測(cè)常用的有礦山統(tǒng)計(jì)法和根據(jù)煤層瓦斯含量的分源預(yù)測(cè)法，前者適用于已具備完整瓦斯涌出量等實(shí)測(cè)資料的生產(chǎn)礦井，后者一般用于新建礦井的瓦斯涌出預(yù)測(cè)來(lái)確定礦井瓦斯等級(jí)[9]。因210108工作面是新集二礦1煤層組二水平2101采區(qū)的首采工作面，瓦斯涌出量等資料比較欠缺，因此適合采用分源預(yù)測(cè)法對(duì)其預(yù)測(cè)，并且該方法已在潞安、淮南、焦作、鶴壁等多個(gè)礦區(qū)實(shí)踐應(yīng)用，預(yù)測(cè)效果良好，準(zhǔn)確率基本在85%以上[10]。

根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》的規(guī)定，掘進(jìn)工作面巷道煤壁及落煤的絕對(duì)瓦斯涌出量之和即為210108機(jī)巷掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量，預(yù)測(cè)結(jié)果為6.08 m3/min，其中掘進(jìn)工作面巷道煤壁及落煤的絕對(duì)瓦斯涌出量分別由經(jīng)驗(yàn)式(1)及經(jīng)驗(yàn)式(2)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

qL=Svγ(W0-Wc).

(2)

式中:D是巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長(zhǎng)度，取13.25 m；v是巷道平均掘進(jìn)速度，按月進(jìn)度180 m計(jì)算取0.004 m/min；L是巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度，為1 400 m；q0為煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，按照該礦經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到公式q0=0.026[0.000 4(Vr)2+0.16]W0計(jì)算，其中，Vr是煤中揮發(fā)份含量，約29.16%;W0是煤層原始瓦斯含量，取最大值6.9 m3/t；S為掘進(jìn)巷道斷面積，約16.25 m2；γ是煤的密度，1.42 t/m3；Wc為煤的殘存瓦斯含量，取1.5 m3/t。

鑒于煤層各區(qū)域瓦斯分布的不均衡性，所預(yù)測(cè)的各區(qū)域瓦斯涌出量應(yīng)乘以區(qū)域內(nèi)最高瓦斯涌出量與平均瓦斯涌出量的比值即瓦斯涌出不均衡系數(shù)Kn.由于機(jī)巷在掘進(jìn)過(guò)程中1煤層的瓦斯會(huì)大量涌入掘進(jìn)工作面內(nèi)，現(xiàn)將系數(shù)取1.1，因此預(yù)計(jì)機(jī)巷掘進(jìn)期間預(yù)計(jì)瓦斯涌出量為6.08 m3/min～6.68 m3/min，其中煤壁瓦斯涌出量為5.63 m3/min～6.19 m3/min，占瓦斯涌出總量的84%～92%，落煤瓦斯涌出量為0.45 m3/min～0.50 m3/min，約占瓦斯涌出總量的8%～16%。

特別注意，該掘進(jìn)工作面巷道暴露面積較大，下伏1煤層的卸壓瓦斯會(huì)不斷涌入已掘進(jìn)巷道內(nèi)造成瓦斯超限。因此，該掘進(jìn)工作面的瓦斯治理不僅應(yīng)考慮機(jī)巷掘進(jìn)前的瓦斯預(yù)抽，還要考慮巷道掘進(jìn)后煤壁及下伏1煤層卸壓瓦斯的抽采。

3 機(jī)巷瓦斯治理方法

3.1 瓦斯抽采方式

瓦斯抽采方式應(yīng)根據(jù)礦井瓦斯涌出來(lái)源及涌出量構(gòu)成，選擇適合煤層賦存狀況、巷道布置、地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件，能利用生產(chǎn)巷道減少抽采工程量的抽采瓦斯方式，以提高瓦斯抽采效果，降低抽采成本,并且有利于鉆孔、鉆場(chǎng)施工和抽采系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，可增加鉆孔的抽采時(shí)間。

210108工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，瓦斯涌出來(lái)源于迎頭掘進(jìn)落煤、巷道煤壁落煤、1上煤層掘進(jìn)后下伏1煤層卸壓瓦斯涌出。根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯涌出構(gòu)成和已有的巷道布置形式，機(jī)巷決定采用底板穿層鉆孔超前掩護(hù)預(yù)抽的方式。

3.2 瓦斯抽采參數(shù)

分別從工作面絕對(duì)瓦斯涌出量、工作面同時(shí)工作最多人數(shù)、工作面一次爆破的最大炸藥用量、斷電瓦斯?jié)舛人膫€(gè)方面并結(jié)合類似掘進(jìn)面配風(fēng)情況綜合分析，獲得210108機(jī)巷的設(shè)計(jì)配風(fēng)量為890 m3/min～1 000 m3/min。根據(jù)新集礦區(qū)掘進(jìn)工作面管理規(guī)定，工作面掘進(jìn)過(guò)程瓦斯?jié)舛纫话銥?.4%～0.6%，按回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀抻?jì)算得到最大風(fēng)排瓦斯量為4 m3/min～5 m3/min。因該機(jī)巷掘進(jìn)期間瓦斯涌出量為6.06 m3/min～6.68 m3/min，可看出僅靠通風(fēng)不能滿足排放瓦斯的要求，必須對(duì)其進(jìn)行瓦斯抽采，且瓦斯抽采量為1.06 m3/min～1.68 m3/min，抽采率應(yīng)達(dá)到為15%～20%。

3.3 瓦斯治理措施

由于機(jī)巷初期掘進(jìn)期間瓦斯涌出量較大，因此新集二礦采用底板穿層鉆孔掩護(hù)預(yù)抽機(jī)巷的措施，鉆孔布置見(jiàn)圖1。在工作面截水巷中每50 m布置1個(gè)鉆場(chǎng)，每組鉆場(chǎng)施工20個(gè)鉆孔，鉆孔間距為10 m×15 m，控制巷道輪廓線外15 m范圍。

1-a 平面示意圖

1-b 剖面示意圖圖1 底板穿層鉆孔預(yù)抽布置圖Fig.1 Layout of boreholes through floor for pre-drainage gas

依據(jù)底板穿層鉆孔15%的瓦斯抽采率對(duì)鉆孔控制范圍內(nèi)的煤體進(jìn)行評(píng)價(jià)，同一評(píng)價(jià)單元內(nèi)瓦斯累計(jì)抽采量即為穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯抽采量，根據(jù)鉆孔控制長(zhǎng)度、鉆孔控制寬度、煤層厚度、煤層原始瓦斯含量、容重的乘積計(jì)算得出評(píng)價(jià)區(qū)域的瓦斯總量，兩者的比值即為瓦斯抽采率。底板穿層鉆孔效果評(píng)價(jià)合格后，應(yīng)按《防突規(guī)定》要求對(duì)工作面進(jìn)行效果檢驗(yàn)，合格且回風(fēng)流瓦斯正常時(shí)方可恢復(fù)工作面掘進(jìn)，同時(shí)保留10 m的超前距，邊探邊掘，其中截水巷底板穿層鉆孔超前掘進(jìn)工作面100 m 以上。若評(píng)價(jià)不合格，則需延長(zhǎng)抽采時(shí)間或補(bǔ)充超前預(yù)抽鉆孔，直至滿足抽采率要求。

經(jīng)效果檢驗(yàn)合格但回風(fēng)瓦斯?jié)舛热源笥?.6%時(shí)，則應(yīng)采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶及工作面順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的方式解決瓦斯涌出問(wèn)題。順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶需在機(jī)巷兩幫分別施工一個(gè)的巷幫鉆場(chǎng)以控制工作面前方瓦斯涌出量，設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)間距為40 m，鉆孔布置見(jiàn)圖2?？刂泼罕谕咚褂砍龅墓ぷ髅骓槍鱼@孔采用扇形布置來(lái)預(yù)抽1上煤層及1煤層瓦斯，孔深約20 m～100 m，鉆孔布置見(jiàn)圖3。

圖2 預(yù)抽煤巷條帶的順層鉆孔布置 Fig.2 Layout of boreholes along seam for stripe gas in pre-drainage coal roadway

圖3 1煤層預(yù)抽煤層瓦斯的順層鉆孔布置Fig.3 Layout of boreholes along seam for gas in pre-drianage coal seam

4 機(jī)巷瓦斯治理效果考察

新集二礦于2012年4月至6月期間，在210108工作面共施工了5個(gè)鉆場(chǎng)，其中底板穿層鉆孔控制巷道長(zhǎng)度約250 m，傾向控制范圍約35 m，煤層平均厚度約5.5 m，底板穿層鉆孔控制區(qū)域煤層最大瓦斯含量6.9 m3/t?？捎?jì)算出評(píng)價(jià)單元底板穿層鉆孔控制范圍內(nèi)瓦斯量為47.15萬(wàn)m3，而評(píng)價(jià)區(qū)域底板穿層鉆孔瓦斯總抽采量為8.44萬(wàn)m3，所以評(píng)價(jià)單元內(nèi)底板穿層鉆孔預(yù)抽率約為17.9%，這說(shuō)明底板穿層鉆孔預(yù)抽有效，效果檢驗(yàn)合格后可實(shí)施煤巷掘進(jìn)。效果檢驗(yàn)選擇鉆屑指標(biāo)法使用MD-2瓦斯解吸儀實(shí)現(xiàn)，首先在掘進(jìn)工作面布置3個(gè)預(yù)測(cè)孔，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深度為8 m～10 m，其中1個(gè)鉆孔位于巷道中部與掘進(jìn)方向一致，其它鉆孔終孔位于巷底輪廓線下方2 m，兩幫終孔位于巷道輪廓線外2 m～4 m，鉆孔布置見(jiàn)圖4。鉆孔從第2 m開始，每進(jìn)1 m測(cè)定一次鉆屑量，每進(jìn)2 m測(cè)定一次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值為100 Pa，鉆屑量指標(biāo)最大值為3.9 kg/m，均在指標(biāo)臨界值以下，這說(shuō)明該工作面在掘進(jìn)過(guò)程中并無(wú)瓦斯異常現(xiàn)象發(fā)生，保證了工作面的安全掘進(jìn)。

圖4 掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)鉆孔布置Fig.4 Layout of predicting boreholes in driving face

機(jī)巷采用穿層鉆孔輔以順層鉆孔預(yù)抽措施，經(jīng)抽采評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)且效果檢驗(yàn)合格后允許掘進(jìn)，該工作面機(jī)巷掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯?jié)舛燃巴咚褂砍隽侩S時(shí)間的分布分別如圖5、圖6所示。由圖可知，該工作面機(jī)巷的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确秶鸀?.1%～0.56%，機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)瓦斯涌出量范圍為0.84 m3/min ～5.4 m3/min，瓦斯?jié)舛燃巴咚褂砍隽孔兓驾^大，主要原因是1上煤層及1煤層賦存不穩(wěn)定。該煤層剛開始掘進(jìn)時(shí)有1煤層、1上煤層共兩層煤，煤層厚度為5.8 m ～7.0 m，巷道掘進(jìn)時(shí)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.25%～0.56%，瓦斯涌出量為2.5 m3/min ～5.4 m3/min。在掘進(jìn)到57 d時(shí)，1上煤層出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象，兩煤層合并為單一煤層，煤層厚度變?yōu)? m左右，巷道掘進(jìn)時(shí)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.10%～0.25%，瓦斯涌出量為0.84 m3/min～2.5 m3/min，瓦斯?jié)舛容^兩層煤時(shí)明顯變小。在此期間，機(jī)巷的掘進(jìn)速度為6 m/d ～18 m/d，平均10 m/d。

圖5 機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)瓦斯?jié)舛鹊淖兓疐ig.5 Gas content variation of machine lane driving

圖6 機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)瓦斯涌出量的變化Fig.6 Gas emission variation of machine lane driving

分析可知，210108工作面機(jī)巷瓦斯涌出受煤層厚度變化的影響較大，當(dāng)機(jī)巷掘進(jìn)至1上煤層尖滅區(qū)域時(shí)，瓦斯涌出量明顯降低，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)，瓦斯涌出量又會(huì)顯著增加。但機(jī)巷掘進(jìn)期間不管是煤層變厚還是遇到煤層尖滅，其回風(fēng)瓦斯?jié)舛纫恢睗M足小于0.6%的要求，因此無(wú)需采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶或工作面順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯；瓦斯涌出量最大為5.4 m3/min，通過(guò)底板穿層鉆孔掩護(hù)預(yù)抽后，掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯量4 m3/min～5 m3/min的能力已基本滿足工作面的通風(fēng)要求；巷道掘進(jìn)速度平均為10 m/d，實(shí)現(xiàn)了煤巷的安全掘進(jìn)。綜上所述，該機(jī)巷瓦斯綜合治理措施具備有效及合理性，可以進(jìn)行推廣使用。

5 結(jié)論

1)210108工作面作為采區(qū)的首采工作面，采用分源預(yù)測(cè)法對(duì)掘進(jìn)時(shí)期的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果為6.08 m3/min～6.68 m3/min。結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果和掘進(jìn)過(guò)程中最大風(fēng)排瓦斯量，確定抽采率應(yīng)達(dá)到15%～20%。在機(jī)巷掘進(jìn)初期采用底板穿層鉆孔超前掩護(hù)預(yù)抽的方式進(jìn)行瓦斯控制，經(jīng)《防突規(guī)定》效果檢驗(yàn)合格后若回風(fēng)瓦斯?jié)舛热源笥?.6%，則采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶及工作面順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的方式降低瓦斯涌出。

2)在評(píng)價(jià)單元內(nèi)底板穿層鉆孔控制范圍內(nèi)瓦斯預(yù)抽率達(dá)到17.9%，大于抽采率合格值15%，說(shuō)明底板穿層鉆孔預(yù)抽有效。通過(guò)統(tǒng)計(jì)得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值為100 Pa，鉆屑量指標(biāo)最大值為3.9 kg/m，分別與指標(biāo)臨界值對(duì)比結(jié)果表明效果檢驗(yàn)合格，這意味著該工作面在掘進(jìn)過(guò)程中并無(wú)瓦斯異?，F(xiàn)象發(fā)生。

3)在掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)統(tǒng)計(jì)瓦斯?jié)舛燃巴咚褂砍隽侩S時(shí)間的變化情況，可知機(jī)巷的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确秶鸀?.1%～0.56%，瓦斯涌出量范圍為0.84 m3/min～5.4 m3/min。其中掘進(jìn)的前57 d里兩者的統(tǒng)計(jì)結(jié)果要比57 d以后的值大得多，表明機(jī)巷瓦斯涌出受煤層厚度變化的影響較大，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)，瓦斯涌出量會(huì)顯著增加。

4)機(jī)巷掘進(jìn)期間不管煤層變厚還是變薄，其回風(fēng)瓦斯?jié)舛燃巴咚褂砍隽烤鶟M足安全掘進(jìn)的指標(biāo)。采用同樣瓦斯治理技術(shù)控制該工作面風(fēng)巷掘進(jìn)的瓦斯涌出，發(fā)現(xiàn)煤層厚度較機(jī)巷薄，平均3.5 m左右，統(tǒng)計(jì)可知掘進(jìn)期間瓦斯涌出量為1.0 m3/min～3.0 m3/min，僅采用風(fēng)排結(jié)合提前施工順層抽采鉆孔即可保證安全掘進(jìn)。

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