煤巷掘進工作面瓦斯抽采技術研究

申宇鵬

(西山煤電股份公司 鎮城底礦，山西 古交 030203)

本文通過理論分析、數值計算和現場試驗，分析了高瓦斯低透氣煤層瓦斯自然排放半徑、瓦斯抽放半徑、瓦斯放散指數、煤的堅固系數和巷道周圍松動范圍等基礎參數。根據巷道圍巖的應力狀態、變形特征和靜壓條件下巷道支護彈塑性狀態圈模型，采用商用ANSY軟件強大的有限元分析功能，系統研究了爆破孔與導向孔之間應力狀態分布、爆破孔間距、爆破孔孔徑和裝藥耦合系數對卸壓增透的影響。采用六點差分法建立有限差分方程式，利用鉆孔瓦斯流動模型的計算軟件，模擬了抽放鉆孔周圍煤層瓦斯流動狀況和鉆孔周圍煤層瓦斯壓力與孔壁距離、抽放時間之間的關系，為深孔松動預裂爆破技術的現場實施和監測提供了有力的技術保障。提出了一種低透氣性高瓦斯煤層瓦斯治理的新方法，即先卸壓增透后抽放的方法，形成了卸壓增透、瓦斯抽放、邊抽邊掘的瓦斯突出和超限的綜合防治體系，形成了一套煤巷掘進工作面采用深孔松動預裂爆破施工工藝和安全技術措施，取得了較好的社會經濟效益。

1 問題提出

高瓦斯礦區隨著礦井開采范圍的不斷擴大，開采深度的增加，煤與瓦斯突出成為威脅礦井安全生產的主要因素之一。統計表明，煤層內采掘工作面的突出次數最多，占突出次數的94%。“煤與瓦斯突出防治細則”規定，在煤與瓦斯突出煤層中施工，必須采用“四位一體”的防突措施，其中采取的防突措施合理與否，不僅影響煤層防突效果的好壞，而且對煤巷掘進效率產生直接的影響。如淮南礦區C13煤層屬于低透氣性突出危險煤層，煤巷掘進過程中過去一般采用超前卸壓鉆孔排放或順層鉆孔抽放。實踐表明，不僅效果不明顯，而且由于掘進與抽排瓦斯矛盾突出，不適應高產高效的生產方式，制約了煤巷掘進生產效率的提高。本文探討了采用深孔預裂控制松動爆破結合巷旁走向鉆孔抽排瓦斯技術，有效地降低或消除煤巷掘進過程中煤與瓦斯突出，取得了較好的效果，產生了巨大的經濟效益。

2 試驗區域瓦斯地質概況

試驗掘進巷道為某礦550西一采區煤巷工作面下順槽，水平標高550 m，煤層地質結構較復雜，小斷層較多，上階段煤層正在回采，本階段煤層未掘進，煤層厚度4．58 ～6．34 m，平均 4．45 m，采用沿頂掘進，煤層傾角 6°～27°，平均 16°。屬于半亮—光亮型煤層。

該區段煤層屬高瓦斯煤層，煤層瓦斯含量為8～10 m3/t，有自東向西增加的趨勢，并且有突出危險性，煤層透氣性低，其原始透氣性系數僅為1．135×10－2m2/(MPa．d)。煤塵有爆炸危險性，其爆炸指數為33．3%;煤層有自燃發火危險性，自燃發火期3～6個月，地溫22℃ ～23℃，地壓較大。

3 控制松動爆破作用

含瓦斯煤體中進行深孔控制預裂爆破既不同于普通預裂爆破又不同于松動爆破，其目的是為了增加煤體的裂縫長度和范圍，以提高爆破煤體的透氣性，因此，它不僅要求在相鄰孔間連線方向形成貫穿裂縫，而且要求其它方向盡可能多地產生裂隙，使煤體內形成以炮孔為中心相互連通的裂隙網，為此在爆破孔周圍增加輔助自由面—控制孔。

深孔控制松動爆破是在工作面前方存在一定卸壓煤體防護下，在前方引爆幾個深孔炮眼形成煤體松動爆破，其中控制孔(不裝藥)在爆破過程中起到控制爆破方向與補償爆破裂縫空間作用。爆破后，炮眼周圍煤體的破裂與松動形成卸壓圈，從而使煤層透氣性系數大大增加。這樣，一方面，使煤體瓦斯得以緩慢排放、瓦斯含量減少、瓦斯壓力下降，同時，提高了煤體的堅固性;另一方面，使煤體原集中應力帶及高壓瓦斯帶移向煤體深部，這樣有利于消除煤質因軟硬不均而引起的應力集中，及由于地質構造引起的應力集中，降低煤體瓦斯壓力梯度和應力梯度，有利于防止煤與瓦斯突出的發生和發展，為工作面掘進創造較長的安全區和保護區。另外，由于深孔預裂爆破使工作面前方一定范圍煤體裂隙增大，增加了煤體透氣性，可以提高低透氣性煤層工作面巷旁走向長鉆孔瓦斯抽放率，實現煤巷掘進快速掘進。

4 具體施工工藝

4．1 深孔預裂控制松動爆破

4．1．1 深孔預裂控制爆破參數設計

1)爆破孔和控制孔孔徑。

由理論分析可知，爆破孔徑越大，裝藥量越多，爆破能量越大，導向及補償作用越顯著，因而，越有利于裂隙的形成和發展。但模擬計算和類似礦井條件經驗可知，隨著爆破孔孔徑的增大，透氣性系數提高，但不成正比例，當孔徑達到一定值后，透氣性系數提高的幅度隨著爆破孔孔徑的增大而逐漸減少，說明單純增大爆破孔孔徑來提高透氣性效果有限，一般爆破孔徑在42～75 mm較為合理，取d42 mm。

對于控制孔，在爆破孔與控制孔的水平線上，煤體受拉應力，當爆炸應力一定時，隨著控制孔孔徑的增大，其所受拉應力以四次冪級數增加，即隨控制孔孔徑增大，對裂隙的形成和擴展越有利，由于受打鉆設備和工藝安全等因素的限制，增大孔徑會帶來諸多不利因素，根據實際條件，選擇控制孔孔徑為d50 mm。

2)爆破孔控制孔間距。

當煤層條件一定時，孔間距的大小應與爆破孔和控制孔的直徑相匹配，在一個較合理的范圍內，才有利于裂隙的形成和發展，有利于提高煤層的透氣性。理論計算結果分析表明，合理的孔間距應不大于1 m，結合實際情況確定爆破孔和控制孔之間的距離為600 mm。

3)爆破孔和控制孔個數。

炸藥在無限介質中爆炸，由于爆炸產生的高溫高壓爆生氣體使介質周圍產生粉碎、松動和裂隙彈性震動，其影響范圍達到裝藥半徑的數倍，而松動裂隙區煤巖松動，產生徑向、縱向裂隙，其范圍達到更遠的區域。

根據西一采區掘進工作面煤層地質、采礦條件及巷道斷面布置瀟合煤層的瓦斯賦存情況，在現場試驗煤層條件下，綜合考慮到現場施工及爆破孔松動半徑的測定結果等因素，確定掘進工作面布置爆破孔3個，控制孔5個。

工作面鉆孔布置示意圖見圖1，鉆孔布置參數見表1，掘進距3．0 m，超前距5．0 m。

圖1 工作面鉆孔布置示意圖

4．1．2 施工工藝

1)鉆孔。

考慮西一采區下順槽掘進工作面的實際條件，采用煤電鉆施工，同時根據爆破孔和控制孔孔徑的要求對鉆頭直徑進行改造。要求在f＜0．3條件下，使成孔率達80%以上，保證鉆孔方向滿足設要求。

表1 深孔松動控制爆破鉆孔布置參數表

2)裝藥結構和裝藥工藝。

鉆孔完孔后，裝藥前對爆破孔用壓氣仔細吹凈鉆孔內鉆粉。為了提高炮孔利用率、爆破效果和裝藥速度，采用特制藥卷，正向起爆的裝藥結構，如圖2所示。每個爆破孔中放雷管2個，采用串聯起爆，雷管腳線用特制塑料電線加長，以防止瞎炮，炸藥卷用活節木炮棍送入孔底。

圖2 爆破孔裝藥結構圖

3)封孔工藝。

對爆破孔，兩段藥卷之間及第二段藥卷后部裝入不少于0．5m的水炮泥，水炮泥外充填長度不小于2m的略潮的黃泥，并封嚴實。

對控制孔，孔口用適量的水炮泥和黃泥封孔，放炮后最好能及時處理掉封孔煤泥，以利于排放煤層瓦斯。

4．2 巷旁鉆孔抽排瓦斯

巷旁走向鉆孔抽排瓦斯的作用主要是對深孔預裂控制松動爆破措施的補充和加強，充分利用預裂控制松動爆破對煤體產生的裂隙，提高煤層瓦斯抽放率;另外，在煤巷掘進過程中起到輔助探煤的作用。為了利用松動爆破使煤體透氣增大的特點，增加本煤層卸壓抽排瓦斯量，又盡可能減少鉆孔工程量，在煤巷兩旁分別布置鉆場，鉆場間距40 m，鉆場之間的壓岔距離為10 m，每個鉆場布置4個鉆孔，見圖3，鉆孔布置參數見表2。

圖3 巷旁瓦斯抽放鉆場及鉆孔布置示意圖

表2 巷旁鉆場鉆孔布里參數

5 結論及分析

5．1 煤巷瓦斯涌出趨于均勻

高瓦斯低透氣性煤層掘進工作面，往往在放炮瞬間會使煤層瓦斯突然大量涌出，造成工作面瓦斯濃度超限，對掘進工作面安全生產造成嚴重威脅。采取上述綜合措施后，由于爆破產生裂隙及集中應力帶前移，工作面前方煤體透氣性系數增大，使放炮前煤體預排瓦斯量大大增加，現場測定結果表明，工作面瓦斯涌出均勻，炮后瓦斯超限基本消除。

5．2 煤層突出危險性大大降低

由于煤體瓦斯含量降低，煤體的機械強度可以增高約1．2～1．56倍，煤的瓦斯放散初速度可以降低約1．13 ～1．43 倍。

5．3 巷旁鉆孔瓦斯抽放量增加

采取了深孔預裂控制松動爆破后，工作面前方煤體裂隙增大，使掘進工作面前方卸壓煤體中鉆孔瓦斯抽排量大大增加，與采取該措施前相比抽排瓦斯量提高20%～30%。但由于在煤層中的封孔困難，封孔質量較難保證，抽放瓦斯濃度較低。

5．4 提高生產效率

實施深孔預裂控制松動爆破技術結合巷旁走向長鉆孔抽排瓦斯綜合措施以前，該突出危險煤層掘進工作面掘進過程中，主要采用超前鉆孔排放瓦斯或掘進面超前預抽。一個完整循環至少需要2～4天，每天平均進度約1．0 m，月進尺約20～30 m。

實施上述綜合技術措施以后，其作用機理和作業循環如前所述，由于優化了作業程序，正常情況下，一個小班能完成爆破孔和控制孔的打鉆、裝藥、封孔和爆破整個過程，這樣可以實現每天平均進度約3．0 m，月進尺達80～90 m，大大提高了生產效率。

［1］ 劉吉昌．礦井設計指南［M］．徐州：中國礦業大學出版，1994：85－103．

［2］ 沈光寒．礦井特殊開采的理論與實踐［M］．北京：煤炭工業出版社，1992：99－112．

［3］ 孫寶錚，劉吉昌．煤礦開采設計［M］．徐州：中國礦業大學出版社，1986：114－123．

［4］ 中國礦業大學．井巷工程［M］．北京：煤炭工業出版社，2004：43－60．

［5］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．徐州：中國礦業大學出版社，1992：201－211．

［6］ 張國樞．通風安全學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2000：185－200．