新集二礦210108掘進工作面瓦斯綜合治理技術研究

裴文洲

(中煤新集能源股份有限公司 新集二礦,安徽 鳳臺 232181)

統計數據表明，我國每年所發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]，而深部開采所帶來高地應力、高瓦斯、高低溫等問題更為安全生產造成了更大的挑戰[5-7]，這必定會持續增加瓦斯災害發生的可能性。因此，煤礦瓦斯的治理工作作為保證煤礦安全生產的重要組成部分應得到足夠的重視。

瓦斯治理一般從礦井通風、瓦斯抽采角度進行，其中由于礦井通風能力比較有限，并不能從根本上解決煤礦瓦斯涌出問題，因而礦井通風只作為輔助措施實施，瓦斯抽采才是需要研究的重點[8]。本文通過對新集二礦1煤層組二水平2101采區210108工作面掘進過程中瓦斯涌出量的預測，結合預測結果和最大風排瓦斯量確定瓦斯抽采率，在掘進初期主要采用底板穿層鉆孔超前掩護預抽的方式，并輔助順層鉆孔預抽煤巷條帶及工作面順層鉆孔預抽煤層瓦斯的方式降低瓦斯涌出。采用鉆屑指標法進行效果檢驗，統計掘進過程中回風流瓦斯濃度及瓦斯涌出量隨時間的變化情況，得到機巷瓦斯涌出受煤層厚度變化的影響較大，當煤層厚度增大時，瓦斯涌出量會顯著增加的規律。

1 工作面概況

新集二礦210108工作面位于井田二水平2101采區，是該采區1煤層組的首采工作面。該工作面平均走向長1 273 m，平均傾向長149 m，煤層傾角平均8°，井下標高-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。該工作面測定瓦斯含量為3.6 m3/t ～7.71 m3/t，測定最大瓦斯壓力0.63 MPa，工作面內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，屬全區主要可采穩定煤層。210108工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。采煤機前滾筒沿頂板割煤，后滾筒沿底板割煤，截深800 mm，計劃正?；夭善陂g日產量為3 300 t。

2 機巷瓦斯涌出量預測

瓦斯涌出量預測常用的有礦山統計法和根據煤層瓦斯含量的分源預測法，前者適用于已具備完整瓦斯涌出量等實測資料的生產礦井，后者一般用于新建礦井的瓦斯涌出預測來確定礦井瓦斯等級[9]。因210108工作面是新集二礦1煤層組二水平2101采區的首采工作面，瓦斯涌出量等資料比較欠缺，因此適合采用分源預測法對其預測，并且該方法已在潞安、淮南、焦作、鶴壁等多個礦區實踐應用，預測效果良好，準確率基本在85%以上[10]。

根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》的規定，掘進工作面巷道煤壁及落煤的絕對瓦斯涌出量之和即為210108機巷掘進期間的瓦斯涌出量，預測結果為6.08 m3/min，其中掘進工作面巷道煤壁及落煤的絕對瓦斯涌出量分別由經驗式(1)及經驗式(2)進行計算:

(1)

qL=Svγ(W0-Wc).

(2)

式中:D是巷道斷面內暴露煤壁面的周邊長度，取13.25 m；v是巷道平均掘進速度，按月進度180 m計算取0.004 m/min；L是巷道掘進長度，為1 400 m；q0為煤壁瓦斯涌出強度，按照該礦經驗數據得到公式q0=0.026[0.000 4(Vr)2+0.16]W0計算，其中，Vr是煤中揮發份含量，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。

鑒于煤層各區域瓦斯分布的不均衡性，所預測的各區域瓦斯涌出量應乘以區域內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Kn.由于機巷在掘進過程中1煤層的瓦斯會大量涌入掘進工作面內，現將系數取1.1，因此預計機巷掘進期間預計瓦斯涌出量為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，該掘進工作面巷道暴露面積較大，下伏1煤層的卸壓瓦斯會不斷涌入已掘進巷道內造成瓦斯超限。因此，該掘進工作面的瓦斯治理不僅應考慮機巷掘進前的瓦斯預抽，還要考慮巷道掘進后煤壁及下伏1煤層卸壓瓦斯的抽采。

3 機巷瓦斯治理方法

3.1 瓦斯抽采方式

瓦斯抽采方式應根據礦井瓦斯涌出來源及涌出量構成，選擇適合煤層賦存狀況、巷道布置、地質條件、開采技術條件，能利用生產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、鉆場施工和抽采系統管網的設計，可增加鉆孔的抽采時間。

210108工作面采用綜合機械化掘進工藝，瓦斯涌出來源于迎頭掘進落煤、巷道煤壁落煤、1上煤層掘進后下伏1煤層卸壓瓦斯涌出。根據煤層賦存條件、瓦斯涌出構成和已有的巷道布置形式，機巷決定采用底板穿層鉆孔超前掩護預抽的方式。

3.2 瓦斯抽采參數

分別從工作面絕對瓦斯涌出量、工作面同時工作最多人數、工作面一次爆破的最大炸藥用量、斷電瓦斯濃度四個方面并結合類似掘進面配風情況綜合分析，獲得210108機巷的設計配風量為890 m3/min～1 000 m3/min。根據新集礦區掘進工作面管理規定，工作面掘進過程瓦斯濃度一般為0.4%～0.6%，按回風流中瓦斯濃度不超限計算得到最大風排瓦斯量為4 m3/min～5 m3/min。因該機巷掘進期間瓦斯涌出量為6.06 m3/min～6.68 m3/min，可看出僅靠通風不能滿足排放瓦斯的要求，必須對其進行瓦斯抽采，且瓦斯抽采量為1.06 m3/min～1.68 m3/min，抽采率應達到為15%～20%。

3.3 瓦斯治理措施

由于機巷初期掘進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預抽機巷的措施，鉆孔布置見圖1。在工作面截水巷中每50 m布置1個鉆場，每組鉆場施工20個鉆孔，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 底板穿層鉆孔預抽布置圖Fig.1 Layout of boreholes through floor for pre-drainage gas

依據底板穿層鉆孔15%的瓦斯抽采率對鉆孔控制范圍內的煤體進行評價，同一評價單元內瓦斯累計抽采量即為穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯抽采量，根據鉆孔控制長度、鉆孔控制寬度、煤層厚度、煤層原始瓦斯含量、容重的乘積計算得出評價區域的瓦斯總量，兩者的比值即為瓦斯抽采率。底板穿層鉆孔效果評價合格后，應按《防突規定》要求對工作面進行效果檢驗，合格且回風流瓦斯正常時方可恢復工作面掘進，同時保留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工作面100 m 以上。若評價不合格，則需延長抽采時間或補充超前預抽鉆孔，直至滿足抽采率要求。

經效果檢驗合格但回風瓦斯濃度仍大于0.6%時，則應采用順層鉆孔預抽煤巷條帶及工作面順層鉆孔預抽煤層瓦斯的方式解決瓦斯涌出問題。順層鉆孔預抽煤巷條帶需在機巷兩幫分別施工一個的巷幫鉆場以控制工作面前方瓦斯涌出量，設計鉆場間距為40 m，鉆孔布置見圖2?？刂泼罕谕咚褂砍龅墓ぷ髅骓槍鱼@孔采用扇形布置來預抽1上煤層及1煤層瓦斯，孔深約20 m～100 m，鉆孔布置見圖3。

圖2 預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個鉆場，其中底板穿層鉆孔控制巷道長度約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域煤層最大瓦斯含量6.9 m3/t?？捎嬎愠鲈u價單元底板穿層鉆孔控制范圍內瓦斯量為47.15萬m3，而評價區域底板穿層鉆孔瓦斯總抽采量為8.44萬m3，所以評價單元內底板穿層鉆孔預抽率約為17.9%，這說明底板穿層鉆孔預抽有效，效果檢驗合格后可實施煤巷掘進。效果檢驗選擇鉆屑指標法使用MD-2瓦斯解吸儀實現，首先在掘進工作面布置3個預測孔，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深度為8 m～10 m，其中1個鉆孔位于巷道中部與掘進方向一致，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，鉆孔布置見圖4。鉆孔從第2 m開始，每進1 m測定一次鉆屑量，每進2 m測定一次鉆屑瓦斯解吸指標，統計得出鉆屑瓦斯解吸指標最大值為100 Pa，鉆屑量指標最大值為3.9 kg/m，均在指標臨界值以下，這說明該工作面在掘進過程中并無瓦斯異?，F象發生，保證了工作面的安全掘進。

圖4 掘進工作面預測鉆孔布置Fig.4 Layout of predicting boreholes in driving face

機巷采用穿層鉆孔輔以順層鉆孔預抽措施，經抽采評價達標且效果檢驗合格后允許掘進，該工作面機巷掘進過程中瓦斯濃度及瓦斯涌出量隨時間的分布分別如圖5、圖6所示。由圖可知，該工作面機巷的回風流瓦斯濃度范圍為0.1%～0.56%，機巷掘進時瓦斯涌出量范圍為0.84 m3/min ～5.4 m3/min，瓦斯濃度及瓦斯涌出量變化都較大，主要原因是1上煤層及1煤層賦存不穩定。該煤層剛開始掘進時有1煤層、1上煤層共兩層煤，煤層厚度為5.8 m ～7.0 m，巷道掘進時回風流瓦斯濃度為0.25%～0.56%，瓦斯涌出量為2.5 m3/min ～5.4 m3/min。在掘進到57 d時，1上煤層出現尖滅現象，兩煤層合并為單一煤層，煤層厚度變為3 m左右，巷道掘進時回風流瓦斯濃度為0.10%～0.25%，瓦斯涌出量為0.84 m3/min～2.5 m3/min，瓦斯濃度較兩層煤時明顯變小。在此期間，機巷的掘進速度為6 m/d ～18 m/d，平均10 m/d。

圖5 機巷掘進時瓦斯濃度的變化Fig.5 Gas content variation of machine lane driving

圖6 機巷掘進時瓦斯涌出量的變化Fig.6 Gas emission variation of machine lane driving

分析可知，210108工作面機巷瓦斯涌出受煤層厚度變化的影響較大，當機巷掘進至1上煤層尖滅區域時，瓦斯涌出量明顯降低，當煤層厚度增大時，瓦斯涌出量又會顯著增加。但機巷掘進期間不管是煤層變厚還是遇到煤層尖滅，其回風瓦斯濃度一直滿足小于0.6%的要求，因此無需采用順層鉆孔預抽煤巷條帶或工作面順層鉆孔預抽煤層瓦斯；瓦斯涌出量最大為5.4 m3/min，通過底板穿層鉆孔掩護預抽后，掘進工作面風排瓦斯量4 m3/min～5 m3/min的能力已基本滿足工作面的通風要求；巷道掘進速度平均為10 m/d，實現了煤巷的安全掘進。綜上所述，該機巷瓦斯綜合治理措施具備有效及合理性，可以進行推廣使用。

5 結論

1)210108工作面作為采區的首采工作面，采用分源預測法對掘進時期的瓦斯涌出量進行預測，預測結果為6.08 m3/min～6.68 m3/min。結合預測結果和掘進過程中最大風排瓦斯量，確定抽采率應達到15%～20%。在機巷掘進初期采用底板穿層鉆孔超前掩護預抽的方式進行瓦斯控制，經《防突規定》效果檢驗合格后若回風瓦斯濃度仍大于0.6%，則采用順層鉆孔預抽煤巷條帶及工作面順層鉆孔預抽煤層瓦斯的方式降低瓦斯涌出。

2)在評價單元內底板穿層鉆孔控制范圍內瓦斯預抽率達到17.9%，大于抽采率合格值15%，說明底板穿層鉆孔預抽有效。通過統計得出鉆屑瓦斯解吸指標最大值為100 Pa，鉆屑量指標最大值為3.9 kg/m，分別與指標臨界值對比結果表明效果檢驗合格，這意味著該工作面在掘進過程中并無瓦斯異常現象發生。

3)在掘進過程中及時統計瓦斯濃度及瓦斯涌出量隨時間的變化情況，可知機巷的回風流瓦斯濃度范圍為0.1%～0.56%，瓦斯涌出量范圍為0.84 m3/min～5.4 m3/min。其中掘進的前57 d里兩者的統計結果要比57 d以后的值大得多，表明機巷瓦斯涌出受煤層厚度變化的影響較大，當煤層厚度增大時，瓦斯涌出量會顯著增加。

4)機巷掘進期間不管煤層變厚還是變薄，其回風瓦斯濃度及瓦斯涌出量均滿足安全掘進的指標。采用同樣瓦斯治理技術控制該工作面風巷掘進的瓦斯涌出，發現煤層厚度較機巷薄，平均3.5 m左右，統計可知掘進期間瓦斯涌出量為1.0 m3/min～3.0 m3/min，僅采用風排結合提前施工順層抽采鉆孔即可保證安全掘進。

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