高瓦斯礦井煤巷掘進工作面瓦斯治理研究

李 波

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在礦井五大自然災害中，瓦斯危害排名第一，瓦斯治理關系到整個礦井開采和生產效益，必須要高度重視。根據相關統計表明，煤巷掘進工作面突出煤層占比較高，且突出次數高達94%以上。而突出煤層瓦斯含量高，危險系數大，對工作人員而言，生命健康威脅大，因此對瓦斯的治理至關重要，特別是在綜合機械化掘進中瓦斯的分級治理[1]。所以，對高瓦斯礦井煤巷掘進工作面實施瓦斯分級治理具有非常重要的現實意義。

1 高瓦斯礦井煤巷掘進工作面概述

某礦是高瓦斯礦井，094采區8號礦井4號煤層為主采煤層，煤層平均厚度為5.8 m，以中厚煤層為主，頂層的黑色泥巖平均厚度為3.2 m，含菱鐵、夾鋁土泥巖，底板灰黑色砂質泥巖平均厚度為5.4 m，煤層原始瓦斯含量為12.4 m3/t，相對瓦斯涌出量為23.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量為58.4 m3/t，堅固性系數f=0.28～0.48，透氣性系數為0.47 m/（MPa·d）。4號煤層掘進工作屬于破壞類型，在掘進工作中很容易出現噴孔、抱鉆、頂鉆、卡鉆等瓦斯動力現象。因此，在高瓦斯礦井煤巷掘進工作面作業時，使用常規瓦斯治理方法，很難有效解決瓦斯超限和雙巷掘進過程中所產生的問題，所以在煤巷掘進工作面掘進過程中，必須要根據實際情況，采取分層治理，使用各種有效的技術對其進行綜合治理，比如“四位一體”，這樣才能有效實現瓦斯綜合防治的理想效果，保障煤層掘進工作高效運行，避免各種危險事故發生，提高礦井煤巷開采的安全性和質量。

2 高瓦斯礦井煤巷掘進工作面瓦斯分級治理方法

2.1 工作面通風

在瓦斯含量＜8 m3/t區域中。高瓦斯礦井煤巷掘進工作面通風是最基礎的瓦斯治理方法，因此應科學選擇合理的通風系統，既能為掘進工作面提供充足的風量，還能在一定程度上保證掘進工作面的瓦斯安全。在絕大多數高瓦斯礦井煤巷掘進工作面中，局部通風治理瓦斯比較常見，通風量控制在300～800 m3/min，可采取大型通風機雙機電機供風（如圖1所示），比如FBD NO.5.0/2×5.5礦用風機，該機型配套電機功率5.5 kW，轉速2 900 r/min，軸功率5.5 kW，風機壓力750～3 000 Pa，供風距離必須要控制在合理的范圍（1 000 m左右），如果供風距離超過這個范圍，就會大大降低局部通風機供風量[2]。

圖1 大型通風機雙機電機

從各個大型高瓦斯礦井煤巷掘進工作面規模來看，巷道長度超過2 000 m就不適合使用局部通風，由于巷道長度過長，局部通風機通風能力無法滿足巷道的長度需求，在煤巷不斷掘進的過程中，隨著巷道的長度增加，瓦斯涌出量也在不斷增大，容易導致瓦斯含量超限，在這種情況下必須要采取有效的方法進行解決。

因此，針對距離超過2 000 m的巷道，煤巷掘進工作面瓦斯治理方法使用大型機械設備，在巷道內形成一個有效的通風系統，并借助變頻調速技術、PLC控制與采集及上位檢測技術，實現巷道內正常通風，實現對瓦斯實施控制。礦井通風機自動控制系統除了能夠全自動化控制巷道瓦斯含量，還能對重要風機設備實施在線檢測，大大提高了設備的可靠性和安全性[3]，如下頁圖2所示。這種通風系統可有效縮短供風距離，還能確保煤巷供風量滿足工作需求，有效稀釋瓦斯量，確保巷道瓦斯不會超過預警值。

圖2 礦機主要通風機自動控制系統

2.2 水力擠出

從目前的瓦斯治理方法來，水力擠出治理方法具有明顯的效果，當煤巷掘進工作面前方超過臨界時通過鉆孔向內注水，可有效改善煤巖的突出傾向性、變形特征、強度性質。隨著注水量增加，煤體含水率也在增加，煤體彈性模量和強度會大大降低。由于注水后，煤體結構發生變化，煤層逐漸被壓壞，導致煤體發生“塑化”變形。同時煤體彈性模量降低，會在一定程度上增加彈性能量的消耗，因此會大大降低煤的沖擊傾向力，減少危害事件的發生[4]。注水后由于煤體的擠出導致掘進工作面承壓能力降低，同時導致臨界狀態帶4深度增加，促使卸壓帶范圍擴大，為鉆孔的抽放工作提供了更為廣闊的空間。

通過鉆孔向內注水，會產生大量的裂縫，提升煤層透氣性，促使煤層內的瓦斯實現進一步釋放，即使在后期掘進時，涌出的瓦斯含量也會大大減少，保證了煤巷掘進工作面的安全[5]。另外，使用底抽巷穿層孔的方法釋放掘進工作面四周的瓦斯，除可有效提高煤的強度和透氣性外，還有利于增加注水量，從而有效控制瓦斯含量在合理的范圍內。

注水孔布置方式如圖3所示。鉆孔數量為5個，鉆孔直徑為42mm，鉆孔深度為60m，封孔深度為7m，距巷中線距離為1.4 m。在施工過程中，需要盡量開底抽巷穿層孔，且開孔距離巷穿層孔的距離控制在0.3 mm。

注水參數對瓦斯和煤體有著直接的聯系，參數不同注水效果不同，如果注水壓力過低就會導致注水之間增長，如果注水壓高過低就會引發外滲。因此在水力擠出時，必須要根據實際情況，合理設定注水參數，適合把握注水量和注水壓力。

2.3 隔斷式鉆孔預抽迎頭煤體瓦斯

影響煤巷掘進工作面瓦斯涌出量主要來源于巷道兩側卸壓帶瓦斯，為了有效控制瓦斯的涌出量，可采取阻隔方式，在煤層和巷道之間建立屏障，防止在掘進過程中巷道兩側卸壓帶瓦斯涌出，還能提前對未掘進區域的瓦斯進行預抽，實現對掘進面的瓦斯進行抽放，大大降低了煤巷工作面瓦斯的涌出量[6]。

圖3 注水孔布置參數

3 嚴格瓦斯管理

在高瓦斯礦井煤巷掘進中，割煤期間會涌出大量的瓦斯，且瓦斯含量占比較高，對整個煤巷掘進來說，只有合理控制好割煤環節的瓦斯，才能有效控制瓦斯含量，確保煤巷掘進工作的安全性。所以必須要嚴格控制割煤工藝，按照相關流程和規章制度進行割煤作業，割煤順序必須要按照從上往下進行作業，這樣可有效避免在切割過程中出現瓦斯瞬間異常涌出等嚴重問題[7]。另外，同樣要嚴格控制割煤速度，一定要勻速割煤，割煤速度的控制需要根據現場瓦斯監測情況，防止因割煤速度過快導致瓦斯涌出量增加，危害到工作人員的人身安全。割煤時間應控制在最短時間內，由于在割煤過程中瓦斯不斷涌出，當涌出量濃度在0.4%時，若不能及時進行排放，會導致煤巷瓦斯含量增加，故必須要合理控制割煤時間，一般情況下全斷面割煤時間控制在1 h內，確保瓦斯濃度控制在合理的范圍內。煤巷掘進工作面瓦斯濃度達到0.6%時，必須要停止割煤，瓦斯濃度監測主要由掘進機司機負責[8]。通常情況下載掘進機尾部安裝便攜式檢測儀，當瓦斯濃度達到0.6%必須停機割煤。除此之外，還需要在回風流探頭處進行監測，同樣瓦斯濃度不可超過0.6%，由專職監測人員監測，只有當瓦斯濃度低于0.4%以下才能正常割煤。嚴格遵循以上要求進行割煤，定能大幅度降低煤巷掘進工作面瓦斯含量，減少瓦斯含量超預警值次數60%以上。

4 結語

礦井煤巷掘進工作面瓦斯治理是保障礦井安全生產的基礎和前提，在掘進工作中只有使用合理的通風系統，分級實施水力擠出措施和隔斷式鉆孔預抽迎頭煤體瓦斯措施，采取嚴格的瓦斯管理，才能保障礦井生產安全和工作人員生命安全。