長距離單巷掘進面瓦斯治理技術方案及效果預測

韓院生

（潞安環能股份公司王莊煤礦，山西 長治 046031）

長距離單巷掘進工作面在依靠局部通風稀釋瓦斯的方法很難治理瓦斯的情況下，抽采瓦斯技術是瓦斯綜合治理的最有效途徑。 本文以某礦9101風巷長距離掘進工作面掘進期間的瓦斯治理為背景，通過對其掘進期間瓦斯涌出情況及抽采情況進行統計分析，擬采用超前抽采鉆孔、邊掘邊抽的方法綜合治理瓦斯，以解決煤礦煤層原始瓦斯含量大于10 m3/t區域長距離掘進工作面的瓦斯問題。

1 工作面基本概況

9101 風巷采用單巷沿3#煤層底板掘進，煤層原始瓦斯含量10.6 m3/t， 實測煤層殘存瓦斯含量3 m3/t。巷道設計長度2 860 m，目前掘進1 380 m ；使用兩組2×45風機雙機供風，工作面迎頭風量1 400 m3/min，回風流瓦斯濃度0.4%左右， 暫時可滿足工作面通風、瓦斯需求。 隨著工作面的不斷掘進，巷道煤壁瓦斯涌出量的增加，單靠局部通風將無法解決巷道瓦斯問題[1-2]。

2 掘進工作面瓦斯來源分析

1）工作面掘進落煤時產生瓦斯。 工作面綜掘機割煤時，使得原始煤體中處于吸附狀態的瓦斯迅速解吸變為游離狀態的瓦斯。

2）工作面周圍缷壓區煤體裂隙瓦斯。 工作面窩頭新暴露的煤壁及巷道兩幫煤體釋放的瓦斯[3]。

3 長距離掘進工作面瓦斯抽采方案設計

計劃在盡可能加大掘進工作面迎頭風量的同時，擬采用超前抽采鉆孔、邊掘邊抽的方法綜合治理瓦斯。

3.1 定期停產施工超前抽采鉆孔，降低掘進工作面前方煤層瓦斯含量

超前抽采鉆孔是在工作面迎頭打設瓦斯抽采鉆孔，釋放工作面前方煤體瓦斯壓力，抽采煤體瓦斯。

為降低9101 風巷掘進工作面瓦斯涌出量，防止瓦斯超限， 在工作面迎頭布置超前抽采鉆孔，巷道斷面內布置15 個超前抽采鉆孔， 孔徑120 mm，設計深度120 m，抽采時間不少于一周。掘進100 m后再次施工超前抽采鉆孔， 始終保持20 m超前預抽距離。 鉆孔開口位置距底板高度分別為1 m、1.4 m、1.8 m， 三排鉆孔自上到下傾角分別為-15°、-15°、-14°。 鉆孔控制巷道輪廓線外15 m，1#、5#、6#、10#、11#、15#鉆孔與巷道呈7°夾角， 其余鉆孔與巷道中線平行，孔間距1 m，見圖1。

圖1 9101掘進工作面超前抽采鉆孔布置

3.2 掘進邁步鉆場實施邊掘邊抽，降低工作面掘進期間瓦斯涌出量

9101 風巷掘進工作面采用邊掘邊抽的抽采方法，在巷道兩幫呈邁步式布置抽采鉆場，單側鉆場間距100 m(可根據井下實際情況適當調整)，兩側鉆場間距50 m。 鉆場斷面尺寸：深×寬×高=3.5 m×5 m×3.5 m。 鉆場施工完成后立即施工抽采鉆孔，每個鉆場布置6 個鉆孔，即在鉆場向巷道掘進方向一側的幫部煤體上呈三花眼布置鉆孔，鉆孔控制范圍在巷道兩側距巷幫為31 m， 其布置方式和技術參數見圖2、表1。

圖2 掘進工作面邊掘邊抽布置

表1 邊掘邊抽技術參數

4 效果預測

為了考察長距離掘進工作面的通風效果和瓦斯治理措施，本部分以9101 風巷掘進工作面掘進2 800 m為實際背景， 然后考察其通風能力和瓦斯治理措施，并對其效果進行預測。

4.1 措施控制范圍瓦斯儲量計算

按照“超前抽采鉆孔、邊掘邊抽”措施的控制范圍，依據煤層的原始瓦斯含量，計算該區域的總瓦斯儲量，總瓦斯儲量可按下式計算：

式中：L為迎頭鉆孔及鉆場鉆孔控制距離， 鉆場取100 m，迎頭鉆孔取120 m；W為鉆孔控制寬度，鉆場取31 m，迎頭鉆孔取35.5 m；H為煤層厚度，取6.74 m；W0為煤層原始瓦斯含量，取10.6 m3/t。

通過計算可知迎頭預抽鉆孔區域的總瓦斯儲量為304 351.4 m3，邊掘邊抽鉆孔區域的瓦斯量為221 476.4 m3，共計525 827.8 m3。

4.2 抽采瓦斯量計算

目前礦井掘進工作面進行水力造穴后的鉆孔單孔實際抽采純量為0.2 m3/min。掘進工作面邊掘邊抽鉆場控制掘進100 m，根據掘進速度，確定抽采時間為10 天，預計抽采總量為0.2×6×10×1 440=17 280 m3； 迎頭預抽鉆孔控制掘進120 m，抽采時間至少7 天，預計抽采量為0.2×15×7×1 440=30 240 m3。則超前抽采鉆孔+邊掘邊抽采預計抽采瓦斯總量為45 720 m3，抽采率約9%，抽采后煤層殘余瓦斯量為478 307.8 m3，帶入式（1）計算可得，煤層殘余瓦斯含量W1=9.64 m3/t。

4.3 通風能力校核與回風流瓦斯濃度預測

（1）工作面風排瓦斯涌出量計算

掘進工作面瓦斯涌出量包括煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出兩部分，由下式計算：

式中：q掘為掘進工作面瓦斯涌出量，m3/min。

式中：q3為掘進巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；D為巷道斷面內暴露煤壁面的周邊長度，m；依據（AQ1018-2006）中附錄B： 對于厚煤層，D=2h+b，h及b分別為巷道的高度和寬度；v為巷道平均掘進速度，m/min； 按10 m/d計算， 取0.006 9 m/min；L為巷道長度，m；q0為煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2·min。

按下式計算：

式中：Vdaf為煤中揮發份含量，%，Vdaf=15.20%；W1為抽采后煤層殘余瓦斯含量，m3/t。

式中：q4為掘進巷道落煤瓦斯涌出量，m3/min；S為掘進巷道斷面積，m2；v為巷道平均掘進速度，m/min；γ為煤視密度，t/m3；γ=1.39 t/m3；W2為煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

聯立式子（2）、（3）和（5）得：

經以上計算：掘進工作面經抽采后風排瓦斯涌出量為5.77 m3/min。

（2）通風能力校核與回風流瓦斯濃度預測

工作面風量計算：

式中：Q掘為掘進工作面實際需要風量，m3/min；q掘為掘進工作面風排瓦斯絕對涌出量，5.77 m3/min；K瓦為掘進工作面瓦斯涌出不均衡系數， 取1.5；C為掘進工作面回風流中瓦斯允許濃度，取0.8%。

回風流瓦斯濃度預測：

式中：Q局為掘進工作面實際供風量，1 400 m3/min；q掘為掘進工作面風排瓦斯絕對涌出量，5.77 m3/min；C掘回為掘進工作面回風流中瓦斯濃度，%。

經上述計算，工作面采取抽采措施后，局部通風機供風量1 400 m3/min可滿足需求，回風流瓦斯濃度最大為0.41%，瓦斯濃度不超限。

5 結語

本文設計了單巷長距離瓦斯治理方案，并對設計方案效果進行了預測，結果如下：

1）單巷長距離掘進工作面瓦斯主要來源于工作面掘進落煤瓦斯及工作面周圍缷壓區煤體裂隙瓦斯。

2）針對瓦斯來源，設計了“超前抽采鉆孔、邊掘邊抽”綜合治理瓦斯方案。

3）通過分析、計算，9101 風巷單巷長距離掘進工作面利用超前抽采鉆孔+ 邊掘邊抽采方案預計抽采瓦斯總量為45 720 m3，抽采率約9%，抽采后煤層殘余瓦斯量為478 307.8 m3，煤層殘余瓦斯含量W1=9.64 m3/t； 預計工作面風排瓦斯涌出量為5.77 m3/min，回風流瓦斯濃度最大為0.41%。