基于瓦斯涌出監測的巷道掘進邁步鉆場瓦斯抽采技術研究

王偉林 谷嘉興 郭書明 連 強

(1.山西潞安化工集團余吾煤業有限責任公司，山西省長治市，046100；2.中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116)

余吾煤業3號煤層埋藏較深，瓦斯含量高，且瓦斯賦存條件復雜，掘進期間由于風筒出口風流至工作面端頭快速折返，加之掘進設備、風筒連接不規范及漏風等原因，使得風流流動的多向性、不穩定性，瓦斯涌出的不均勻性都特別明顯[1]。為防止掘進工作面瓦斯異常涌出給礦井安全生產帶來影響，也為了更準確地了解工作面瓦斯涌出狀況，對S5202回風巷及S2108膠帶巷掘進工作面的風量、瓦斯濃度進行了現場實測，研究掘進工作面在不同長度以及不同暴露時間條件下的瓦斯涌出規律。

1 工作面概況

(1)S5202回風巷。S5202回風巷在南五采區軌道下山(南)幫開口，沿3號煤層底板掘進，煤層厚度6.15 m；S5202回風巷全長1767 m，截至2014年8月6日4點班，S5202回風巷掘進934.2 m，平均掘進進尺5.4 m/d，設計斷面尺寸為5.4 m×3.8 m，實際斷面尺寸為5.8 m×3.8 m，計劃通風量1200 m3min，實際通風量1500 m3min，風量富裕系數1.25，煤層原始瓦斯含量為11 m3t，殘余瓦斯含量2.37 m3t。

(2)S2108膠帶巷。S2108膠帶巷位于南二采區，膠帶輔運巷由進風下山北幫開口，施工至正巷反掘與膠帶下山貫通，沿3號煤層底板掘進，煤層厚度6.15 m，煤層原始瓦斯含量為9.5 m3t；S2108膠帶巷設計全長1351 m，截至2015年4月14日8點班，S2108膠帶巷掘進604.3 m，平均掘進進尺5.4 m/d，設計斷面尺寸為5.4 m×3.8 m，實際斷面尺寸為5.8 m×3.8 m，計劃通風量1062 m3min，實際通風量1422 m3min，風量富裕系數1.34，由回風聯絡巷回風。

在S2108膠帶巷內施工順層鉆孔，由3號鉆場處開始施工，截至2014年4月14日，已施工80個孔，均已封孔，其抽采量為3.08 m3min，距工作面掘進頭約100 m。

2 煤壁瓦斯涌出量規律

2.1 煤壁瓦斯涌出量實測

為了研究煤壁瓦斯涌出系數(qm)與煤壁暴露時間(t)之間的函數關系，可以通過掘進面瓦斯涌出量實測來確定。其測定方法為：在停機30 min后，對掘進工作面瓦斯濃度分布進行測量，此時工作面受掘進落煤影響相對較小。在S5202回風巷掘進工作面距掘進頭5 m處布置第1個測點，20～100 m每隔20 m布置1個測點，100～500 m每隔50 m布置1個測點，500～800 m每隔100 m布置1個測點，測量各個測點的瓦斯濃度及風量，依次計算各段巷道的瓦斯涌出量[2]。結果見表1。

表1 S5202掘進工作面瓦斯涌出量實測數據

圖1 瓦斯分布隨測點距工作面距離的變化規律

圖2 巷道瓦斯涌出量與平均暴露時間的關系曲線

根據表1實測數據，繪制出工作面不同距離風流中瓦斯量的變化曲線與每米巷道瓦斯涌出量與其平均暴露時間的關系曲線，如圖1和圖2所示。圖2中兩者之間的變化關系表明，每米巷道瓦斯涌出量qm與平均暴露時間t近似呈雙曲線關系，每米巷道瓦斯涌出量隨煤壁暴露時間的增加呈降低趨勢。其衰減經驗公式為[3]：

(1)

式中：qm——經過時間t后，巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；

q0m——初始時間(t=0)，巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；

t——巷道煤壁暴露時間，d。

將式(1)兩邊對數化得線性方程：

lnqm=lnq0m-aln(1+t)

(2)

以lnqm為縱坐標，ln(1+t)為橫坐標，即復對數坐標系，再根據每個測點的值繪制出lnqm與ln(1+t)的關系圖，如圖3所示。從圖3可以看出，2個參數呈良好的直線關系，所以每米巷道瓦斯涌出量qm與平均暴露時間t的關系經驗公式成立。

圖3 lnqm與ln(1+t)的關系

用Origin軟件擬合法得出函數：

lnqm=-0.4624-1.0696ln(1+t)

(3)

即lnq0m=-0.4624，q0m=0.6298，a=-1.0696。將其代入式(1)，得出S5202回風巷掘進工作面每米巷道煤壁瓦斯涌出量強度隨時間變化規律為：

(4)

2.2 巷道煤壁瓦斯涌出強度相對衰減隨時間的變化規律

(5)

根據式(5)，煤壁在不同暴露時間t時，其衰減系數η值見表2。

分析表2數據，煤壁瓦斯涌出量隨時間的延長而降低，其衰減關系如圖4所示，從理論上講，煤壁瓦斯放散是無限的，而實際中，當煤壁經過一段暴露時間后，煤壁瓦斯涌出量下降到很微小的程度，甚至可以忽略。

表2 衰減系數η值與煤壁不同暴露時間t的關系

圖4 衰減系數η與煤壁暴露時間t的關系曲線

2.3 落煤瓦斯涌出量與巷道掘進速度關系

在掘進工作面中，掘進落煤中涌出的瓦斯是巷道瓦斯來源的另一部分。該部分瓦斯涌出量主要取決于煤層原始瓦斯含量、運出巷道后煤體殘存瓦斯含量以及掘進工作面落煤量。掘進工作面落煤瓦斯涌出量按下式計算：

(6)

式中：Ql——掘進工作面落煤瓦斯涌出量，m3/min；

S——掘進工作面巷道斷面，取22.04 m2；

υ——平均掘進速度，5.4 m/d；

γ——容重，1.39 t/m3；

x0、xc——煤壁原始瓦斯含量以及殘存瓦斯含量，分別取11 m3/min和2.37 m3/min。

將相關參數代入式(6)，可得Q1=0.99 m3/min。

2.4 瓦斯涌出量規律分析

通過煤壁瓦斯涌出規律的研究，可以制定切實可行的瓦斯防治措施。

(1)煤壁暴露時間在0～7 d內，煤壁瓦斯涌出量降低迅速；煤壁暴露時間在7～17 d內，煤壁瓦斯涌出量降低較為平緩，煤壁瓦斯涌出量降低0.023 m3/min；煤壁暴露時間在17 d之后，煤壁瓦斯涌出量進入平穩期，煤壁瓦斯涌出量隨時間變化較小。

(2)煤壁瓦斯涌出量隨時間的延長而降低，煤壁瓦斯放散是無限的，而實際中，當煤壁經過一段暴露時間后，煤壁瓦斯涌出量下降到很微小的程度，甚至可以忽略。因此，在礦井連續掘進的巷道中，經過一定的暴露時間后，整條巷道總瓦斯涌出量將趨于一穩定數值。

(3)S5202回風巷掘進工作面瓦斯涌出量包括掘進巷道煤壁瓦斯涌出量和落煤涌出量兩部分，按每天掘進6排4.5 m計算，掘進落煤中瓦斯涌出量為0.99 m3/min；計劃通風量1200 m3min，實際通風量1500 m3min，風量富裕系數1.25，通風能夠滿足掘進要求。

(4)掘進頭至100～200 m范圍內煤壁瓦斯涌出量較高，如有條件可在鄰近巷道打設掘前預抽孔帶抽；如無區域預抽條件，可適當增加邁步鉆場的掘前預抽孔個數，以控制掘進面瓦斯涌出。

3 現場應用

3.1 實施方案

按照余吾煤業公司的規定，對瓦斯涌出量大于3 m3/min的掘進工作面，采用區域邁步鉆場護幫鉆孔的方式來保證掘進工作面的區域防突工作。在掘進工作面前方形成超前控制長度L=100 m、側翼控制半徑R=20 m的密集鉆場，根據煤層瓦斯含量、煤體硬度、透氣性等參數，優化孔間距、傾角、方位角、孔深、抽采負壓等參數，配合高效封孔工藝，實現對掘進面前方和側翼的瓦斯預抽保護。

以S2108膠帶巷為例，對邁步鉆場及鉆孔參數進行如下優化。

(1)布置原則：分別在巷幫兩側每100 m布置一個邁步鉆場，不同側鉆場交錯距離50 m，S2108膠帶巷鉆場布置如圖5所示。

(2)邁步鉆場規格：深4 m，內寬5 m，高4.5 m，高出巷道頂板0.7 m。

(3)鉆孔設計原則：鉆孔分3層立體化設計，上層鉆孔距頂板0.5 m，共布置12個鉆孔；中層鉆孔距底板2.5 m，布置4個鉆孔；下層鉆孔距底板1.5 m，布置4個鉆孔，孔徑均為Φ113 mm，其他鉆孔參數見表3。

為了更好地控制巷道上方卸壓瓦斯，每組鉆場上層鉆孔的終孔布置到煤層頂板處，用來控制鉆場高位瓦斯。預抽鉆孔應以巷道中線為基準，向周圍煤體呈扇形狀排列。鉆孔設計按照要求進行即可，具體鉆孔布置如圖5～圖7所示，鉆孔參數見表3[4-9]。

圖5 邁步鉆場鉆孔布置

圖6 邁步鉆場幫部鉆孔布置

圖7 鉆場鉆孔布置示意圖

表3 邁步鉆場預抽鉆孔參數

3.2 效果分析

邁步鉆場實施后，邁步鉆場段巷道瓦斯涌出量的特征如圖8所示。

由圖8可知，邁步鉆場實施后，各測段瓦斯增量隨著距工作面距離的增大而減小，測段距離工作面150 m之后，瓦斯增加量趨于0.01 m3/min。通過此方式能夠很好地保證掘進工作面的區域防突工作。同時，有效降低了瓦斯突出風險，工作面及回風隅角瓦斯濃度控制在安全值范圍以內，保證了正常的生產秩序和礦井的安全生產[10]。

圖8 注水后各測段瓦斯增量變化曲線

4 結論

(1)筆者以S5202回風巷掘進工作面為研究對象，通過測量布置的各個測點的瓦斯濃度及風量，得出回風巷掘進工作面每米巷道煤壁瓦斯涌出量強度隨時間變化規律，進而分析出瓦斯涌出量的規律。

(2)根據瓦斯涌出量的規律，對邁步鉆場參數及鉆孔參數進行優化。根據優化結果在S2108膠帶巷進行了現場試驗。該方式有效降低了瓦斯突出風險，工作面及回風隅角瓦斯濃度控制在安全值范圍以內。