煤、油共生條件下煤礦巷道掘進技術探析

呂懷寶，張 帆

（1.陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西黃陵727306；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安710000）

關健詞：巷道掘進技術；煤與油、氣共生；綜掘自動化；防治

礦產資源與能源的開發研究，是人類永恒的事業。煤炭在我國能源產業中占據首要地位，我國工業生產技術發展將在未來很長一段時間里維持現有的能源分配比例不變。根據國家統計局《2017 年國民經濟和社會發展統計公報》數據結果，一次能源生產總量中原煤34.1×108t，煤炭消費量占能源消費總量的62.0%，煤炭在能源產業中依然高居首榜。煤礦開采又以井工作業為主，井工開采巷道掘進工作量大，因此巷道掘進技術的優劣決定著礦井生產水平。本文針對煤與油氣共存條件下巷道掘進中存在的問題，從成因、危害、防控展開研究，解決其巷道掘進過程中的難題。

1 國內巷道掘進的研究現狀

1.1 近50年發展歷程

地下開采是我國煤礦開采的主要形式，在機械化快速發展的21世紀，煤礦已形成井工作業綜合機械化掘進工藝。該掘進工藝效率高，每年開拓的煤巷、半煤巖巷、巖巷累計超過850余萬米[1]，綜掘已形成先進的技術體系，推動了現代化礦山建設。縱觀近50年，巷道掘進在我國先后經歷了：人工、炮采階段，該方法工人工作量大，作業支護耗時，且對煤礦安全生產有影響，是以基本被現代巷道掘進遺棄。機械掘進階段，現已形成3種形式：①綜合機械化掘進，以懸臂式掘進機為主的掘進方式；②連續采煤機與其它機械配合掘進，主要掘進機為采煤機；③掘錨一體化機組，主要掘進機為掘錨機組[1]。迄今為止，礦井掘進的主流形式為掘錨一體，及掘進機掘進后打錨迅速跟進，緊接著完成加網或噴漿使巷道快速成型，形成整套的巷道掘進工藝。該方法工藝的優點如下：①大大節省了礦井掘進作業時間。相比懸臂式掘進，它的支護時間減少，巷道成型時間縮短；②節省了人力的投入，比起炮掘工人勞動強度大幅下降；③巷道強度高，交通方便。當然，它也有不足之處：①適用于條件較好的煤巖環境，在巖空掘巷中劣勢；②對工人作業技術要求提高，錨桿跟進快打眼角度、深度必須準確。

1.2 綜掘自動化的研究

綜掘自動化研究是利用自動化控制系統來研究掘進巷道，主要是掘進機的自動控制。它包括：掘進前進定向控制、遠程遙控、智能檢測、預報診斷故障、數據輸出及記憶截割等系統。地面人員通過遠程會診技術，利用攝像機等向井下進行技術支持[1]。綜掘自動化的實現，方便了地面工作人員與井下掘進的直接可視化、遠程技術協助等工作，使得井下掘進工作更加科學規范、方便快捷，減小了人工勞動強度。綜掘自動化研究和發展，推動了數字化礦山建設，使得礦山可視化、一體化、自動化、正規化，這也是掘進技術發展的一個主流，今后的采掘技術都應該向著自動化方向發展。該自動化技術可加快采掘，有利于快速掘進，同時提高了巷道掘進的安全性和穩定性。

1.3 快速掘進技術的研究

當下采煤與掘進相比，礦井單面生產能力基本滿足要求，但掘進速度較為緩慢，已成為制約礦井高效生產的主要因素之一[2]。由于礦井生產地質條件復雜，并且陷落柱、老窯水、承壓水、瓦斯、巖層氣和油氣等多種制約因素共同作用，必須加大地質及水文探測力度，做好預報工作，為快速采掘提供保障。掘進速度的提高，依賴于機械化水平，支護成巷技術，掘進組織作業形式優化和管理水平。它的提高為煤礦安全、高產高效創造了條件。

2 礦井煤與油氣共存

2.1 煤與油氣共存現象

煤與油氣共存，是指含煤地層中蘊含大量天然氣資源。在世界上大氣田和天然氣儲量的70%～80%，來自含煤地層，占能源結構的比重達20%，雖然我國僅占世界儲量的2.1%，但其開發價值和應用前景巨大，有望成為我國能源結構中重要一員，故掘進的同時應兼顧天然氣、油氣資源的開發利用，摒棄前人在煤礦開采中“害”的觀點。施工中油、氣能否化害為例，關鍵得看采掘工藝[3]。

以黃陵礦區為例，黃陵礦區煤層中有油氣顯示及氣噴現象，這嚴重影響著礦井安全，一號井北二盤區在掘進、綜采過程中面臨頂板淋油的現象。因此在該盤區，展開油氣對煤層掘進的影響研究。

2.2 油氣對巷道掘進的危害分析

研究作用和意義：根據油氣對巷道掘進危害的特點，來確定礦井巷道掘進工作預先勘探任務、掘進技術方法、施工管理。

煤與油、氣共生條件下掘進工作的好壞，關鍵問題在于解決好煤礦三怕：①油氣爆炸，危害礦井安全生產和采掘工人的生命。油氣主要成分是甲烷和乙烷，而這兩種烴類氣體具有爆炸性，如控制不好在空氣中的濃度，遇火星將會爆炸；②煤自燃等礦井火災，在采掘中會“火上澆油”其相互作用容易釀成并加劇火災發生和發展；③油氣中毒，在掘進巷道時這些氣體會危害人體健康狀態[4]。

3 巷道掘進措施

針對煤與油氣共存的特點，掘進時掘進技術應充分考慮安全因素和天然氣開發利用。因此在巷道掘進中預先探測顯得極為重要，它要與具體的巷道掘進相符合，用來指導掘錨機組作業。含油氣煤層掘進過程中應注意以下幾點[4-6]：

（1）打鉆排油放氣：在采掘巷道開挖之初，根據預先勘探情況，確定打鉆鉆孔排列形狀順序，及合理的角度、深度。在預先掘進的成型巷道里，對鉆孔頭部裝置閥門，用于定期放油排氣，這樣不僅可以獲得一定的油、氣資源，而且對于巷道維護、礦井風流新鮮度都有利，更能有效減少后期回采工作時煤體內油、氣含量，有利于安全生產[4-5]。

（2）加強通風管理：由于石油生成過程中會伴隨大量的油氣，所以在掘進巷道開挖之時，需要根據現場油氣情況合理的控制掘進巷道內風量，保證掘進工作正常進行。必要時可設專門的測風管理人員，根據巷道掘進實際情況結合前期油、氣探測結果分析預測可能出現的突發事件，以加強對突發事件的管理，及時稀釋處理獨頭巷道中的油氣涌出。

（3）防塵措施：油氣中烴類混合物爆炸下限濃度低，掘進巷道中煤塵與油氣形成混合體，會降低巷道內煤塵爆炸的下限濃度值。因此必須加強巷道防塵管理，對巷道裝置靜壓灑水系統，對掘進點進行噴霧降塵，其余巷道每80m留設一個噴頭，定時進行除塵，清理巷道，降低煤塵危害。

（4）及時清洗金屬支架和支柱：巷道掘進過程中，原油會沿金屬支柱流下，油沿柱芯流入套筒會減小支柱支撐阻力、妨礙操作，必須對支柱支架進行及時的清理維護。這就要求我們必須準備好備用的支架和支柱。

4 結論

回顧我國掘進工藝40年的變革，展望了礦井巷道掘進掘錨一體化工藝、綜掘自動化技術、快速掘進技術為發展的大勢所趨。掘錨一體化機組省時、省工，支護強度高、方便；綜掘自動化可實現地面專家與井下掘進系統的良好互動，有助于采掘故障處理和數字化礦山建設；而快速采掘技術能彌補現在采礦工藝中掘進慢的難題。

同時，針對礦井掘進作業中油、氣顯現嚴重的情況，分析油、氣對采掘的3種主要危害，即油氣爆炸、煤油共燃、油氣中毒。在此基礎上結合礦井采掘實際情況提出具體預防、控制措施，主要為：①打鉆排油放氣；②加強通風管理；③加強防塵措施；④及時清洗金屬支架和支柱。