高瓦斯礦井快速掘進工作面動態瓦斯涌出規律研究

姜亦武，王 超，邱春亮，寧廷州，安學東，楊俊生，孫紅星，趙鵬翔

(1.兗礦新疆能化有限公司，新疆自治區烏魯木齊市，830010；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西省西安市，710054；3.兗礦新疆礦業有限公司硫磺溝煤礦，新疆自治區昌吉市，831100)

在我國煤礦事故中，瓦斯爆炸[1-2]是井下最嚴重的事故之一，它在發生的過程中會伴隨著高溫、高壓、沖擊波的產生，使周圍氣體的流動速度加快，摧毀巷道和設備，危及人的生命安全。由于開采深度不斷加深，在深部掘進過程中，也存在瓦斯大量涌出的情況。因此，研究瓦斯的防治措施，對保證煤礦的安全生產、職工的生命健康、公司的財產安全和生產效率都具有重要的意義。在瓦斯治理方面，念其鋒[3]等基于GRA-ANP-FCE模型做了煤礦瓦斯爆炸事故安全評估方法研究與應用；司榮軍[4]研究了大型瓦斯爆炸傳播機理；DEMERTZIS A[5]等論述了無線傳感器網絡在地下煤礦環境監測中的應用；趙朝義[6]等論述了人機環境系統工程在煤礦安全管理中的應用；張孝峰[7]等對煤礦瓦斯爆炸進行了統計分析并提出了對策。

目前大多數礦井對于瓦斯的治理多采用瓦斯抽采的方法[8-11]。為了在一定程度上提高瓦斯的抽采效率，國內外學者不僅在抽采方法上進行了優化，且對于抽采裝備也進行了深度研發。蘇聯研發了抽采用的伸縮探頭；日本不僅研發了強力鉆機并且配備了雙套管鉆頭進行鉆孔抽采；美國等國家對于抽采泵的功率進行了大幅度的提升；德國、烏克蘭等國家為提高抽采效率采用提前水力壓裂并且加酸增透煤層。

以往大多數瓦斯抽采多集中于工作面的瓦斯治理，但是由于開采深度的增加，掘進工作面的瓦斯治理也迫在眉睫。因此，筆者基于新疆硫磺溝煤礦(4-5)06掘進工作面的瓦斯涌出量的變化規律，采用灰色理論探討影響掘進工作面瓦斯涌出的關鍵因素，并提出相應的瓦斯治理措施，為之后掘進工作面的瓦斯治理提供了一定方法。

1 礦井概況

硫磺溝煤礦設計生產能力0.9 Mt/a，核定生產能力1.5 Mt/a。井田內的沉積巖厚度達數百米，而且巖石結交密實、裂隙少，且本地區降水較少，無常年性地表徑流與大型地表水體，各地層含水性不強。

(4-5)06工作面西部距井田邊界20 m，東部為副斜井保護煤柱，北部為未采動的實體煤。(4-5)06工作面軌道巷標高+683.3～+702.6 m，巷道最大埋深557.0 m(軌道巷開切眼上口)，最小埋深435.0 m(在(4-5)06軌道巷聯絡巷口處)。(4-5)06工作面運輸巷標高+586.5～+613.7 m，巷道最大埋深662.5 m(西部邊界向停采線方向約170.0 m)，最小埋深486.1 m(標高+600.0 m水倉內倉位置)。根據硫磺溝煤礦井上下對照圖，工作面開切眼附近兩巷道埋深最大，往兩巷道開口方向埋深逐漸減小。

2 (4-5)06 掘進工作面瓦斯涌出預測

2.1 掘進工作面瓦斯涌出量預測方法

(4-5)06掘進工作面瓦斯涌出量采用分源預測法，分源預測法是根據礦井工作面的瓦斯涌出源的數量及各源的瓦斯涌出量來預測礦井瓦斯涌出量的方法，掘進工作面瓦斯涌出量由掘進巷道煤壁瓦斯涌出和掘進落煤瓦斯涌出兩部分構成：

q掘=q1+q2

(1)

式中：q掘——掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min；

q1——掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，m3/min；

q2——掘進工作面巷道落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min。

掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量以式(2)計算：

(2)

式中：D——巷道斷面內暴露煤壁面的周邊長度，取10.5 m；

υ——巷道平均掘進速度，取0.007 m/min；

L——巷道長度，取1 850 m；

q0——巷道煤壁瓦斯涌出量初速度，m3/(m2·min)。

無實測可參考式(3)：

q0=0.026(0.000 4V2+0.16)W0

(3)

式中：V——煤中揮發分含量，取38.69%；

W0——原始瓦斯含量，m3/t。

掘進工作面巷道落煤絕對瓦斯涌出量以式(4)計算：

q2=Sυγ(W0-Wc)

(4)

式中：S——巷道斷面積，取13.5 m2；

γ——煤的密度，取1.3 t/m3；

Wc——煤出井的殘存瓦斯含量，m3/t。

將數據帶入式(2)、(4)計算可得到(4-5)06掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量為1.102 m3/min，巷道落煤絕對瓦斯涌出量為0.283 m3/min。

因此，(4-5)06綜放工作面掘進期間巷道絕對瓦斯涌出量q掘為1.385 m3/min。取瓦斯涌出不均衡系數1.3，計算得(4-5)06軌道巷道掘進工作面瓦斯涌出量在1.385 0～1.800 5 m3/min。

2.2 (4-5)06軌道巷道掘進工作面瓦斯涌出影響因素分析

2.2.1瓦斯涌出與時間的關系

通過對(4-5)06回風巷沿空掘進工作面瓦斯濃度變化的實時觀測，結合工作面配風量，得出2018年10月到2019年2月期間，瓦斯絕對涌出量隨掘進時間的變化規律如圖1所示。從圖1可以看出，隨著掘進時間的不斷推移，煤壁暴露時間逐漸增大，在礦山壓力顯現相對穩定的階段，瓦斯涌出量變化保持平緩，而當巷道掘進使礦山壓力產生變化的時候，瓦斯涌出量則會發生突然升高，但總體趨勢為逐漸趨于平緩。(4-5)06回風巷沿空掘進工作面絕對瓦斯涌出量為1.070～1.736 m3/min，平均為1.187 m3/min。

圖1 掘進工作面絕對瓦斯涌出量時間變化

由于(4-5)06工作面回風巷為沿空掘進，導致實體煤壁一側的瓦斯卸壓帶范圍較寬，因此瓦斯涌出量在開始時較大，隨著回風巷道掘進，煤體暴露時間隨之增長，并且由于煤壁中瓦斯卸壓范圍及瓦斯含量的限制，導致其瓦斯涌出量呈現下降并最后趨于平穩。

2.2.2瓦斯涌出量與日進尺的關系

通過實時觀測2018年10月到2019年2月期間(4-5)06回風巷沿空掘進工作面在不同日推進度對應的瓦斯涌出量，得到工作面日進尺與絕對瓦斯涌出量之間的關系及其變化趨勢擬合如圖2及圖3所示。結果表明，工作面日進尺與絕對瓦斯涌出量之間具有基本相同變化趨勢。

圖2 掘進工作面絕對瓦斯涌出量、日進尺隨時間變化

圖3 絕對瓦斯涌出量與日進尺的擬合關系

分析兩者的變化可得：煤體圍巖的移動和變形與工作面推進速度密切相關，當工作面推進速度減慢時，由于時間增長導致圍巖變形較為充分，進而會使圍巖瓦斯更加容易涌出，因此其涌出量增加。反之，當工作面推進速度加快時，煤體圍巖移動、變形時間短，發育不充分，進而導致圍巖的瓦斯涌出量減少。其變化趨勢擬合方程如式(5)所示。

q=0.001 06x1+1.182 01

(5)

式中：q——絕對瓦斯涌出量，m3/min；

x1——日進尺，m。

2.2.3日產量與瓦斯涌出量的關系

通過對2018年10月到2019年2月期間，(4-5)06回風巷沿空掘進工作面在不同日產量條件下瓦斯涌出量的實時觀測，得到絕對瓦斯涌出量與日產量之間的變化關系如圖4和圖5所示。(4-5)06回風巷沿空掘進工作面回采初期，絕對瓦斯涌出量相對較小，隨著工作面的不斷推進，絕對瓦斯涌出量隨產量的增大而增大，且當工作面產量呈現持續上升時，絕對瓦斯涌出量出現波動后達到頂峰，因此絕對瓦斯涌出量與產量之間呈現較為復雜的變化關系。

圖5 絕對瓦斯涌出量與日產量擬合關系

在(4-5)06回風巷沿空掘進工作面正常回采期間，測定了不同產量下的絕對瓦斯涌出量的變化情況，并對其變化趨勢進行了擬合，觀測結果表明，沿空掘進工作面絕對瓦斯涌出量隨產量的增加而有所增大，但增長趨勢較小，見式(6)。

q=0.000 46x2+1.183 81

(6)

式中：x2——日產量，t/d。

由于受上一工作面回采及聯絡巷施工的影響，煤層中原有瓦斯已發生自然涌出，導致工作面掘進初期產量雖然較大，但絕對瓦斯涌出量較小；隨著工作面的不斷推進，當其揭露原始煤層后，由于掘進工作面產量變化直接影響著圍巖的變形及卸壓情況，當工作面產量少時，對應其工作面推進速度較慢，圍巖變形及裂隙發育比較充分，這個階段工作面產量與絕對瓦斯涌出量兩者之間的變化比較同步，但是隨著工作面產量不斷增大，工作面推進速度的加快，圍巖變形較不充分，導致工作面絕對瓦斯涌出量出現波動，但是當工作面產量達到一個穩定值后，工作面絕對瓦斯涌出量產生突變，呈現出較大的變化。

3 瓦斯涌出量灰色關聯度分析

根據硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷道掘進工作面瓦斯實測結果，分析瓦斯涌出影響因素，結合灰色關聯度分析，得到各影響因素與瓦斯涌出量的關聯度，從而得出瓦斯涌出影響因素的主次。

3.1 灰色理論

灰色理論是通過一定的方法，得到系統中各個子因素與母因素之間存在的數值關系。它提出了對系統各子因素進行灰色關聯度分析的概念，在系統變化的過程中，若其子因素與母因素兩者之間具有一致的變化趨勢，即兩者之間的變化程度具有一定的同步性，兩者關聯程度較高；反之，若子因素與母因素之間的變化趨勢同步性較差，則兩者關聯度不高。因此，灰色關聯分析通過判定子因素與母因素之間存在的變化趨勢的相似程度進而確定因素間的關聯程度[12]。

3.2 影響因素選取

灰色關聯分析需要各個指標被量化，為了增加與現場的符合度，筆者通過數量化理論將之前未被量化的指標轉化為二分變量進而更容易量化，即以“0”和“1”表示某個定性指標的“不存在”和“存在”。

根據工作面實際情況，選取4個定量指標：掘進累計天數(X1)、日進尺(X2)、掘進累計進尺(X3)、配風量(X4)；3個定性指標：圍巖巖性(X5)、褶皺(X6)、斷層(X7)。

選取(4-5)06軌道巷掘進工作面連續一個月瓦斯涌出數據及以上7項因素量化指標值進行統計，統計結果見表1。

表1 硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷瓦斯涌出量及其影響因素統計表

3.3 影響因素關聯度分析

通過軟件計算得到影響硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯涌出量各因素的關聯度系數分別為：0.606、0.732、0.637、0.703、0.695、0.832、0.635。其中，關聯度X7(斷層)>X2(日進尺)>X4(配風量)>X5(圍巖巖性)>X3(掘進累計進尺)>X6(褶皺)>X1(掘進累計天數)，因此斷層是影響硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯涌出量的主控因素，瓦斯涌出量受日進尺和配風量的影響較大，相較而言其受圍巖巖性、褶皺、掘進累計進尺和掘進累計天數的影響較小。

4 (4-5)06掘進工作面瓦斯治理措施應用

硫磺溝煤礦除采用抽采措施來防治礦井瓦斯超限之外，還應在掘進、開采過程中對瓦斯濃度進行實時監測，有效通風和控制火源，對煤與瓦斯復合動力災害進行防治。

4.1 瓦斯濃度實時監測

對礦井中瓦斯氣體濃度進行實時監測和預警，是防治瓦斯爆炸的有效手段。在井下生產過程中，應該在采煤工作面、掘進工作面、裝煤點和運輸巷道等重要部位和瓦斯濃度較高的地方安裝瓦斯傳感器，監測巷道和工作面的瓦斯濃度，防止瓦斯濃度超限。

硫磺溝煤礦在工作面刮板輸送機機頭處的支架下方安裝了瓦斯傳感器，用于監測采煤工作面回風上隅角處的瓦斯濃度，瓦斯傳感器吊掛在距工作面煤壁10～15 m的位置處，回風巷的瓦斯傳感器吊掛在混合回風點以里10～15 m之間，掘進工作面的瓦斯傳感器吊掛在風筒的另一側，距離掘進工作面小于5 m，如圖6所示。

T0-上隅角瓦斯傳感器；T1-采煤工作面瓦斯傳感器；T2-回風巷瓦斯傳感器；T3-進風巷瓦斯傳感器

掘進工作面的瓦斯傳感器安裝在掘進工作面附近，并且設置在風流穩定的位置，以便能準確反映瓦斯的濃度，如圖7所示。

T4-掘進工作面瓦斯傳感器；T5-回風流中瓦斯傳感器

在回風流中，機電硐室的瓦斯濃度可能會比較高，應該在回風流中機電硐室的進風側設置瓦斯傳感器，如圖8所示。

T6-機電硐室進風側瓦斯傳感器

此外，在裝煤點的上風流、運輸巷的下風流、瓦斯抽放泵站室內輸入管路中設置瓦斯傳感器。瓦斯監測員不定時用瓦斯監測儀對容易發生瓦斯事故和瓦斯濃度大的地方進行監測，避免瓦斯濃度超限。

4.2 有效通風

防止瓦斯積聚最有效、最基本的方法就是有效通風[13]。煤礦井下要時刻做到風流穩定，避免循環風的出現。在掘進和采煤工作面，局部通風機的末端要最大程度的靠近掘進工作面，并配用備用通風機，防止通風中斷，同時在瓦斯積聚的地方要提高通風量和風速。除了利用通風來防止瓦斯積聚之外，還要及時處理好局部積存的瓦斯。

對于采煤工作面上隅角瓦斯的積聚，可以采用Y型通風系統[14]，使用這種通風系統不僅可以降低采煤工作面的風速，而且可以防止采煤工作面上隅角瓦斯的積聚。對于綜采工作面的瓦斯積聚，一方面可以加大工作面的風量以防止瓦斯積聚；另一方面可以安裝小型局部通風機或風、水引射器來加大采煤機附近的風速來防止瓦斯積聚。對于頂板附近的瓦斯積聚，一是可以采用加大巷道內風流的平均流速(風流的平均流速不能低于0.5 m/s)，使瓦斯與空氣能夠充分的紊流混合；二是可以在頂梁下面加導風板將風流引向頂板附近或鋪設接有短管的壓氣管，將積聚的瓦斯吹散。對于頂板冒落空洞內積存的瓦斯可以用砂土填實，或者用導風板、風筒引入風流將之吹散。

5 結論

硫磺溝煤礦為高瓦斯礦井，井下一旦發生瓦斯爆炸，會造成極其嚴重的破壞，不僅會摧毀巷道和設備，而且會造成大量的人員傷亡，因此，做好井下的瓦斯防爆工作就顯得尤為重要。

(1)根據硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯實測結果，結合灰色關聯度分析，斷層是影響硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯涌出量的主控因素，相較而言其受圍巖巖性、褶皺、掘進累計進尺和掘進累計天數的影響較小。

(2)通過瓦斯實時監測、有效通風技術的應用，硫磺溝煤礦發生瓦斯爆炸的概率將會極大的降低，從而保證煤礦安全生產。