高瓦斯薄煤層炮掘工作面高效掘進(jìn)技術(shù)研究

王品賀 郝朝瑜 王 績(jī)

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省阜新市，123000；2.山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，山西省呂梁市，033600)

★ 煤礦安全 ★

高瓦斯薄煤層炮掘工作面高效掘進(jìn)技術(shù)研究

王品賀1郝朝瑜1王 績(jī)2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省阜新市，123000；2.山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，山西省呂梁市，033600)

通過對(duì)掘進(jìn)工作面前方采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯流動(dòng)規(guī)律的分析并結(jié)合朱家店煤礦生產(chǎn)實(shí)際，提出了雙巷交叉高效掘進(jìn)技術(shù)。通過對(duì)朱家店煤礦0403材料巷掘進(jìn)工作面前方預(yù)抽鉆孔瓦斯?jié)舛戎芷谧兓?guī)律及范圍的準(zhǔn)確測(cè)定，最終根據(jù)日進(jìn)尺綜合確定雙巷交叉掘進(jìn)的合理周期為4 d，極大地提高了高瓦斯薄煤層炮掘工作面安全環(huán)境及掘進(jìn)效率。

高瓦斯薄煤層 炮掘工作面 雙巷交叉掘進(jìn) 瓦斯?jié)舛?周期變化 交替時(shí)間

我國(guó)煤炭資源豐富但賦存條件極其復(fù)雜，因此，開采技術(shù)及安全環(huán)境差異巨大，特別是在高瓦斯薄煤層炮掘開采過程中，問題尤為凸顯。由于煤層瓦斯含量及壓力相對(duì)較大，工作面掘進(jìn)過程中瓦斯涌出量較大，再加上工作面采用爆破掘進(jìn)，安全性及掘進(jìn)效率大大降低，造成采掘接替緊張局面。同時(shí)，在采掘工作面前方造成的卸壓區(qū)內(nèi)孔裂隙大大發(fā)育，煤層透氣性系數(shù)成百倍增加，該區(qū)域抽采鉆孔瓦斯?jié)舛燃傲髁侩S采動(dòng)大大增加，因此，利用采動(dòng)影響治理掘進(jìn)工作面瓦斯問題具有重要意義。針對(duì)采掘工作面前方采動(dòng)影響及瓦斯抽采關(guān)系，王凱等人通過對(duì)工作面采動(dòng)煤體卸壓增透效應(yīng)進(jìn)行研究，得出了不同偏角下的預(yù)抽鉆孔卸壓瓦斯抽采量計(jì)算式；梁冰等人通過對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬認(rèn)為，采掘工作面前方煤體的影響范圍可達(dá)30 m；尹光志等人通過對(duì)采動(dòng)過程中瓦斯抽采流量與煤層支承壓力的相關(guān)性研究得出，在工作面前方15～25 m處支承應(yīng)力達(dá)到峰值且構(gòu)建了瓦斯抽采流量負(fù)指數(shù)表達(dá)式。本文根據(jù)前人研究成果，結(jié)合朱家店煤礦實(shí)際，提出了高瓦斯薄煤層炮掘工作面精確抽采及掘進(jìn)交替技術(shù)，極大地提高了高瓦斯薄煤層炮掘工作面掘進(jìn)過程中的安全性，同時(shí)大大增加了掘進(jìn)速率，保障了礦井生產(chǎn)的合理采掘比。

1 高瓦斯薄煤層雙巷合理交叉掘進(jìn)技術(shù)機(jī)理

1.1 掘進(jìn)工作面前方采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯流動(dòng)規(guī)律

隨著掘進(jìn)工作面的推移，根據(jù)采掘工作面前方支承壓力分布規(guī)律表明，在掘進(jìn)工作面前方始終存在3個(gè)應(yīng)力分布區(qū)，即卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)；同時(shí)相應(yīng)的破裂區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)也隨之分布。在卸壓區(qū)內(nèi)，煤體受采動(dòng)破壞性強(qiáng)，煤層孔裂隙高度發(fā)育，透氣性較原始煤層增加上百倍，因此，在該區(qū)域內(nèi)，由于破碎區(qū)瓦斯極易流失，因此破碎區(qū)內(nèi)瓦斯容易涌出到工作空間致使部分鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁垦杆傧陆?；而在塑性?nèi)區(qū)，由于透氣性的增加，煤層瓦斯?jié)B流強(qiáng)度增加，致使該區(qū)域內(nèi)的瓦斯抽采鉆孔內(nèi)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛群土髁客瑫r(shí)增加的現(xiàn)象。應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，由于應(yīng)力集中作用影響，煤層內(nèi)孔裂隙被壓密閉合，致使瓦斯流動(dòng)性降低，從而造成抽采鉆孔內(nèi)瓦斯流量及濃度變化較小。原始應(yīng)力區(qū)的煤體本身透氣性相對(duì)較低，該區(qū)域瓦斯抽采鉆孔內(nèi)瓦斯流量及濃度并無太大變化。因此，在采掘工作面前方瓦斯?jié)舛燃傲髁侩S距工作面距離的增加出現(xiàn)拋物線形狀。

1.2 雙巷合理交叉掘進(jìn)技術(shù)

根據(jù)上述掘進(jìn)工作面前方瓦斯流動(dòng)規(guī)律，提出了雙巷合理交替掘進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)是以巷道采動(dòng)前方煤體瓦斯賦存三區(qū)(卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū))分布為基礎(chǔ)，根據(jù)三區(qū)在掘進(jìn)過程中的相互過度交替、前方卸壓區(qū)內(nèi)透氣性系數(shù)劇增及卸壓區(qū)內(nèi)瓦斯流動(dòng)性增強(qiáng)等采動(dòng)時(shí)效特性，為高瓦斯掘進(jìn)工作面前方瓦斯抽采治理提供了最佳條件；同時(shí)，相鄰巷道的掘進(jìn)也存在相同的生產(chǎn)條件，單一巷道掘進(jìn)過程中安全性和掘進(jìn)效率都不高。因此，一條巷道在掘進(jìn)過程中，可對(duì)相鄰另一條巷道前方瓦斯進(jìn)行安全抽采，如此交替進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)過程的安全性，又提高了掘進(jìn)速度。雙巷合理交替掘進(jìn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是通過精確測(cè)定掘進(jìn)工作面前方煤體內(nèi)瓦斯抽采鉆孔瓦斯?jié)舛戎芷谧兓?guī)律，確定瓦斯增高區(qū)轉(zhuǎn)入初始區(qū)的時(shí)間間隔及距離，進(jìn)而根據(jù)日進(jìn)尺合理安排掘進(jìn)交叉時(shí)間，從而既能保證掘進(jìn)工作前方一定距離煤體內(nèi)瓦斯含量及壓力抽采到安全標(biāo)準(zhǔn)以下、實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯應(yīng)抽盡抽的理念，又能大大提高巷道掘進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)安全效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

2 雙巷合理交叉掘進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工作面概況

朱家店煤礦4#煤層為高瓦斯煤層，煤層平均厚度1 m，平均傾角9°。原始煤層瓦斯含量為10.18～13.64 m3/t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.024 d-1，煤層透氣性系數(shù)為4.073～5.708 m2/MPa2·d，屬于可抽放煤層。目前針對(duì)0403準(zhǔn)備工作面基本形成，所實(shí)施掘進(jìn)巷道為0403材料巷，而相鄰0405進(jìn)風(fēng)巷的掘進(jìn)是為下一個(gè)0405備用工作面服務(wù)的進(jìn)風(fēng)巷道，其中0403材料巷及0405進(jìn)風(fēng)巷的掘進(jìn)均通過0403回風(fēng)巷的本煤層瓦斯抽采進(jìn)行掩護(hù)掘進(jìn)，掘進(jìn)方式均采用炮掘。各巷道布置如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)工作面存在的問題

由于煤層原始瓦斯含量高，0403回風(fēng)巷掩護(hù)0403材料巷和0405進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)抽采瓦斯時(shí)間短，瓦斯抽采量不足，致使0403材料巷及0405進(jìn)風(fēng)巷瓦斯在掘進(jìn)過程容易發(fā)生突發(fā)性瓦斯超限事故；同時(shí)因工作面采用炮掘方式，加大了瓦斯事故發(fā)生的危險(xiǎn)性。而目前一些礦井包括朱家店煤礦在內(nèi)，通常在工作面前方實(shí)施停掘打鉆抽采瓦斯進(jìn)行快速瓦斯抽采或遷移至其它掘進(jìn)工作面等待抽采達(dá)標(biāo)再重新掘進(jìn)等方式來消除危險(xiǎn)性，致使掘進(jìn)效率大大降低，嚴(yán)重影響采掘接替。而簡(jiǎn)單的停掘進(jìn)行瓦斯抽采或直接移至下一相鄰巷道掘進(jìn)，在交替時(shí)間上并不合理，同時(shí)快速瓦斯抽采技術(shù)由于抽采時(shí)間較短，并不能完全保證再掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)前方瓦斯是否抽采達(dá)標(biāo)。

2.3 雙巷合理交叉掘進(jìn)交替時(shí)間確定

鄰巷交替掘進(jìn)技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵在于合理確定掘進(jìn)的交替時(shí)間，而交替時(shí)間取決于工作面前方采動(dòng)影響范圍及瓦斯抽采達(dá)標(biāo)情況。通過跟蹤記錄在0403回風(fēng)巷內(nèi)掩護(hù)0403材料巷工作面掘進(jìn)的前方瓦斯抽采鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛燃傲髁坑傻偷礁咴俚降偷陌l(fā)生過程，并記錄該時(shí)間長(zhǎng)度及相應(yīng)鉆孔數(shù)量，記錄鉆孔數(shù)量主要是測(cè)定卸壓區(qū)瓦斯抽采過程中濃度變化的區(qū)域，進(jìn)而間接測(cè)定炮掘采動(dòng)卸壓范圍，再根據(jù)炮掘日進(jìn)尺、濃度變化時(shí)間間隔及采動(dòng)卸壓范圍確定合理的交叉掘進(jìn)時(shí)間，進(jìn)而對(duì)雙交叉巷掘進(jìn)作出合理布置及安排，最終確保高瓦斯薄煤層炮掘工作面的安全性和掘進(jìn)的高效性。

圖1 朱家店煤礦4#煤層巷道布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述雙巷交叉掘進(jìn)時(shí)間確定實(shí)施方式，在0403回風(fēng)巷內(nèi)測(cè)定0403材料巷掘進(jìn)工作面前方卸壓區(qū)內(nèi)抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集處距輔助運(yùn)輸大巷約180 m。該區(qū)域內(nèi)鉆孔布孔間距為3 m，孔深50 m，鉆孔鉆進(jìn)方向與巷道煤壁垂直，傾角為近水平。抽采數(shù)據(jù)從第61#鉆孔開始采集，共采集61#～68#鉆孔抽采指標(biāo)，采集測(cè)定日期為2016年8月2-8日，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 0403材料巷180 m處掘進(jìn)工作面前方卸壓區(qū)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表1可看出隨著工作面的推進(jìn)，工作面前方抽采鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛燃巴咚沽髁孔兓S前方鉆孔位置先增大后降低；同一鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛燃傲髁侩S采動(dòng)變化也大致服從由高到低的過程。以63#鉆孔為例說明，為了測(cè)定掘進(jìn)工作面前方各鉆孔瓦斯參數(shù)變化情況，在62#鉆孔前方停止巷道掘進(jìn)，測(cè)量掘進(jìn)前方各鉆孔瓦斯參數(shù)變化，其中在63#鉆孔處瓦斯?jié)舛燃傲髁窟_(dá)到峰值，然后隨著距工作面距離的增加，各鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁块_始降低，直至恢復(fù)到未采動(dòng)之前的瓦斯抽采狀態(tài)上，并呈降低趨勢(shì)。這是由于停掘后，掘進(jìn)工作面前方卸壓區(qū)塑性區(qū)，即63#鉆孔附近區(qū)域內(nèi)孔隙大大增加，致使透氣性系數(shù)增加，從而使該區(qū)域的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到最佳效果；而逐漸向后推移的鉆孔，由于鉆孔逐漸回到彈性區(qū)即應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，孔裂隙處于原始狀態(tài)，致使鉆孔瓦斯?jié)舛燃凹兺咚沽髁孔兓^小。各抽采鉆孔瓦斯參數(shù)情況如圖2所示。在工作面停止掘進(jìn)后，隨著時(shí)間的推移，63#鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛燃傲髁恳仓饾u恢復(fù)到未采動(dòng)之前的狀態(tài)，也保持繼續(xù)降低趨勢(shì)。63#鉆孔瓦斯抽采參數(shù)情況如圖3所示。

圖2 各抽采鉆孔瓦斯參數(shù)

圖3 63#鉆孔瓦斯抽采參數(shù)

根據(jù)表1及圖2、圖3顯示，工作面前方卸壓區(qū)域?yàn)?～12 m，瓦斯抽采濃度及流量變化周期約為3～4 d，此時(shí)，工作面前方卸壓區(qū)內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞拷档偷皆汲椴伤?，說明鉆孔前方煤層瓦斯含量已降低到安全線以下，能夠保證掘進(jìn)工作面的安全性且抽采效率降低，持續(xù)抽采的意義不大。朱家店煤礦4#煤層炮掘工作面日進(jìn)尺為2 m/d，抽采4 d后，正好達(dá)到上一階段抽采安全區(qū)域內(nèi)，其后的掘進(jìn)區(qū)域需停止掘進(jìn)并繼續(xù)保持煤層瓦斯抽采，如此循環(huán)，方可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過程中的安全性。因此雙巷交叉掘進(jìn)接替時(shí)間為4 d，既能達(dá)到工作面前方卸壓瓦斯的應(yīng)抽盡抽原則，保證工作面安全掘進(jìn)，同時(shí)合理進(jìn)行雙巷交替掘進(jìn)，提高掘進(jìn)效率。

4 結(jié)論

(1)分析掘進(jìn)工作面前方采動(dòng)應(yīng)力及瓦斯流動(dòng)規(guī)律，得出了掘進(jìn)工作面前方存在卸壓區(qū)瓦斯?jié)舛燃傲髁坑傻偷礁咴俚降偷挠砍鲆?guī)律并得到現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

(2)根據(jù)高瓦斯薄煤層炮掘工作面前方瓦斯涌出規(guī)律，提出了高瓦斯薄煤層炮掘工作面雙巷交叉高效掘進(jìn)技術(shù)。

(3)朱家店煤礦4#煤層現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，0403材料巷炮掘工作面有效采動(dòng)卸壓半徑為9～12 m，卸壓區(qū)內(nèi)瓦斯流動(dòng)由高到低周期約為3～4 d，從而得出了雙巷交替掘進(jìn)的合理時(shí)間間隔為4 d。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Research on high efficiency driving technology of blasting driving face at high-gas thin coal seam

Wang Pinhe1, Hao Chaoyu1, Wang Ji2

(1. School of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China;2. Xiaojiawa Mine, Shanxi Jinxing Energy Co., Ltd., Lvliang, Shanxi 033600, China)

Based on analysis on the laws of mining-induced stress and gas flow before driving working face and production practice of Zhujiadian Mine, proposing double-lane-crossing high-efficiency driving techniques. Eventually, daily footage, associated with gas concentrate periodic changing law and accurate measurement of scopes for pre-drainage boreholes in front of the tailgate of 0403 drilling face, determined that 4 days is the reasonable period of double-lane-crossing drilling, which significantly improve safety environment of blasting working face at high-gas thin coal seam and driving efficiency.

high-gas thin coal seam, blasting driving face, double-lane-crossing drilling, gas concentrate, periodic changing， alternating time, drilling efficiency

TD263 TD712.52

A

王品賀(1987-)，遼寧興城人，碩士研究生，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，主要從事煤礦安全方面研究工作。

掘進(jìn)速率