高瓦斯薄煤層炮掘工作面高效掘進技術研究

王品賀 郝朝瑜 王 績

(1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，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技術研究

王品賀1郝朝瑜1王 績2

(1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，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)

通過對掘進工作面前方采動應力及瓦斯流動規律的分析并結合朱家店煤礦生產實際，提出了雙巷交叉高效掘進技術。通過對朱家店煤礦0403材料巷掘進工作面前方預抽鉆孔瓦斯濃度周期變化規律及范圍的準確測定，最終根據日進尺綜合確定雙巷交叉掘進的合理周期為4 d，極大地提高了高瓦斯薄煤層炮掘工作面安全環境及掘進效率。

高瓦斯薄煤層 炮掘工作面 雙巷交叉掘進 瓦斯濃度 周期變化 交替時間

我國煤炭資源豐富但賦存條件極其復雜，因此，開采技術及安全環境差異巨大，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較大，工作面掘進過程中瓦斯涌出量較大，再加上工作面采用爆破掘進，安全性及掘進效率大大降低，造成采掘接替緊張局面。同時，在采掘工作面前方造成的卸壓區內孔裂隙大大發育，煤層透氣性系數成百倍增加，該區域抽采鉆孔瓦斯濃度及流量隨采動大大增加，因此，利用采動影響治理掘進工作面瓦斯問題具有重要意義。針對采掘工作面前方采動影響及瓦斯抽采關系，王凱等人通過對工作面采動煤體卸壓增透效應進行研究，得出了不同偏角下的預抽鉆孔卸壓瓦斯抽采量計算式；梁冰等人通過對掘進工作面瓦斯流動規律進行數值模擬認為，采掘工作面前方煤體的影響范圍可達30 m；尹光志等人通過對采動過程中瓦斯抽采流量與煤層支承壓力的相關性研究得出，在工作面前方15～25 m處支承應力達到峰值且構建了瓦斯抽采流量負指數表達式。本文根據前人研究成果，結合朱家店煤礦實際，提出了高瓦斯薄煤層炮掘工作面精確抽采及掘進交替技術，極大地提高了高瓦斯薄煤層炮掘工作面掘進過程中的安全性，同時大大增加了掘進速率，保障了礦井生產的合理采掘比。

1 高瓦斯薄煤層雙巷合理交叉掘進技術機理

1.1 掘進工作面前方采動應力及瓦斯流動規律

隨著掘進工作面的推移，根據采掘工作面前方支承壓力分布規律表明，在掘進工作面前方始終存在3個應力分布區，即卸壓區、應力集中區和原始應力區；同時相應的破裂區、塑性區及彈性區也隨之分布。在卸壓區內，煤體受采動破壞性強，煤層孔裂隙高度發育，透氣性較原始煤層增加上百倍，因此，在該區域內，由于破碎區瓦斯極易流失，因此破碎區內瓦斯容易涌出到工作空間致使部分鉆孔瓦斯濃度和流量迅速下降；而在塑性內區，由于透氣性的增加，煤層瓦斯滲流強度增加，致使該區域內的瓦斯抽采鉆孔內出現瓦斯濃度和流量同時增加的現象。應力集中區內，由于應力集中作用影響，煤層內孔裂隙被壓密閉合，致使瓦斯流動性降低，從而造成抽采鉆孔內瓦斯流量及濃度變化較小。原始應力區的煤體本身透氣性相對較低，該區域瓦斯抽采鉆孔內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濃度及流量隨距工作面距離的增加出現拋物線形狀。

1.2 雙巷合理交叉掘進技術

根據上述掘進工作面前方瓦斯流動規律，提出了雙巷合理交替掘進技術。該技術是以巷道采動前方煤體瓦斯賦存三區(卸壓區、應力集中區和原始應力區)分布為基礎，根據三區在掘進過程中的相互過度交替、前方卸壓區內透氣性系數劇增及卸壓區內瓦斯流動性增強等采動時效特性，為高瓦斯掘進工作面前方瓦斯抽采治理提供了最佳條件；同時，相鄰巷道的掘進也存在相同的生產條件，單一巷道掘進過程中安全性和掘進效率都不高。因此，一條巷道在掘進過程中，可對相鄰另一條巷道前方瓦斯進行安全抽采，如此交替進行，即實現了巷道掘進過程的安全性，又提高了掘進速度。雙巷合理交替掘進技術的實現主要是通過精確測定掘進工作面前方煤體內瓦斯抽采鉆孔瓦斯濃度周期變化規律，確定瓦斯增高區轉入初始區的時間間隔及距離，進而根據日進尺合理安排掘進交叉時間，從而既能保證掘進工作前方一定距離煤體內瓦斯含量及壓力抽采到安全標準以下、實現煤層瓦斯應抽盡抽的理念，又能大大提高巷道掘進效率，實現安全效益和經濟效益雙贏。

2 雙巷合理交叉掘進技術試驗

2.1 試驗工作面概況

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0.024 d-1，煤層透氣性系數為4.073～5.708 m2/MPa2·d，屬于可抽放煤層。目前針對0403準備工作面基本形成，所實施掘進巷道為0403材料巷，而相鄰0405進風巷的掘進是為下一個0405備用工作面服務的進風巷道，其中0403材料巷及0405進風巷的掘進均通過0403回風巷的本煤層瓦斯抽采進行掩護掘進，掘進方式均采用炮掘。各巷道布置如圖1所示。

2.2 試驗工作面存在的問題

由于煤層原始瓦斯含量高，0403回風巷掩護0403材料巷和0405進風巷掘進抽采瓦斯時間短，瓦斯抽采量不足，致使0403材料巷及0405進風巷瓦斯在掘進過程容易發生突發性瓦斯超限事故；同時因工作面采用炮掘方式，加大了瓦斯事故發生的危險性。而目前一些礦井包括朱家店煤礦在內，通常在工作面前方實施停掘打鉆抽采瓦斯進行快速瓦斯抽采或遷移至其它掘進工作面等待抽采達標再重新掘進等方式來消除危險性，致使掘進效率大大降低，嚴重影響采掘接替。而簡單的停掘進行瓦斯抽采或直接移至下一相鄰巷道掘進，在交替時間上并不合理，同時快速瓦斯抽采技術由于抽采時間較短，并不能完全保證再掘進時掘進前方瓦斯是否抽采達標。

2.3 雙巷合理交叉掘進交替時間確定

鄰巷交替掘進技術實施的關鍵在于合理確定掘進的交替時間，而交替時間取決于工作面前方采動影響范圍及瓦斯抽采達標情況。通過跟蹤記錄在0403回風巷內掩護0403材料巷工作面掘進的前方瓦斯抽采鉆孔內瓦斯濃度及流量由低到高再到低的發生過程，并記錄該時間長度及相應鉆孔數量，記錄鉆孔數量主要是測定卸壓區瓦斯抽采過程中濃度變化的區域，進而間接測定炮掘采動卸壓范圍，再根據炮掘日進尺、濃度變化時間間隔及采動卸壓范圍確定合理的交叉掘進時間，進而對雙交叉巷掘進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的高效性。

圖1 朱家店煤礦4#煤層巷道布置

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

根據上述雙巷交叉掘進時間確定實施方式，在0403回風巷內測定0403材料巷掘進工作面前方卸壓區內抽采鉆孔內的瓦斯數據，數據采集處距輔助運輸大巷約180 m。該區域內鉆孔布孔間距為3 m，孔深50 m，鉆孔鉆進方向與巷道煤壁垂直，傾角為近水平。抽采數據從第61#鉆孔開始采集，共采集61#～68#鉆孔抽采指標，采集測定日期為2016年8月2-8日，數據統計結果如表1所示。

表1 0403材料巷180 m處掘進工作面前方卸壓區鉆孔瓦斯抽采數據統計結果

3.2 試驗結果分析

由表1可看出隨著工作面的推進，工作面前方抽采鉆孔內瓦斯濃度及瓦斯流量變化隨前方鉆孔位置先增大后降低；同一鉆孔內瓦斯濃度及流量隨采動變化也大致服從由高到低的過程。以63#鉆孔為例說明，為了測定掘進工作面前方各鉆孔瓦斯參數變化情況，在62#鉆孔前方停止巷道掘進，測量掘進前方各鉆孔瓦斯參數變化，其中在63#鉆孔處瓦斯濃度及流量達到峰值，然后隨著距工作面距離的增加，各鉆孔瓦斯濃度和流量開始降低，直至恢復到未采動之前的瓦斯抽采狀態上，并呈降低趨勢。這是由于停掘后，掘進工作面前方卸壓區塑性區，即63#鉆孔附近區域內孔隙大大增加，致使透氣性系數增加，從而使該區域的瓦斯流動狀態達到最佳效果；而逐漸向后推移的鉆孔，由于鉆孔逐漸回到彈性區即應力集中區和原始應力區，孔裂隙處于原始狀態，致使鉆孔瓦斯濃度及純瓦斯流量變化較小。各抽采鉆孔瓦斯參數情況如圖2所示。在工作面停止掘進后，隨著時間的推移，63#鉆孔內瓦斯濃度及流量也逐漸恢復到未采動之前的狀態，也保持繼續降低趨勢。63#鉆孔瓦斯抽采參數情況如圖3所示。

圖2 各抽采鉆孔瓦斯參數

圖3 63#鉆孔瓦斯抽采參數

根據表1及圖2、圖3顯示，工作面前方卸壓區域為9～12 m，瓦斯抽采濃度及流量變化周期約為3～4 d，此時，工作面前方卸壓區內鉆孔瓦斯濃度及瓦斯純量降低到原始抽采水平，說明鉆孔前方煤層瓦斯含量已降低到安全線以下，能夠保證掘進工作面的安全性且抽采效率降低，持續抽采的意義不大。朱家店煤礦4#煤層炮掘工作面日進尺為2 m/d，抽采4 d后，正好達到上一階段抽采安全區域內，其后的掘進區域需停止掘進并繼續保持煤層瓦斯抽采，如此循環，方可實現掘進過程中的安全性。因此雙巷交叉掘進接替時間為4 d，既能達到工作面前方卸壓瓦斯的應抽盡抽原則，保證工作面安全掘進，同時合理進行雙巷交替掘進，提高掘進效率。

4 結論

(1)分析掘進工作面前方采動應力及瓦斯流動規律，得出了掘進工作面前方存在卸壓區瓦斯濃度及流量由低到高再到低的涌出規律并得到現場驗證。

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

(3)朱家店煤礦4#煤層現場觀測數據結果表明，0403材料巷炮掘工作面有效采動卸壓半徑為9～12 m，卸壓區內瓦斯流動由高到低周期約為3～4 d，從而得出了雙巷交替掘進的合理時間間隔為4 d。

[1]王凱，鄭吉玉，夏威等.工作面采動煤體卸壓增透效應研究與應用.煤炭科學技術，2014(6)

[2]梁冰，劉薊南，孫維吉等.掘進工作面瓦斯流動規律數值模擬分析. 中國地質災害與防治學報，2011(4)

[3]馬海峰，王磊，殷志強等.掘進煤巷瓦斯滲流模型及運移規律研究. 中國煤炭，2013(8)

[4]尹光志，何兵，李銘輝等.采動過程中瓦斯抽采流量與煤層支承應力的相關性. 煤炭學報，2015(4)

[5]李學臣. 卸壓帶抽放煤層瓦斯技術在回采工作面的應用. 煤礦安全，2007(12)

[6]吳兵， 吳有增，張琰東等. 常村煤礦工作面卸壓區瓦斯抽放實踐. 煤炭工程，2007(12)

[7]楊建國，歐陽廣斌，劉偉等.高突綜采工作面卸壓區瓦斯抽放技術. 中國煤炭，2003(10)

[8]丁勇，李紹泉，秦震東等.松河礦煤巷快速掘進技術研究. 中國煤炭，2011(12)

(責任編輯 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，畢業于遼寧工程技術大學，主要從事煤礦安全方面研究工作。

掘進速率