高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯治理研究

李 波

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

在礦井五大自然災(zāi)害中，瓦斯危害排名第一，瓦斯治理關(guān)系到整個(gè)礦井開(kāi)采和生產(chǎn)效益，必須要高度重視。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，煤巷掘進(jìn)工作面突出煤層占比較高，且突出次數(shù)高達(dá)94%以上。而突出煤層瓦斯含量高，危險(xiǎn)系數(shù)大，對(duì)工作人員而言，生命健康威脅大，因此對(duì)瓦斯的治理至關(guān)重要，特別是在綜合機(jī)械化掘進(jìn)中瓦斯的分級(jí)治理[1]。所以，對(duì)高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面實(shí)施瓦斯分級(jí)治理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面概述

某礦是高瓦斯礦井，094采區(qū)8號(hào)礦井4號(hào)煤層為主采煤層，煤層平均厚度為5.8 m，以中厚煤層為主，頂層的黑色泥巖平均厚度為3.2 m，含菱鐵、夾鋁土泥巖，底板灰黑色砂質(zhì)泥巖平均厚度為5.4 m，煤層原始瓦斯含量為12.4 m3/t，相對(duì)瓦斯涌出量為23.5 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為58.4 m3/t，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.28～0.48，透氣性系數(shù)為0.47 m/（MPa·d）。4號(hào)煤層掘進(jìn)工作屬于破壞類(lèi)型，在掘進(jìn)工作中很容易出現(xiàn)噴孔、抱鉆、頂鉆、卡鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。因此，在高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面作業(yè)時(shí)，使用常規(guī)瓦斯治理方法，很難有效解決瓦斯超限和雙巷掘進(jìn)過(guò)程中所產(chǎn)生的問(wèn)題，所以在煤巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過(guò)程中，必須要根據(jù)實(shí)際情況，采取分層治理，使用各種有效的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行綜合治理，比如“四位一體”，這樣才能有效實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合防治的理想效果，保障煤層掘進(jìn)工作高效運(yùn)行，避免各種危險(xiǎn)事故發(fā)生，提高礦井煤巷開(kāi)采的安全性和質(zhì)量。

2 高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯分級(jí)治理方法

2.1 工作面通風(fēng)

在瓦斯含量＜8 m3/t區(qū)域中。高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)是最基礎(chǔ)的瓦斯治理方法，因此應(yīng)科學(xué)選擇合理的通風(fēng)系統(tǒng)，既能為掘進(jìn)工作面提供充足的風(fēng)量，還能在一定程度上保證掘進(jìn)工作面的瓦斯安全。在絕大多數(shù)高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面中，局部通風(fēng)治理瓦斯比較常見(jiàn)，通風(fēng)量控制在300～800 m3/min，可采取大型通風(fēng)機(jī)雙機(jī)電機(jī)供風(fēng)（如圖1所示），比如FBD NO.5.0/2×5.5礦用風(fēng)機(jī)，該機(jī)型配套電機(jī)功率5.5 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，軸功率5.5 kW，風(fēng)機(jī)壓力750～3 000 Pa，供風(fēng)距離必須要控制在合理的范圍（1 000 m左右），如果供風(fēng)距離超過(guò)這個(gè)范圍，就會(huì)大大降低局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量[2]。

圖1 大型通風(fēng)機(jī)雙機(jī)電機(jī)

從各個(gè)大型高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面規(guī)模來(lái)看，巷道長(zhǎng)度超過(guò)2 000 m就不適合使用局部通風(fēng)，由于巷道長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力無(wú)法滿足巷道的長(zhǎng)度需求，在煤巷不斷掘進(jìn)的過(guò)程中，隨著巷道的長(zhǎng)度增加，瓦斯涌出量也在不斷增大，容易導(dǎo)致瓦斯含量超限，在這種情況下必須要采取有效的方法進(jìn)行解決。

因此，針對(duì)距離超過(guò)2 000 m的巷道，煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯治理方法使用大型機(jī)械設(shè)備，在巷道內(nèi)形成一個(gè)有效的通風(fēng)系統(tǒng)，并借助變頻調(diào)速技術(shù)、PLC控制與采集及上位檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)正常通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯實(shí)施控制。礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)除了能夠全自動(dòng)化控制巷道瓦斯含量，還能對(duì)重要風(fēng)機(jī)設(shè)備實(shí)施在線檢測(cè)，大大提高了設(shè)備的可靠性和安全性[3]，如下頁(yè)圖2所示。這種通風(fēng)系統(tǒng)可有效縮短供風(fēng)距離，還能確保煤巷供風(fēng)量滿足工作需求，有效稀釋瓦斯量，確保巷道瓦斯不會(huì)超過(guò)預(yù)警值。

圖2 礦機(jī)主要通風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.2 水力擠出

從目前的瓦斯治理方法來(lái)，水力擠出治理方法具有明顯的效果，當(dāng)煤巷掘進(jìn)工作面前方超過(guò)臨界時(shí)通過(guò)鉆孔向內(nèi)注水，可有效改善煤巖的突出傾向性、變形特征、強(qiáng)度性質(zhì)。隨著注水量增加，煤體含水率也在增加，煤體彈性模量和強(qiáng)度會(huì)大大降低。由于注水后，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤層逐漸被壓壞，導(dǎo)致煤體發(fā)生“塑化”變形。同時(shí)煤體彈性模量降低，會(huì)在一定程度上增加彈性能量的消耗，因此會(huì)大大降低煤的沖擊傾向力，減少危害事件的發(fā)生[4]。注水后由于煤體的擠出導(dǎo)致掘進(jìn)工作面承壓能力降低，同時(shí)導(dǎo)致臨界狀態(tài)帶4深度增加，促使卸壓帶范圍擴(kuò)大，為鉆孔的抽放工作提供了更為廣闊的空間。

通過(guò)鉆孔向內(nèi)注水，會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫，提升煤層透氣性，促使煤層內(nèi)的瓦斯實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步釋放，即使在后期掘進(jìn)時(shí)，涌出的瓦斯含量也會(huì)大大減少，保證了煤巷掘進(jìn)工作面的安全[5]。另外，使用底抽巷穿層孔的方法釋放掘進(jìn)工作面四周的瓦斯，除可有效提高煤的強(qiáng)度和透氣性外，還有利于增加注水量，從而有效控制瓦斯含量在合理的范圍內(nèi)。

注水孔布置方式如圖3所示。鉆孔數(shù)量為5個(gè)，鉆孔直徑為42mm，鉆孔深度為60m，封孔深度為7m，距巷中線距離為1.4 m。在施工過(guò)程中，需要盡量開(kāi)底抽巷穿層孔，且開(kāi)孔距離巷穿層孔的距離控制在0.3 mm。

注水參數(shù)對(duì)瓦斯和煤體有著直接的聯(lián)系，參數(shù)不同注水效果不同，如果注水壓力過(guò)低就會(huì)導(dǎo)致注水之間增長(zhǎng)，如果注水壓高過(guò)低就會(huì)引發(fā)外滲。因此在水力擠出時(shí)，必須要根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)定注水參數(shù)，適合把握注水量和注水壓力。

2.3 隔斷式鉆孔預(yù)抽迎頭煤體瓦斯

影響煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量主要來(lái)源于巷道兩側(cè)卸壓帶瓦斯，為了有效控制瓦斯的涌出量，可采取阻隔方式，在煤層和巷道之間建立屏障，防止在掘進(jìn)過(guò)程中巷道兩側(cè)卸壓帶瓦斯涌出，還能提前對(duì)未掘進(jìn)區(qū)域的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)面的瓦斯進(jìn)行抽放，大大降低了煤巷工作面瓦斯的涌出量[6]。

圖3 注水孔布置參數(shù)

3 嚴(yán)格瓦斯管理

在高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)中，割煤期間會(huì)涌出大量的瓦斯，且瓦斯含量占比較高，對(duì)整個(gè)煤巷掘進(jìn)來(lái)說(shuō)，只有合理控制好割煤環(huán)節(jié)的瓦斯，才能有效控制瓦斯含量，確保煤巷掘進(jìn)工作的安全性。所以必須要嚴(yán)格控制割煤工藝，按照相關(guān)流程和規(guī)章制度進(jìn)行割煤作業(yè)，割煤順序必須要按照從上往下進(jìn)行作業(yè)，這樣可有效避免在切割過(guò)程中出現(xiàn)瓦斯瞬間異常涌出等嚴(yán)重問(wèn)題[7]。另外，同樣要嚴(yán)格控制割煤速度，一定要?jiǎng)蛩俑蠲海蠲核俣鹊目刂菩枰鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯監(jiān)測(cè)情況，防止因割煤速度過(guò)快導(dǎo)致瓦斯涌出量增加，危害到工作人員的人身安全。割煤時(shí)間應(yīng)控制在最短時(shí)間內(nèi)，由于在割煤過(guò)程中瓦斯不斷涌出，當(dāng)涌出量濃度在0.4%時(shí)，若不能及時(shí)進(jìn)行排放，會(huì)導(dǎo)致煤巷瓦斯含量增加，故必須要合理控制割煤時(shí)間，一般情況下全斷面割煤時(shí)間控制在1 h內(nèi)，確保瓦斯?jié)舛瓤刂圃诤侠淼姆秶鷥?nèi)。煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.6%時(shí)，必須要停止割煤，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)主要由掘進(jìn)機(jī)司機(jī)負(fù)責(zé)[8]。通常情況下載掘進(jìn)機(jī)尾部安裝便攜式檢測(cè)儀，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.6%必須停機(jī)割煤。除此之外，還需要在回風(fēng)流探頭處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同樣瓦斯?jié)舛炔豢沙^(guò)0.6%，由專職監(jiān)測(cè)人員監(jiān)測(cè)，只有當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?.4%以下才能正常割煤。嚴(yán)格遵循以上要求進(jìn)行割煤，定能大幅度降低煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯含量，減少瓦斯含量超預(yù)警值次數(shù)60%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯治理是保障礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)和前提，在掘進(jìn)工作中只有使用合理的通風(fēng)系統(tǒng)，分級(jí)實(shí)施水力擠出措施和隔斷式鉆孔預(yù)抽迎頭煤體瓦斯措施，采取嚴(yán)格的瓦斯管理，才能保障礦井生產(chǎn)安全和工作人員生命安全。