煤、油共生條件下煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)探析

呂懷寶，張 帆

（1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西黃陵727306；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710000）

關(guān)健詞：巷道掘進(jìn)技術(shù)；煤與油、氣共生；綜掘自動(dòng)化；防治

礦產(chǎn)資源與能源的開發(fā)研究，是人類永恒的事業(yè)。煤炭在我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)中占據(jù)首要地位，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展將在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間里維持現(xiàn)有的能源分配比例不變。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局《2017 年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)結(jié)果，一次能源生產(chǎn)總量中原煤34.1×108t，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的62.0%，煤炭在能源產(chǎn)業(yè)中依然高居首榜。煤礦開采又以井工作業(yè)為主，井工開采巷道掘進(jìn)工作量大，因此巷道掘進(jìn)技術(shù)的優(yōu)劣決定著礦井生產(chǎn)水平。本文針對(duì)煤與油氣共存條件下巷道掘進(jìn)中存在的問題，從成因、危害、防控展開研究，解決其巷道掘進(jìn)過程中的難題。

1 國(guó)內(nèi)巷道掘進(jìn)的研究現(xiàn)狀

1.1 近50年發(fā)展歷程

地下開采是我國(guó)煤礦開采的主要形式，在機(jī)械化快速發(fā)展的21世紀(jì)，煤礦已形成井工作業(yè)綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝。該掘進(jìn)工藝效率高，每年開拓的煤巷、半煤巖巷、巖巷累計(jì)超過850余萬(wàn)米[1]，綜掘已形成先進(jìn)的技術(shù)體系，推動(dòng)了現(xiàn)代化礦山建設(shè)。縱觀近50年，巷道掘進(jìn)在我國(guó)先后經(jīng)歷了：人工、炮采階段，該方法工人工作量大，作業(yè)支護(hù)耗時(shí)，且對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有影響，是以基本被現(xiàn)代巷道掘進(jìn)遺棄。機(jī)械掘進(jìn)階段，現(xiàn)已形成3種形式：①綜合機(jī)械化掘進(jìn)，以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)方式；②連續(xù)采煤機(jī)與其它機(jī)械配合掘進(jìn)，主要掘進(jìn)機(jī)為采煤機(jī)；③掘錨一體化機(jī)組，主要掘進(jìn)機(jī)為掘錨機(jī)組[1]。迄今為止，礦井掘進(jìn)的主流形式為掘錨一體，及掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)后打錨迅速跟進(jìn)，緊接著完成加網(wǎng)或噴漿使巷道快速成型，形成整套的巷道掘進(jìn)工藝。該方法工藝的優(yōu)點(diǎn)如下：①大大節(jié)省了礦井掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間。相比懸臂式掘進(jìn)，它的支護(hù)時(shí)間減少，巷道成型時(shí)間縮短；②節(jié)省了人力的投入，比起炮掘工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅下降；③巷道強(qiáng)度高，交通方便。當(dāng)然，它也有不足之處：①適用于條件較好的煤巖環(huán)境，在巖空掘巷中劣勢(shì)；②對(duì)工人作業(yè)技術(shù)要求提高，錨桿跟進(jìn)快打眼角度、深度必須準(zhǔn)確。

1.2 綜掘自動(dòng)化的研究

綜掘自動(dòng)化研究是利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)來研究掘進(jìn)巷道，主要是掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制。它包括：掘進(jìn)前進(jìn)定向控制、遠(yuǎn)程遙控、智能檢測(cè)、預(yù)報(bào)診斷故障、數(shù)據(jù)輸出及記憶截割等系統(tǒng)。地面人員通過遠(yuǎn)程會(huì)診技術(shù)，利用攝像機(jī)等向井下進(jìn)行技術(shù)支持[1]。綜掘自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，方便了地面工作人員與井下掘進(jìn)的直接可視化、遠(yuǎn)程技術(shù)協(xié)助等工作，使得井下掘進(jìn)工作更加科學(xué)規(guī)范、方便快捷，減小了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。綜掘自動(dòng)化研究和發(fā)展，推動(dòng)了數(shù)字化礦山建設(shè)，使得礦山可視化、一體化、自動(dòng)化、正規(guī)化，這也是掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主流，今后的采掘技術(shù)都應(yīng)該向著自動(dòng)化方向發(fā)展。該自動(dòng)化技術(shù)可加快采掘，有利于快速掘進(jìn)，同時(shí)提高了巷道掘進(jìn)的安全性和穩(wěn)定性。

1.3 快速掘進(jìn)技術(shù)的研究

當(dāng)下采煤與掘進(jìn)相比，礦井單面生產(chǎn)能力基本滿足要求，但掘進(jìn)速度較為緩慢，已成為制約礦井高效生產(chǎn)的主要因素之一[2]。由于礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)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(zhì)及水文探測(cè)力度，做好預(yù)報(bào)工作，為快速采掘提供保障。掘進(jìn)速度的提高，依賴于機(jī)械化水平，支護(hù)成巷技術(shù)，掘進(jìn)組織作業(yè)形式優(yōu)化和管理水平。它的提高為煤礦安全、高產(chǎn)高效創(chuàng)造了條件。

2 礦井煤與油氣共存

2.1 煤與油氣共存現(xiàn)象

煤與油氣共存，是指含煤地層中蘊(yùn)含大量天然氣資源。在世界上大氣田和天然氣儲(chǔ)量的70%～80%，來自含煤地層，占能源結(jié)構(gòu)的比重達(dá)20%，雖然我國(guó)僅占世界儲(chǔ)量的2.1%，但其開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景巨大，有望成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中重要一員，故掘進(jìn)的同時(shí)應(yīng)兼顧天然氣、油氣資源的開發(fā)利用，摒棄前人在煤礦開采中“害”的觀點(diǎn)。施工中油、氣能否化害為例，關(guān)鍵得看采掘工藝[3]。

以黃陵礦區(qū)為例，黃陵礦區(qū)煤層中有油氣顯示及氣噴現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響著礦井安全，一號(hào)井北二盤區(qū)在掘進(jìn)、綜采過程中面臨頂板淋油的現(xiàn)象。因此在該盤區(qū)，展開油氣對(duì)煤層掘進(jìn)的影響研究。

2.2 油氣對(duì)巷道掘進(jìn)的危害分析

研究作用和意義：根據(jù)油氣對(duì)巷道掘進(jìn)危害的特點(diǎn)，來確定礦井巷道掘進(jìn)工作預(yù)先勘探任務(wù)、掘進(jìn)技術(shù)方法、施工管理。

煤與油、氣共生條件下掘進(jìn)工作的好壞，關(guān)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(chǎn)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(huì)爆炸；②煤自燃等礦井火災(zāi)，在采掘中會(huì)“火上澆油”其相互作用容易釀成并加劇火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展；③油氣中毒，在掘進(jìn)巷道時(shí)這些氣體會(huì)危害人體健康狀態(tài)[4]。

3 巷道掘進(jìn)措施

針對(duì)煤與油氣共存的特點(diǎn)，掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)充分考慮安全因素和天然氣開發(fā)利用。因此在巷道掘進(jìn)中預(yù)先探測(cè)顯得極為重要，它要與具體的巷道掘進(jìn)相符合，用來指導(dǎo)掘錨機(jī)組作業(yè)。含油氣煤層掘進(jìn)過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[4-6]：

（1）打鉆排油放氣：在采掘巷道開挖之初，根據(jù)預(yù)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(yù)先掘進(jìn)的成型巷道里，對(duì)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(duì)于巷道維護(hù)、礦井風(fēng)流新鮮度都有利，更能有效減少后期回采工作時(shí)煤體內(nèi)油、氣含量，有利于安全生產(chǎn)[4-5]。

（2）加強(qiáng)通風(fēng)管理：由于石油生成過程中會(huì)伴隨大量的油氣，所以在掘進(jìn)巷道開挖之時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油氣情況合理的控制掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)量，保證掘進(jìn)工作正常進(jìn)行。必要時(shí)可設(shè)專門的測(cè)風(fēng)管理人員，根據(jù)巷道掘進(jìn)實(shí)際情況結(jié)合前期油、氣探測(cè)結(jié)果分析預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，以加強(qiáng)對(duì)突發(fā)事件的管理，及時(shí)稀釋處理獨(dú)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(jìn)巷道中煤塵與油氣形成混合體，會(huì)降低巷道內(nèi)煤塵爆炸的下限濃度值。因此必須加強(qiáng)巷道防塵管理，對(duì)巷道裝置靜壓灑水系統(tǒng)，對(duì)掘進(jìn)點(diǎn)進(jìn)行噴霧降塵，其余巷道每80m留設(shè)一個(gè)噴頭，定時(shí)進(jìn)行除塵，清理巷道，降低煤塵危害。

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

4 結(jié)論

回顧我國(guó)掘進(jìn)工藝40年的變革，展望了礦井巷道掘進(jìn)掘錨一體化工藝、綜掘自動(dòng)化技術(shù)、快速掘進(jìn)技術(shù)為發(fā)展的大勢(shì)所趨。掘錨一體化機(jī)組省時(shí)、省工，支護(hù)強(qiáng)度高、方便；綜掘自動(dòng)化可實(shí)現(xiàn)地面專家與井下掘進(jìn)系統(tǒng)的良好互動(dòng)，有助于采掘故障處理和數(shù)字化礦山建設(shè)；而快速采掘技術(shù)能彌補(bǔ)現(xiàn)在采礦工藝中掘進(jìn)慢的難題。

同時(shí)，針對(duì)礦井掘進(jìn)作業(yè)中油、氣顯現(xiàn)嚴(yán)重的情況，分析油、氣對(duì)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(chǔ)上結(jié)合礦井采掘?qū)嶋H情況提出具體預(yù)防、控制措施，主要為：①打鉆排油放氣；②加強(qiáng)通風(fēng)管理；③加強(qiáng)防塵措施；④及時(shí)清洗金屬支架和支柱。