基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘進(jìn)速度確定

付 帥，佀慶民，王啟飛，郭昕曜，張宏圖

基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘進(jìn)速度確定

付 帥1，佀慶民1，王啟飛2，郭昕曜1，張宏圖3

(1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 民航學(xué)院，河南 鄭州 450046；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3. 河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

科學(xué)確定掘進(jìn)速度是保障高瓦斯、突出礦井安全高效生產(chǎn)的重要前提。為確定煤巷最佳掘進(jìn)速度，減小動力災(zāi)害發(fā)生，理論分析掘進(jìn)工作面前方瓦斯分布規(guī)律，并建立瓦斯涌出量數(shù)學(xué)模型，分析不同掘進(jìn)速度下瓦斯涌出特征。以山西汾西礦區(qū)金暉萬峰煤礦為例，分析其巷道瓦斯涌出規(guī)律，確定其最佳掘進(jìn)速度。結(jié)果表明：煤巷掘進(jìn)速度等于應(yīng)力遷移速度v，即以=v持續(xù)掘進(jìn)時，落煤瓦斯涌出量1不變，瓦斯涌出總量不變；當(dāng)<v持續(xù)掘進(jìn)時，1線性減小，也持續(xù)減小；當(dāng)>v持續(xù)掘進(jìn)時，1呈指數(shù)增加，持續(xù)增加；金暉萬峰煤礦1115工作面區(qū)域應(yīng)力遷移速度約為2.1 m每班次，以2.1 m每班次持續(xù)掘進(jìn)或分別以每班次2.4、1.6、2.4 m速度循環(huán)掘進(jìn)時，能夠?qū)崿F(xiàn)煤巷快速安全掘進(jìn)。在該礦1115工作面進(jìn)風(fēng)巷對研究結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場驗證并證實了該方法的可行性。

山西金暉萬峰煤礦；巷道掘進(jìn)；瓦斯涌出量；掘進(jìn)速度；應(yīng)力遷移速度

煤層賦存條件復(fù)雜化、多樣化是造成我國煤層開采難度大的主要原因，且隨著開采深度增加進(jìn)一步加劇，與此同時越來越多的瓦斯礦井轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚够蛲怀龅V井，煤與瓦斯突出問題日益嚴(yán)峻[1]。與此同時，隨礦井機械化程度的提高，綜合機械化掘進(jìn)因其掘進(jìn)效率高、速度快被廣大采礦工作者所青睞[2]，同時也面臨一些問題。綜掘速度過快，工作面前方瓦斯、應(yīng)力來不及釋放，此時若出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造軟煤帶，突出就容易發(fā)生，綜掘速度過慢，機械設(shè)備不能充分發(fā)揮其作用，造成掘進(jìn)效率低，影響生產(chǎn)進(jìn)程[3]。因此，研究綜掘煤巷合理掘進(jìn)速度對于控制突出事故發(fā)生、提高礦井生產(chǎn)效率具有重要意義。

工作面前方常存在一卸壓區(qū)，該區(qū)域內(nèi)瓦斯、應(yīng)力得到充分釋放，往往認(rèn)為此區(qū)域無突出危險性，若在卸壓區(qū)內(nèi)掘進(jìn)，可實現(xiàn)安全掘進(jìn)。一些學(xué)者采取理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等手段對卸壓范圍的確定做了大量研究[4-10]，但是在確定卸壓范圍時，其很少考慮時間因素對卸壓范圍的影響，無法準(zhǔn)確確定合理掘進(jìn)速度。此外，通過監(jiān)測工作面前方各種參數(shù)來確定其應(yīng)力遷移速度[11-12]，但參數(shù)測定過程受人為因素影響較大，測試精度不高。隨地球物理科學(xué)發(fā)展，地球物理方法如微震、電磁等被用于監(jiān)測掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力變化及動力災(zāi)害[13-15]，但因井下環(huán)境復(fù)雜，所監(jiān)測到的信號中噪聲信號較多、較雜、較強，難以進(jìn)行有效的信號分離，其準(zhǔn)確性較低。基于此，筆者通過分析不同掘進(jìn)速度下巷道瓦斯涌出特征，根據(jù)特征差異性判定最佳掘進(jìn)速度，以指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)，減小動力災(zāi)害發(fā)生。

1 巷道瓦斯涌出量理論模型建立

1.1 工作面前方煤體瓦斯含量分布

受采動影響工作面原始應(yīng)力狀態(tài)被打破，當(dāng)其達(dá)到新平衡后，工作面前方應(yīng)力可分為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)3個區(qū)域。基于實驗研究、現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬等手段研究發(fā)現(xiàn)，工作面前方瓦斯壓力與應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出較好的一致性[16-18]，瓦斯壓力自回采工作面開始至應(yīng)力集中區(qū)逐漸增加，在應(yīng)力集中區(qū)達(dá)到峰值，然后開始下降，至原巖應(yīng)力區(qū)基本保持不變。簡化為圖1所示。

由圖1可將瓦斯壓力曲線分為3段，由下式表示：