煤巷掘进跨步预抽煤层瓦斯技术研究与应用

董　贺，许秋丽，孙　波,周　洋，闫　严

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈阳 110000；3.河南省前进化工科技集团股份有限公司，河南 洛阳 471000)

0　引言

瓦斯抽采不仅能降低煤层瓦斯储量，同时亦增强煤体的强度实现煤矿的安全采掘；另外，瓦斯抽采对清洁能源的开发利用及降低环境污染具有重大意义[1-2]。我国煤矿安全规程[3]规定严禁在未采取有效消突措施下的突出煤层进行采掘作业，对于高瓦斯及煤与瓦斯突出未界定的煤层，进行煤巷采掘等相关作业时，必然面临着工作面瓦斯超限、煤与瓦斯突出等潜在的威胁。目前掩护煤巷安全掘进的瓦斯抽采方法可分为穿层孔预抽煤巷条带瓦斯和顺层孔预抽煤巷条带瓦斯，穿层孔条带预抽煤巷瓦斯因需施工底(顶)板岩巷，安全性好，但经济成本较高，常用于掩护突出煤层煤巷安全掘进；顺层孔条带预抽煤巷瓦斯因成本低，见效快，常用于采用通风方式难以解决掘进工作面瓦斯涌出的煤层[4-5]。顺层孔掩护煤巷安全掘进的瓦斯抽采技术常采用一掘一抽的方式，具体可分为工作面长钻孔预抽前方煤体瓦斯，巷帮钻场随掘随抽前方煤体瓦斯；其中，前者主要用于煤层瓦斯含量大存在潜在瓦斯涌出的煤层煤巷掘进，后者主要用于解决煤巷掘进工作面瓦斯超限的煤层掘进。近些年，诸如水利冲孔、深孔欲裂爆破等增透措施在钻孔预抽煤层瓦斯方面取得较好应用效果，在顺层孔掩护煤巷掘进的抽采实践中，瓦斯抽采率得到有效提高，但因工序繁多，往往难以保障煤巷连续不间断掘进[6-10]。针对这种情况，提出煤巷掘进跨步预抽煤层瓦斯的方法，通过理论分析，确定了该方法预抽煤层瓦斯的关键技术参数，并在河南主焦矿煤巷掘进应用该技术的试验中取得成功。

1　煤巷条带煤体瓦斯跨步预抽法

1.1　跨步法预抽瓦斯原理[11]

煤巷工作面瓦斯灾害事故[12]可分为煤与瓦斯突出、工作面瓦斯涌出及因瓦斯涌出导致的瓦斯爆炸，人员窒息等灾害。掘进面煤体内预抽钻孔的施工及瓦斯抽采，一方面是煤体应力及瓦斯潜能的释放，消除了瓦斯灾害施工发生的动力来源，另一方面是煤层瓦斯含量的降低及工作面卸压区的扩大，减少了涌向掘进面的瓦斯量及增强了煤体阻碍煤与瓦斯动力灾害发生的能力，从而形成煤巷掘进的安全区，避免煤巷掘进期间的瓦斯灾害事故发生。基于此，跨步预抽煤巷煤层瓦斯技术通过在煤巷一定距离内布置钻场，并在钻场施工2倍于钻场间距的预抽钻孔；待煤巷掘进至下一钻场时，掘进面前方煤体必然存在钻孔交错重叠段和非重叠段，分别记为密集段和发散段。由于密集段钻孔分布密集，钻孔能有效释放工作面煤体应力集中，发展煤的孔隙、裂隙，从而增大煤的透气性，以至加速煤体瓦斯的释放；发散段钻孔分布较分散，主要起预抽工作面前方煤体瓦斯的作用，待煤巷掘进至下一钻场时，此时的发散段变为下一钻场的密集段。因此，随煤巷掘进，工作面前方煤体总保有密集抽放段和发散预抽段，从而保障煤巷的安全快速掘进。

1.2　预抽钻孔终孔布置优化

假设煤层为各向同性的均质多孔隙介质，则钻孔预抽煤体瓦斯过程中，其抽采影响区域为规则圆形；预抽钻孔抽采煤体瓦斯的相互之间影响关系可采用几何图形镶嵌理论进行分析，如图1所示。

图1　钻孔布置优化流程Fig.1　Flowchart of drill layout

图中，圆心A，B，C为抽采孔，阴影圆为钻孔抽采影响区。因瓦斯抽采孔周围煤体瓦斯流动区域之间存在多种组合形式，钻孔的优化布置可视为多个圆形影响区的排列组合问题，最大化利用瓦斯抽采效果的理想布孔置形式是圆与圆之间相切组合。根据圆的几何特征，可将3个圆视作1镶嵌单元；在镶嵌单元内，相切圆组合表明瓦斯抽采存在理论空白区，相交圆组合表明瓦斯抽采安全可靠。为提高钻孔利用率，降低工程施工量，上图给出了钻孔终孔布置优化的结果，此时，ΔABC为正三角形，顶点A，B，C至圆的公共交点距离均为抽采影响半径r，由此不难计算出，钻孔终孔间距LAB与瓦斯抽采影响半径r之间存在如下关系：

1.3　预抽钻孔平面布置优化设计

跨步预抽煤巷瓦斯钻孔设计以钻场布置为基准，瓦斯抽采影响半径和煤巷掘进速率为辅助指标；钻场在煤巷两侧成左右错位对称布置，形似人体行走时留下的足迹。钻孔的平面布置在空间与时效关系上可划分为2段2区，其中，沿煤巷掘进方向可分为密集段和分散段；在巷道中心线两侧可分为瓦斯抽排区和瓦斯抽采区，抽采区钻孔布置主要起到抽采瓦斯作用，抽采区钻孔先是抽采行帮煤体瓦斯，而后随巷道掘进逐渐由钻孔抽采煤体瓦斯变为钻孔排放煤体瓦斯。

假设钻场间距为S，巷道掘进速率为ν，掘进施工用时为T，则：

T=S/ν

令瓦斯抽采时间T1=T，在一定抽采基本参数下的瓦斯抽采影响半径为r1，瓦斯抽采率为η1；瓦斯抽采时间T2=2T，对应抽采影响半径为r2，瓦斯抽采率为η2。则钻孔平面设计布置如图2所示。

图2　钻孔布置设计Fig.2　Design of drill layout

图中，沿煤巷掘进方向，施工钻场(钻场1)与相邻钻场(钻场2)间为预抽钻孔密集段，相邻钻场(钻场2)与钻孔终孔处钻场(钻场3)间为发散段，密集段及发散段长度均等于钻场间距S。钻孔设计以发散段为主，密集段为辅，密集段及发散段钻孔分别以抽采时间T1和T2为指标进行设计；根据钻孔分布形态，钻孔在密集段分布较密集，起快速疏散煤体瓦斯作用，在发散段钻孔分布比较分散，起预抽煤体瓦斯作用。钻孔预抽伴随巷道掘进同时进行，待巷道掘进至下一钻场时，放散段变为密集段，密集段钻孔用于补抽放散区钻孔因抽采时间不足留下的空白区煤体瓦斯，从而保障了煤体瓦斯的有效抽放。

1.4　煤巷掘进及预抽钻孔施工工艺

跨步预抽煤层瓦斯技术的施工工艺可概述为确定瓦斯抽采影响半径，预抽钻孔施工，煤巷掘进。首先是测定一定合理抽采条件下的煤层瓦斯抽采影响半径r，根据已知不同抽采时间段(Ti)的瓦斯抽采影响半径(ri)设计抽采钻孔开孔参数及钻孔施工参数；而后施工抽采钻孔并及时进行封孔，待封孔质量有一定效果后将抽采孔连接到抽采管路进行瓦斯抽采，抽采孔施工完毕后，煤巷开始掘进，且每班掘进前进行工作面瓦斯突出危险性预测，预测指标表明无突出危险性时方可进行掘进；最后，待巷道掘进至下一钻场预定位置时，施工下一阶段预抽钻孔，并及时连接布置好抽采管路。

1.5　可行性分析

跨步预抽煤巷工作面煤体瓦斯属于顺层钻孔预抽条带煤层瓦斯技术的一种，均是基于煤层瓦斯渗流理论，通过施工抽采孔进行煤层瓦斯预抽，从而降低煤体瓦斯含量，保障工作面煤体的安全掘进。另外，该技术所需机械设备与工具材料均为煤矿瓦斯抽采常用设备材料，且施工工艺遵循一般煤巷掘进瓦斯抽采技术，即抽采孔施工、瓦斯抽放及巷道掘进。因此，跨步预抽煤巷煤体瓦斯技术具有1套可靠的基础理论和实际可操作性。

跨步预抽煤层瓦斯科学合理性的关键在于钻孔在一定时间段内能不留抽采死角的预抽工作面前方煤体瓦斯，保障煤体瓦斯含量降低到一定程度。根据预抽钻孔设计及施工工艺可知，工作面前方煤体密集段钻孔设计抽采时间为T1，煤巷由钻场1掘进至下一钻场(钻场2)时所用时长为T1，此时，发散段钻孔同样抽采T1时间；待煤巷掘进至下一阶段时(即钻场2至钻场3)，工作面前方发散段变为密集段，根据钻孔空间布置关系及煤巷掘进与钻孔预抽瓦斯的时差关系，煤巷掘进时，密集段煤体瓦斯已由上一阶段发散段的抽采区钻孔和抽放区钻孔抽放了T1时间，同时，本阶段密集段钻孔随巷道掘进进行随掘随抽，其随掘随抽时间为T1。因此，该技术实现了发散段钻孔和密集段钻孔对工作面前方煤体的交错抽放，同时保障了煤巷掘进时工作面前方煤体已进行了一定时间T1的预抽。另外，在钻孔布置方面，钻孔施工周期为T1，钻孔布置设计以抽采2T1时间内的影响半径为基准，可大大增加钻孔布置间距，有效降低预抽钻孔施工量；因密集段与发散段交错抽放煤体瓦斯，可有效消除巷道掘进时，预抽钻孔因被巷道连通，由抽采孔变为排放孔，使得抽排区煤体瓦斯存在一定抽采不达标的风险，同时，可弥补放散区预抽钻孔布置间距大而存在的抽采空白区，实现煤体瓦斯无死角有效抽采，保障煤巷总是处在安全区内煤体进行掘进。

通过上述分析不难得出，煤巷掘进跨步预抽煤体瓦斯技术不仅具有实际可操作性，同时亦具有一定科学可行性，可保障煤巷工作面前方煤体瓦斯有效抽采，实现煤巷安全快速掘进。

2　煤巷掘进跨步预抽法的应用

主焦矿为高瓦斯矿井，主采煤层为二1煤，煤层厚度2.1～7 m，平均5.1 m。其中，22采区为残采区，23采区为备采区。23采区二1煤层因未完成煤层突出危险性鉴定，按突出矿井开采进行管理。为完成该采区二1煤层突出危险性鉴定，同时保障煤巷的安全掘进，在2305上巷进行跨步预抽煤层瓦斯技术的应用研究。

2.1　试验说明

在现场应用中，已知2305上巷走向长517 m，现场测得23采区煤层瓦斯含量最大为5.79 m3/t，采用钻孔瓦斯流量法，经现场实际抽采试验测得23采区二1煤层瓦斯抽采情况如表1所示。

表1　煤层瓦斯抽采影响半径

主焦矿煤巷采用炮掘掘进，日进尺约5 m，结合矿井实际生产开拓计划，取巷道掘进30 m/周，即钻场间距S为30 m；根据瓦斯抽采影响半径测定结果，以抽采时间2T1为15 d为基准进行抽采钻孔设计，则钻孔终孔间距LAB为3.03 m、取整为3 m。结合现场，相邻钻场预抽钻孔以巷道为中心线成对称布置，如图3所示。预抽钻孔以巷道中心线为基准进行布置，孔径为84 mm，孔口采用聚氨酯封堵至孔里约4 m，各钻场钻孔具体施工参数以图2标注钻孔尺寸参数进行计算施工。待钻场钻孔施工完毕，及时连接至φ300的抽采管路进行煤巷的边掘边抽。

图3　钻孔施工平面布置Fig.3　Level arrangement of drill in construction

2.2　试验结果

采用跨步预抽法对2305上巷掘进面煤体进行边掘边抽，掘进期间，工作面风排瓦斯正常，距工作面下风侧60 m处巷道内测得回风流中最大瓦斯浓度为0.5%；且煤巷每掘进至下一循环前，进行工作面突出指标预测，待指标测试结果表明无突出危险时方进行下一掘进循环。现场测得2305上巷掘进期间工作面煤体瓦斯抽采情况如表2所示，工作面突出预测指标跟踪考察如图4，5，6所示。

表2　煤巷掘进瓦斯抽采结果汇总

图4　煤巷掘进q值跟踪考察结果Fig.4　Values of q measured in roadway excavation

图5　煤巷掘进S值跟踪考察结果Fig.5　Values of S measured in roadway excavation

图6　煤巷掘进期间Δh2值跟踪考察结果Fig.6　Values of Δh2 measured in roadway excavation

由此可见，在工作面掘进期间，瓦斯抽采流量分布均匀，无明显较大下降波动，这表明预抽钻孔的交替抽采并未影响巷道掘进期间的整体抽采效果；另外，根据煤层分布及瓦斯含量不难算出，在抽采期限为7 d情况下，煤巷条带煤体瓦斯整体抽采率为13.7%，相对试验钻孔在15 d抽采期限下的20%抽采率来说，仅下降了6.3个百分点，这表明跨步预抽法具有较好抽采效果；此外，掘进期间，工作面预测指标q值、S及Δh2分布稳定，分别在2L/min，2.3 kg/m，123 Pa附近波动，且现场测得最大值分别为2.4 kg/m，145 Pa，2.86L/min，这表明随巷道掘进瓦斯抽采稳定，效果良好，3项指标均为超出工作面突出预测指标临界值，有效保障了煤巷的安全掘进。

3　结论

1)跨步预抽煤层瓦斯法从理论上阐述了该技术的可行性，通过施工巷帮钻场超前钻孔，实现发散段钻孔预抽工作面煤体瓦斯，密集段钻孔快速释放工作煤体瓦斯；随巷道掘进，巷帮钻场的施工，发散段变为掘进面预抽钻场的密集段，密集段钻孔起补充抽放上一钻场发散段钻孔预抽煤体瓦斯作用，从而实现煤巷掘进面煤体瓦斯的连续无死角抽采，保障煤巷持续安全掘进。

2)现场实践表明，在煤巷掘进期间，煤巷条带煤体瓦斯整体抽采率为13.7%，且经煤体瓦斯预抽后，巷道风流最大瓦斯浓度仅为5%，跟踪考察的掘进面突出预测指标q值、S、Δh2最大为2.86L/min，2.4 kg/m，145 Pa，3项指标均为超出突出临界值。这表明跨步法预抽煤巷条带煤体瓦斯不仅能安全掩护煤巷掘进，避免采用穿层孔预抽煤层瓦斯掩护煤巷掘进带来的高额成本，同时可有效解决高瓦斯矿井煤巷快速掘进期间，工作面瓦斯超限的问题。

3)煤巷掘进跨步预抽煤层瓦斯技术发展了钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的方法，为我国煤巷安全掘进期间瓦斯治理提供了一定参考价值。

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