基于瓦斯涌出监测的巷道掘进迈步钻场瓦斯抽采技术研究

2021-01-08王伟林谷嘉兴郭书明

中国煤炭 2020年12期

王伟林谷嘉兴郭书明连强

(1.山西潞安化工集团余吾煤业有限责任公司，山西省长治市，046100；2.中国矿业大学，江苏省徐州市，221116)

余吾煤业3号煤层埋藏较深，瓦斯含量高，且瓦斯赋存条件复杂，掘进期间由于风筒出口风流至工作面端头快速折返，加之掘进设备、风筒连接不规范及漏风等原因，使得风流流动的多向性、不稳定性，瓦斯涌出的不均匀性都特别明显[1]。为防止掘进工作面瓦斯异常涌出给矿井安全生产带来影响，也为了更准确地了解工作面瓦斯涌出状况，对S5202回风巷及S2108胶带巷掘进工作面的风量、瓦斯浓度进行了现场实测，研究掘进工作面在不同长度以及不同暴露时间条件下的瓦斯涌出规律。

1 工作面概况

(1)S5202回风巷。S5202回风巷在南五采区轨道下山(南)帮开口，沿3号煤层底板掘进，煤层厚度6.15 m；S5202回风巷全长1767 m，截至2014年8月6日4点班，S5202回风巷掘进934.2 m，平均掘进进尺5.4 m/d，设计断面尺寸为5.4 m×3.8 m，实际断面尺寸为5.8 m×3.8 m，计划通风量1200 m3min，实际通风量1500 m3min，风量富裕系数1.25，煤层原始瓦斯含量为11 m3t，残余瓦斯含量2.37 m3t。

(2)S2108胶带巷。S2108胶带巷位于南二采区，胶带辅运巷由进风下山北帮开口，施工至正巷反掘与胶带下山贯通，沿3号煤层底板掘进，煤层厚度6.15 m，煤层原始瓦斯含量为9.5 m3t；S2108胶带巷设计全长1351 m，截至2015年4月14日8点班，S2108胶带巷掘进604.3 m，平均掘进进尺5.4 m/d，设计断面尺寸为5.4 m×3.8 m，实际断面尺寸为5.8 m×3.8 m，计划通风量1062 m3min，实际通风量1422 m3min，风量富裕系数1.34，由回风联络巷回风。

在S2108胶带巷内施工顺层钻孔，由3号钻场处开始施工，截至2014年4月14日，已施工80个孔，均已封孔，其抽采量为3.08 m3min，距工作面掘进头约100 m。

2 煤壁瓦斯涌出量规律

2.1 煤壁瓦斯涌出量实测

为了研究煤壁瓦斯涌出系数(qm)与煤壁暴露时间(t)之间的函数关系，可以通过掘进面瓦斯涌出量实测来确定。其测定方法为：在停机30 min后，对掘进工作面瓦斯浓度分布进行测量，此时工作面受掘进落煤影响相对较小。在S5202回风巷掘进工作面距掘进头5 m处布置第1个测点，20～100 m每隔20 m布置1个测点，100～500 m每隔50 m布置1个测点，500～800 m每隔100 m布置1个测点，测量各个测点的瓦斯浓度及风量，依次计算各段巷道的瓦斯涌出量[2]。结果见表1。

表1 S5202掘进工作面瓦斯涌出量实测数据

图1 瓦斯分布随测点距工作面距离的变化规律

图2 巷道瓦斯涌出量与平均暴露时间的关系曲线

根据表1实测数据，绘制出工作面不同距离风流中瓦斯量的变化曲线与每米巷道瓦斯涌出量与其平均暴露时间的关系曲线，如图1和图2所示。图2中两者之间的变化关系表明，每米巷道瓦斯涌出量qm与平均暴露时间t近似呈双曲线关系，每米巷道瓦斯涌出量随煤壁暴露时间的增加呈降低趋势。其衰减经验公式为[3]：

(1)

式中：qm——经过时间t后，巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；

q0m——初始时间(t=0)，巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；

t——巷道煤壁暴露时间，d。

将式(1)两边对数化得线性方程：

lnqm=lnq0m-aln(1+t)

(2)

以lnqm为纵坐标，ln(1+t)为横坐标，即复对数坐标系，再根据每个测点的值绘制出lnqm与ln(1+t)的关系图，如图3所示。从图3可以看出，2个参数呈良好的直线关系，所以每米巷道瓦斯涌出量qm与平均暴露时间t的关系经验公式成立。

图3 lnqm与ln(1+t)的关系

用Origin软件拟合法得出函数：

lnqm=-0.4624-1.0696ln(1+t)

(3)

即lnq0m=-0.4624，q0m=0.6298，a=-1.0696。将其代入式(1)，得出S5202回风巷掘进工作面每米巷道煤壁瓦斯涌出量强度随时间变化规律为：

(4)

2.2 巷道煤壁瓦斯涌出强度相对衰减随时间的变化规律

(5)

根据式(5)，煤壁在不同暴露时间t时，其衰减系数η值见表2。

分析表2数据，煤壁瓦斯涌出量随时间的延长而降低，其衰减关系如图4所示，从理论上讲，煤壁瓦斯放散是无限的，而实际中，当煤壁经过一段暴露时间后，煤壁瓦斯涌出量下降到很微小的程度，甚至可以忽略。

表2 衰减系数η值与煤壁不同暴露时间t的关系

图4 衰减系数η与煤壁暴露时间t的关系曲线

2.3 落煤瓦斯涌出量与巷道掘进速度关系

在掘进工作面中，掘进落煤中涌出的瓦斯是巷道瓦斯来源的另一部分。该部分瓦斯涌出量主要取决于煤层原始瓦斯含量、运出巷道后煤体残存瓦斯含量以及掘进工作面落煤量。掘进工作面落煤瓦斯涌出量按下式计算：

(6)

式中：Ql——掘进工作面落煤瓦斯涌出量，m3/min；

S——掘进工作面巷道断面，取22.04 m2；

υ——平均掘进速度，5.4 m/d；

γ——容重，1.39 t/m3；

x0、xc——煤壁原始瓦斯含量以及残存瓦斯含量，分别取11 m3/min和2.37 m3/min。

将相关参数代入式(6)，可得Q1=0.99 m3/min。

2.4 瓦斯涌出量规律分析

通过煤壁瓦斯涌出规律的研究，可以制定切实可行的瓦斯防治措施。

(1)煤壁暴露时间在0～7 d内，煤壁瓦斯涌出量降低迅速；煤壁暴露时间在7～17 d内，煤壁瓦斯涌出量降低较为平缓，煤壁瓦斯涌出量降低0.023 m3/min；煤壁暴露时间在17 d之后，煤壁瓦斯涌出量进入平稳期，煤壁瓦斯涌出量随时间变化较小。

(2)煤壁瓦斯涌出量随时间的延长而降低，煤壁瓦斯放散是无限的，而实际中，当煤壁经过一段暴露时间后，煤壁瓦斯涌出量下降到很微小的程度，甚至可以忽略。因此，在矿井连续掘进的巷道中，经过一定的暴露时间后，整条巷道总瓦斯涌出量将趋于一稳定数值。

(3)S5202回风巷掘进工作面瓦斯涌出量包括掘进巷道煤壁瓦斯涌出量和落煤涌出量两部分，按每天掘进6排4.5 m计算，掘进落煤中瓦斯涌出量为0.99 m3/min；计划通风量1200 m3min，实际通风量1500 m3min，风量富裕系数1.25，通风能够满足掘进要求。

(4)掘进头至100～200 m范围内煤壁瓦斯涌出量较高，如有条件可在邻近巷道打设掘前预抽孔带抽；如无区域预抽条件，可适当增加迈步钻场的掘前预抽孔个数，以控制掘进面瓦斯涌出。

3 现场应用

3.1 实施方案

按照余吾煤业公司的规定，对瓦斯涌出量大于3 m3/min的掘进工作面，采用区域迈步钻场护帮钻孔的方式来保证掘进工作面的区域防突工作。在掘进工作面前方形成超前控制长度L=100 m、侧翼控制半径R=20 m的密集钻场，根据煤层瓦斯含量、煤体硬度、透气性等参数，优化孔间距、倾角、方位角、孔深、抽采负压等参数，配合高效封孔工艺，实现对掘进面前方和侧翼的瓦斯预抽保护。

以S2108胶带巷为例，对迈步钻场及钻孔参数进行如下优化。

(1)布置原则：分别在巷帮两侧每100 m布置一个迈步钻场，不同侧钻场交错距离50 m，S2108胶带巷钻场布置如图5所示。

(2)迈步钻场规格：深4 m，内宽5 m，高4.5 m，高出巷道顶板0.7 m。

(3)钻孔设计原则：钻孔分3层立体化设计，上层钻孔距顶板0.5 m，共布置12个钻孔；中层钻孔距底板2.5 m，布置4个钻孔；下层钻孔距底板1.5 m，布置4个钻孔，孔径均为Φ113 mm，其他钻孔参数见表3。

为了更好地控制巷道上方卸压瓦斯，每组钻场上层钻孔的终孔布置到煤层顶板处，用来控制钻场高位瓦斯。预抽钻孔应以巷道中线为基准，向周围煤体呈扇形状排列。钻孔设计按照要求进行即可，具体钻孔布置如图5～图7所示，钻孔参数见表3[4-9]。

图5 迈步钻场钻孔布置

图6 迈步钻场帮部钻孔布置

图7 钻场钻孔布置示意图

表3 迈步钻场预抽钻孔参数

3.2 效果分析

迈步钻场实施后，迈步钻场段巷道瓦斯涌出量的特征如图8所示。

由图8可知，迈步钻场实施后，各测段瓦斯增量随着距工作面距离的增大而减小，测段距离工作面150 m之后，瓦斯增加量趋于0.01 m3/min。通过此方式能够很好地保证掘进工作面的区域防突工作。同时，有效降低了瓦斯突出风险，工作面及回风隅角瓦斯浓度控制在安全值范围以内，保证了正常的生产秩序和矿井的安全生产[10]。