九里山矿底板岩巷施钻瓦斯涌出规律研究

杨 恒，辛新平，魏国营，李学臣，刘小磊，郝 殿，贾天让，郭艳飞

（1.河南能源集团有限公司，河南郑州 450046；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003；3.焦作煤业集团有限责任公司科学技术研究所，河南焦作 454002）

随煤矿开采“双零”目标的提出，开采过程中对瓦斯体积分数要求越来越严格，瓦斯超限也是制约煤矿开采的主要难题，前人就煤矿瓦斯涌出规律进行了一系列研究，研究了瓦斯涌出的影响因素[1-4]，提出了一系列瓦斯涌出量预测方法[5-9]。魏东等[10]通过研究“三软”煤层瓦斯涌出规律，分析了采掘期间瓦斯涌出规律，改进了瓦斯抽采措施；付帅等[11]通过分析巷道瓦斯涌出规律，研究了巷道掘进速度与瓦斯涌出量之间的关系；张镭等[12]以长岭煤矿为例研究了开采层、邻近层及采空区瓦斯涌出规律；伍小沙等[13]利用数值模拟研究了钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力的关系；张羽等[14]以余吾煤矿3 号煤层为例，研究了掘进过程落煤瓦斯涌出影响因素；何云文等[15]通过分析急倾斜煤层瓦斯涌出影响因素，建立了相应的预测方法。从以上研究可以看出，前人更多的是关注回采及掘进期间瓦斯涌出问题，对施钻过程中瓦斯涌出规律研究不足。基于此，以焦作矿区九里山矿为例，研究底抽巷施钻期间瓦斯涌出规律，阐明施钻期间瓦斯涌出主要来源，为防喷装置研究提供理论基础。

1 巷道堆煤瓦斯涌出规律

钻孔施工作业期间，瓦斯涌出源头主要包括围岩瓦斯涌出、巷道堆煤瓦斯涌出及钻孔瓦斯涌（喷）出。目前，焦作矿区均采用底抽岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯，巷道围岩瓦斯涌出可基本忽略不计。

为考察巷道堆煤对瓦斯超限的影响，在九里山矿东二中间底抽巷、16131 中间底抽巷进行了现场考察。在施工现场采集刚冲出的煤粉（过滤水分）装入煤样罐，采用井下瓦斯解吸仪进行现场解吸，考察煤粉解吸规律。九里山矿东二中间底抽巷穿层钻孔冲孔煤粉解吸情况见表1。

表1 九里山矿东二中间底抽巷穿层钻孔冲孔煤粉解吸情况Table 1 Desorption of coal powder punched by borehole in the east second middle bottom pumping lane of Jiulishan Mine

由表1 可以看出，所取煤样受冲孔水分影响，现场解吸量整体较小，40 min 内煤样瓦斯基本不再涌出，且不同倾角冲煤瓦斯涌出情况较平均；其中，东二中间底抽巷统尺112～232.5 m 范围测定原始瓦斯含量为14.24～17.30 m3/t，平均为15.74 m3/t，冲孔煤样累计瓦斯解吸量为0.12～0.48 m3/t，平均0.26 m3/t；16131 中间底抽巷370.0～418.5 m 范围测定原始瓦斯含量为14.89～19.11 m3/t，平均为16.69 m3/t，冲孔煤样累计瓦斯解吸量为0.37～1.14 m3/t，平均为0.62 m3/t。

随煤层赋存原始瓦斯含量增大，冲煤瓦斯涌出量呈快速增大趋势。该部分瓦斯涌出后，将直接逸散到巷道风流中。若按照东二中间底抽巷四部钻机同时冲孔，钻孔出煤量为1 t/m，单班冲孔进尺20 m 计算，冲孔煤约释放5.2 m3瓦斯涌入巷道风流；16131 中间底抽巷三部钻机同时施工，钻孔出煤量为1 t/m，单班冲孔进尺15 m 计算，冲孔煤约释放9.3 m3瓦斯涌入巷道风流，若按照底抽巷300～500 m3/min 风量计算，风流瓦斯体积分数增加不足0.01%，可忽略不计。

2 孔口瓦斯涌出规律

施钻过程中，瓦斯从钻孔不断涌出，虽然目前各矿井均使用了防喷装置，由于装置的不可靠性，仍会从钻孔四周涌出大量瓦斯，对钻孔瓦斯涌出规律进行考察，钻孔下风侧瓦斯体积分数测定布置图如图1。

图1 钻孔下风侧瓦斯体积分数测定布置图Fig.1 Layout of gas volume fraction measurement at the downwind side of borehole

选择钻孔下风侧0.5、1.0、1.5、2.0 m 4 个断面，每个断面划分成300 mm×300 mm 的网格，根据现场情况进行若干点测定。根据测点布置，利用光学瓦斯检定器分别在4 个断面进行瓦斯体积分数测定，因打钻时瓦斯涌出不均衡，测定时间选择在停钻瓦斯涌出稳定后测定。为更加直观、准确的分析瓦斯体积分数分布规律，根据测定结果，利用surfer 软件绘制瓦斯体积分数等值线图，钻孔下风侧距钻孔不同距离瓦斯体积分数分布云图如图2。

图2 钻孔下风侧距钻孔不同距离瓦斯体积分数分布云图Fig.2 Cloud diagrams of gas concentration distribution at different distances from borehole downwind side to borehole

由图2 可知，在钻机下风侧0.5 m 处，由于距孔口距离近，钻孔内涌出瓦斯还未充分稀释，瓦斯体积分数较大的（大于1%）区域：孔口以下0.2 m 及以上约1 m 的区域内，最高瓦斯体积分数达6.04%；在下风侧1.0 m 处，瓦斯体积分数较大的（大于1%）区域：孔口以上0.1～0.8 m 的区域内，在巷道中部范围进一步扩大，最高瓦斯体积分数达3.88%；在下风侧1.5 m 处，瓦斯体积分数较大的（大于1%）区域：孔口以上0.2～1 m 的区域内，最高瓦斯体积分数达3.28%；在下风侧2.0 m 处，钻孔内涌出瓦斯和风流以混合较充分，瓦斯体积分数大部分降至0.4%以下，只有巷道顶附近有少部分瓦斯体积分数较大，最高达1.52%。

根据测定分析可以看出，在正常施工情况下，在下风侧2.0 m 处，仍存在瓦斯体积分数超过1%的瓦斯，喷孔时瓦斯体积分数较大的区域分布范围更广，目前在用的防喷装置很难起到防超限的作用。

3 结 语

1）底板岩巷施钻过程中，瓦斯涌出量主要来源于堆煤释放瓦斯和打钻期间钻孔涌出瓦斯，通过分析发现，堆煤释放瓦斯体积分数在正常通风条件下，不会造成瓦斯超限，但钻孔涌出瓦斯可能会导致瓦斯超限。

2）正常施钻期间，距钻孔不同距离，瓦斯体积分数有所不同，孔口附近，瓦斯体积分数整体偏高，随距离增大，瓦斯体积分数逐渐开始下降，但瓦斯体积分数较大的区域会不断呈现先扩大后减小的规律。据此也说明，正常施钻期间瓦斯体积分数就可能超限，喷孔期间若防喷装置密封不严会导致瓦斯体积分数超限，也为防喷装置研制提供了参考。