王偉林 谷嘉興 郭書明 連 強(qiáng)

(1.山西潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省長治市，046100；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221116)

余吾煤業(yè)3號煤層埋藏較深，瓦斯含量高，且瓦斯賦存條件復(fù)雜，掘進(jìn)期間由于風(fēng)筒出口風(fēng)流至工作面端頭快速折返，加之掘進(jìn)設(shè)備、風(fēng)筒連接不規(guī)范及漏風(fēng)等原因，使得風(fēng)流流動(dòng)的多向性、不穩(wěn)定性，瓦斯涌出的不均勻性都特別明顯[1]。為防止掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出給礦井安全生產(chǎn)帶來影響，也為了更準(zhǔn)確地了解工作面瓦斯涌出狀況，對S5202回風(fēng)巷及S2108膠帶巷掘進(jìn)工作面的風(fēng)量、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，研究掘進(jìn)工作面在不同長度以及不同暴露時(shí)間條件下的瓦斯涌出規(guī)律。

1 工作面概況

(1)S5202回風(fēng)巷。S5202回風(fēng)巷在南五采區(qū)軌道下山(南)幫開口，沿3號煤層底板掘進(jìn)，煤層厚度6.15 m；S5202回風(fēng)巷全長1767 m，截至2014年8月6日4點(diǎn)班，S5202回風(fēng)巷掘進(jìn)934.2 m，平均掘進(jìn)進(jìn)尺5.4 m/d，設(shè)計(jì)斷面尺寸為5.4 m×3.8 m，實(shí)際斷面尺寸為5.8 m×3.8 m，計(jì)劃通風(fēng)量1200 m3min，實(shí)際通風(fēng)量1500 m3min，風(fēng)量富裕系數(shù)1.25，煤層原始瓦斯含量為11 m3t，殘余瓦斯含量2.37 m3t。

(2)S2108膠帶巷。S2108膠帶巷位于南二采區(qū)，膠帶輔運(yùn)巷由進(jìn)風(fēng)下山北幫開口，施工至正巷反掘與膠帶下山貫通，沿3號煤層底板掘進(jìn)，煤層厚度6.15 m，煤層原始瓦斯含量為9.5 m3t；S2108膠帶巷設(shè)計(jì)全長1351 m，截至2015年4月14日8點(diǎn)班，S2108膠帶巷掘進(jìn)604.3 m，平均掘進(jìn)進(jìn)尺5.4 m/d，設(shè)計(jì)斷面尺寸為5.4 m×3.8 m，實(shí)際斷面尺寸為5.8 m×3.8 m，計(jì)劃通風(fēng)量1062 m3min，實(shí)際通風(fēng)量1422 m3min，風(fēng)量富裕系數(shù)1.34，由回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷回風(fēng)。

在S2108膠帶巷內(nèi)施工順層鉆孔，由3號鉆場處開始施工，截至2014年4月14日，已施工80個(gè)孔，均已封孔，其抽采量為3.08 m3min，距工作面掘進(jìn)頭約100 m。

2 煤壁瓦斯涌出量規(guī)律

2.1 煤壁瓦斯涌出量實(shí)測

為了研究煤壁瓦斯涌出系數(shù)(qm)與煤壁暴露時(shí)間(t)之間的函數(shù)關(guān)系，可以通過掘進(jìn)面瓦斯涌出量實(shí)測來確定。其測定方法為：在停機(jī)30 min后，對掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行測量，此時(shí)工作面受掘進(jìn)落煤影響相對較小。在S5202回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面距掘進(jìn)頭5 m處布置第1個(gè)測點(diǎn)，20～100 m每隔20 m布置1個(gè)測點(diǎn)，100～500 m每隔50 m布置1個(gè)測點(diǎn)，500～800 m每隔100 m布置1個(gè)測點(diǎn)，測量各個(gè)測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)量，依次計(jì)算各段巷道的瓦斯涌出量[2]。結(jié)果見表1。

表1 S5202掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量實(shí)測數(shù)據(jù)

圖1 瓦斯分布隨測點(diǎn)距工作面距離的變化規(guī)律

圖2 巷道瓦斯涌出量與平均暴露時(shí)間的關(guān)系曲線

根據(jù)表1實(shí)測數(shù)據(jù)，繪制出工作面不同距離風(fēng)流中瓦斯量的變化曲線與每米巷道瓦斯涌出量與其平均暴露時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖1和圖2所示。圖2中兩者之間的變化關(guān)系表明，每米巷道瓦斯涌出量qm與平均暴露時(shí)間t近似呈雙曲線關(guān)系，每米巷道瓦斯涌出量隨煤壁暴露時(shí)間的增加呈降低趨勢。其衰減經(jīng)驗(yàn)公式為[3]：

(1)

式中：qm——經(jīng)過時(shí)間t后，巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；

q0m——初始時(shí)間(t=0)，巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；

t——巷道煤壁暴露時(shí)間，d。

將式(1)兩邊對數(shù)化得線性方程：

lnqm=lnq0m-aln(1+t)

(2)

以lnqm為縱坐標(biāo)，ln(1+t)為橫坐標(biāo)，即復(fù)對數(shù)坐標(biāo)系，再根據(jù)每個(gè)測點(diǎn)的值繪制出lnqm與ln(1+t)的關(guān)系圖，如圖3所示。從圖3可以看出，2個(gè)參數(shù)呈良好的直線關(guān)系，所以每米巷道瓦斯涌出量qm與平均暴露時(shí)間t的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式成立。

圖3 lnqm與ln(1+t)的關(guān)系

用Origin軟件擬合法得出函數(shù)：

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

(3)

即lnq0m=-0.4624，q0m=0.6298，a=-1.0696。將其代入式(1)，得出S5202回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面每米巷道煤壁瓦斯涌出量強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律為：

(4)

2.2 巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度相對衰減隨時(shí)間的變化規(guī)律

(5)

根據(jù)式(5)，煤壁在不同暴露時(shí)間t時(shí)，其衰減系數(shù)η值見表2。

分析表2數(shù)據(jù)，煤壁瓦斯涌出量隨時(shí)間的延長而降低，其衰減關(guān)系如圖4所示，從理論上講，煤壁瓦斯放散是無限的，而實(shí)際中，當(dāng)煤壁經(jīng)過一段暴露時(shí)間后，煤壁瓦斯涌出量下降到很微小的程度，甚至可以忽略。

表2 衰減系數(shù)η值與煤壁不同暴露時(shí)間t的關(guān)系

圖4 衰減系數(shù)η與煤壁暴露時(shí)間t的關(guān)系曲線

2.3 落煤瓦斯涌出量與巷道掘進(jìn)速度關(guān)系

在掘進(jìn)工作面中，掘進(jìn)落煤中涌出的瓦斯是巷道瓦斯來源的另一部分。該部分瓦斯涌出量主要取決于煤層原始瓦斯含量、運(yùn)出巷道后煤體殘存瓦斯含量以及掘進(jìn)工作面落煤量。掘進(jìn)工作面落煤瓦斯涌出量按下式計(jì)算：

(6)

式中：Ql——掘進(jìn)工作面落煤瓦斯涌出量，m3/min；

S——掘進(jìn)工作面巷道斷面，取22.04 m2；

υ——平均掘進(jìn)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殘存瓦斯含量，分別取11 m3/min和2.37 m3/min。

將相關(guān)參數(shù)代入式(6)，可得Q1=0.99 m3/min。

2.4 瓦斯涌出量規(guī)律分析

通過煤壁瓦斯涌出規(guī)律的研究，可以制定切實(shí)可行的瓦斯防治措施。

(1)煤壁暴露時(shí)間在0～7 d內(nèi)，煤壁瓦斯涌出量降低迅速；煤壁暴露時(shí)間在7～17 d內(nèi)，煤壁瓦斯涌出量降低較為平緩，煤壁瓦斯涌出量降低0.023 m3/min；煤壁暴露時(shí)間在17 d之后，煤壁瓦斯涌出量進(jìn)入平穩(wěn)期，煤壁瓦斯涌出量隨時(shí)間變化較小。

(2)煤壁瓦斯涌出量隨時(shí)間的延長而降低，煤壁瓦斯放散是無限的，而實(shí)際中，當(dāng)煤壁經(jīng)過一段暴露時(shí)間后，煤壁瓦斯涌出量下降到很微小的程度，甚至可以忽略。因此，在礦井連續(xù)掘進(jìn)的巷道中，經(jīng)過一定的暴露時(shí)間后，整條巷道總瓦斯涌出量將趨于一穩(wěn)定數(shù)值。

(3)S5202回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量包括掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出量和落煤涌出量兩部分，按每天掘進(jìn)6排4.5 m計(jì)算，掘進(jìn)落煤中瓦斯涌出量為0.99 m3/min；計(jì)劃通風(fēng)量1200 m3min，實(shí)際通風(fēng)量1500 m3min，風(fēng)量富裕系數(shù)1.25，通風(fēng)能夠滿足掘進(jìn)要求。

(4)掘進(jìn)頭至100～200 m范圍內(nèi)煤壁瓦斯涌出量較高，如有條件可在鄰近巷道打設(shè)掘前預(yù)抽孔帶抽；如無區(qū)域預(yù)抽條件，可適當(dāng)增加邁步鉆場的掘前預(yù)抽孔個(gè)數(shù)，以控制掘進(jìn)面瓦斯涌出。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 實(shí)施方案

按照余吾煤業(yè)公司的規(guī)定，對瓦斯涌出量大于3 m3/min的掘進(jìn)工作面，采用區(qū)域邁步鉆場護(hù)幫鉆孔的方式來保證掘進(jìn)工作面的區(qū)域防突工作。在掘進(jìn)工作面前方形成超前控制長度L=100 m、側(cè)翼控制半徑R=20 m的密集鉆場，根據(jù)煤層瓦斯含量、煤體硬度、透氣性等參數(shù)，優(yōu)化孔間距、傾角、方位角、孔深、抽采負(fù)壓等參數(shù)，配合高效封孔工藝，實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)面前方和側(cè)翼的瓦斯預(yù)抽保護(hù)。

以S2108膠帶巷為例，對邁步鉆場及鉆孔參數(shù)進(jìn)行如下優(yōu)化。

(1)布置原則：分別在巷幫兩側(cè)每100 m布置一個(gè)邁步鉆場，不同側(cè)鉆場交錯(cuò)距離50 m，S2108膠帶巷鉆場布置如圖5所示。

(2)邁步鉆場規(guī)格：深4 m，內(nèi)寬5 m，高4.5 m，高出巷道頂板0.7 m。

(3)鉆孔設(shè)計(jì)原則：鉆孔分3層立體化設(shè)計(jì)，上層鉆孔距頂板0.5 m，共布置12個(gè)鉆孔；中層鉆孔距底板2.5 m，布置4個(gè)鉆孔；下層鉆孔距底板1.5 m，布置4個(gè)鉆孔，孔徑均為Φ113 mm，其他鉆孔參數(shù)見表3。

為了更好地控制巷道上方卸壓瓦斯，每組鉆場上層鉆孔的終孔布置到煤層頂板處，用來控制鉆場高位瓦斯。預(yù)抽鉆孔應(yīng)以巷道中線為基準(zhǔn)，向周圍煤體呈扇形狀排列。鉆孔設(shè)計(jì)按照要求進(jìn)行即可，具體鉆孔布置如圖5～圖7所示，鉆孔參數(shù)見表3[4-9]。

圖5 邁步鉆場鉆孔布置

圖6 邁步鉆場幫部鉆孔布置

圖7 鉆場鉆孔布置示意圖

表3 邁步鉆場預(yù)抽鉆孔參數(shù)

3.2 效果分析

邁步鉆場實(shí)施后，邁步鉆場段巷道瓦斯涌出量的特征如圖8所示。

由圖8可知，邁步鉆場實(shí)施后，各測段瓦斯增量隨著距工作面距離的增大而減小，測段距離工作面150 m之后，瓦斯增加量趨于0.01 m3/min。通過此方式能夠很好地保證掘進(jìn)工作面的區(qū)域防突工作。同時(shí)，有效降低了瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，工作面及回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩捣秶詢?nèi)，保證了正常的生產(chǎn)秩序和礦井的安全生產(chǎn)[10]。

圖8 注水后各測段瓦斯增量變化曲線

4 結(jié)論

(1)筆者以S5202回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為研究對象，通過測量布置的各個(gè)測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)量，得出回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面每米巷道煤壁瓦斯涌出量強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律，進(jìn)而分析出瓦斯涌出量的規(guī)律。

(2)根據(jù)瓦斯涌出量的規(guī)律，對邁步鉆場參數(shù)及鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果在S2108膠帶巷進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。該方式有效降低了瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，工作面及回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩捣秶詢?nèi)。