煤巷掘進跨步預抽煤層瓦斯技術研究與應用

董　賀，許秋麗，孫　波,周　洋，閆　嚴

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110000；3.河南省前進化工科技集團股份有限公司，河南 洛陽 471000)

0　引言

瓦斯抽采不僅能降低煤層瓦斯儲量，同時亦增強煤體的強度實現(xiàn)煤礦的安全采掘；另外，瓦斯抽采對清潔能源的開發(fā)利用及降低環(huán)境污染具有重大意義[1-2]。我國煤礦安全規(guī)程[3]規(guī)定嚴禁在未采取有效消突措施下的突出煤層進行采掘作業(yè)，對于高瓦斯及煤與瓦斯突出未界定的煤層，進行煤巷采掘等相關作業(yè)時，必然面臨著工作面瓦斯超限、煤與瓦斯突出等潛在的威脅。目前掩護煤巷安全掘進的瓦斯抽采方法可分為穿層孔預抽煤巷條帶瓦斯和順層孔預抽煤巷條帶瓦斯，穿層孔條帶預抽煤巷瓦斯因需施工底(頂)板巖巷，安全性好，但經(jīng)濟成本較高，常用于掩護突出煤層煤巷安全掘進；順層孔條帶預抽煤巷瓦斯因成本低，見效快，常用于采用通風方式難以解決掘進工作面瓦斯涌出的煤層[4-5]。順層孔掩護煤巷安全掘進的瓦斯抽采技術常采用一掘一抽的方式，具體可分為工作面長鉆孔預抽前方煤體瓦斯，巷幫鉆場隨掘隨抽前方煤體瓦斯；其中，前者主要用于煤層瓦斯含量大存在潛在瓦斯涌出的煤層煤巷掘進，后者主要用于解決煤巷掘進工作面瓦斯超限的煤層掘進。近些年，諸如水利沖孔、深孔欲裂爆破等增透措施在鉆孔預抽煤層瓦斯方面取得較好應用效果，在順層孔掩護煤巷掘進的抽采實踐中，瓦斯抽采率得到有效提高，但因工序繁多，往往難以保障煤巷連續(xù)不間斷掘進[6-10]。針對這種情況，提出煤巷掘進跨步預抽煤層瓦斯的方法，通過理論分析，確定了該方法預抽煤層瓦斯的關鍵技術參數(shù)，并在河南主焦礦煤巷掘進應用該技術的試驗中取得成功。

1　煤巷條帶煤體瓦斯跨步預抽法

1.1　跨步法預抽瓦斯原理[11]

煤巷工作面瓦斯災害事故[12]可分為煤與瓦斯突出、工作面瓦斯涌出及因瓦斯涌出導致的瓦斯爆炸，人員窒息等災害。掘進面煤體內(nèi)預抽鉆孔的施工及瓦斯抽采，一方面是煤體應力及瓦斯?jié)撃艿尼尫?，消除了瓦斯災害施工發(fā)生的動力來源，另一方面是煤層瓦斯含量的降低及工作面卸壓區(qū)的擴大，減少了涌向掘進面的瓦斯量及增強了煤體阻礙煤與瓦斯動力災害發(fā)生的能力，從而形成煤巷掘進的安全區(qū)，避免煤巷掘進期間的瓦斯災害事故發(fā)生?；诖?，跨步預抽煤巷煤層瓦斯技術通過在煤巷一定距離內(nèi)布置鉆場，并在鉆場施工2倍于鉆場間距的預抽鉆孔；待煤巷掘進至下一鉆場時，掘進面前方煤體必然存在鉆孔交錯重疊段和非重疊段，分別記為密集段和發(fā)散段。由于密集段鉆孔分布密集，鉆孔能有效釋放工作面煤體應力集中，發(fā)展煤的孔隙、裂隙，從而增大煤的透氣性，以至加速煤體瓦斯的釋放；發(fā)散段鉆孔分布較分散，主要起預抽工作面前方煤體瓦斯的作用，待煤巷掘進至下一鉆場時，此時的發(fā)散段變?yōu)橄乱汇@場的密集段。因此，隨煤巷掘進，工作面前方煤體總保有密集抽放段和發(fā)散預抽段，從而保障煤巷的安全快速掘進。

1.2　預抽鉆孔終孔布置優(yōu)化

假設煤層為各向同性的均質(zhì)多孔隙介質(zhì)，則鉆孔預抽煤體瓦斯過程中，其抽采影響區(qū)域為規(guī)則圓形；預抽鉆孔抽采煤體瓦斯的相互之間影響關系可采用幾何圖形鑲嵌理論進行分析，如圖1所示。

圖1　鉆孔布置優(yōu)化流程Fig.1　Flowchart of drill layout

圖中，圓心A，B，C為抽采孔，陰影圓為鉆孔抽采影響區(qū)。因瓦斯抽采孔周圍煤體瓦斯流動區(qū)域之間存在多種組合形式，鉆孔的優(yōu)化布置可視為多個圓形影響區(qū)的排列組合問題，最大化利用瓦斯抽采效果的理想布孔置形式是圓與圓之間相切組合。根據(jù)圓的幾何特征，可將3個圓視作1鑲嵌單元；在鑲嵌單元內(nèi)，相切圓組合表明瓦斯抽采存在理論空白區(qū)，相交圓組合表明瓦斯抽采安全可靠。為提高鉆孔利用率，降低工程施工量，上圖給出了鉆孔終孔布置優(yōu)化的結(jié)果，此時，ΔABC為正三角形，頂點A，B，C至圓的公共交點距離均為抽采影響半徑r，由此不難計算出，鉆孔終孔間距LAB與瓦斯抽采影響半徑r之間存在如下關系：

1.3　預抽鉆孔平面布置優(yōu)化設計

跨步預抽煤巷瓦斯鉆孔設計以鉆場布置為基準，瓦斯抽采影響半徑和煤巷掘進速率為輔助指標；鉆場在煤巷兩側(cè)成左右錯位對稱布置，形似人體行走時留下的足跡。鉆孔的平面布置在空間與時效關系上可劃分為2段2區(qū)，其中，沿煤巷掘進方向可分為密集段和分散段；在巷道中心線兩側(cè)可分為瓦斯抽排區(qū)和瓦斯抽采區(qū)，抽采區(qū)鉆孔布置主要起到抽采瓦斯作用，抽采區(qū)鉆孔先是抽采行幫煤體瓦斯，而后隨巷道掘進逐漸由鉆孔抽采煤體瓦斯變?yōu)殂@孔排放煤體瓦斯。

假設鉆場間距為S，巷道掘進速率為ν，掘進施工用時為T，則：

T=S/ν

令瓦斯抽采時間T1=T，在一定抽采基本參數(shù)下的瓦斯抽采影響半徑為r1，瓦斯抽采率為η1；瓦斯抽采時間T2=2T，對應抽采影響半徑為r2，瓦斯抽采率為η2。則鉆孔平面設計布置如圖2所示。

圖2　鉆孔布置設計Fig.2　Design of drill layout

圖中，沿煤巷掘進方向，施工鉆場(鉆場1)與相鄰鉆場(鉆場2)間為預抽鉆孔密集段，相鄰鉆場(鉆場2)與鉆孔終孔處鉆場(鉆場3)間為發(fā)散段，密集段及發(fā)散段長度均等于鉆場間距S。鉆孔設計以發(fā)散段為主，密集段為輔，密集段及發(fā)散段鉆孔分別以抽采時間T1和T2為指標進行設計；根據(jù)鉆孔分布形態(tài)，鉆孔在密集段分布較密集，起快速疏散煤體瓦斯作用，在發(fā)散段鉆孔分布比較分散，起預抽煤體瓦斯作用。鉆孔預抽伴隨巷道掘進同時進行，待巷道掘進至下一鉆場時，放散段變?yōu)槊芗?，密集段鉆孔用于補抽放散區(qū)鉆孔因抽采時間不足留下的空白區(qū)煤體瓦斯，從而保障了煤體瓦斯的有效抽放。

1.4　煤巷掘進及預抽鉆孔施工工藝

跨步預抽煤層瓦斯技術的施工工藝可概述為確定瓦斯抽采影響半徑，預抽鉆孔施工，煤巷掘進。首先是測定一定合理抽采條件下的煤層瓦斯抽采影響半徑r，根據(jù)已知不同抽采時間段(Ti)的瓦斯抽采影響半徑(ri)設計抽采鉆孔開孔參數(shù)及鉆孔施工參數(shù)；而后施工抽采鉆孔并及時進行封孔，待封孔質(zhì)量有一定效果后將抽采孔連接到抽采管路進行瓦斯抽采，抽采孔施工完畢后，煤巷開始掘進，且每班掘進前進行工作面瓦斯突出危險性預測，預測指標表明無突出危險性時方可進行掘進；最后，待巷道掘進至下一鉆場預定位置時，施工下一階段預抽鉆孔，并及時連接布置好抽采管路。

1.5　可行性分析

跨步預抽煤巷工作面煤體瓦斯屬于順層鉆孔預抽條帶煤層瓦斯技術的一種，均是基于煤層瓦斯?jié)B流理論，通過施工抽采孔進行煤層瓦斯預抽，從而降低煤體瓦斯含量，保障工作面煤體的安全掘進。另外，該技術所需機械設備與工具材料均為煤礦瓦斯抽采常用設備材料，且施工工藝遵循一般煤巷掘進瓦斯抽采技術，即抽采孔施工、瓦斯抽放及巷道掘進。因此，跨步預抽煤巷煤體瓦斯技術具有1套可靠的基礎理論和實際可操作性。

跨步預抽煤層瓦斯科學合理性的關鍵在于鉆孔在一定時間段內(nèi)能不留抽采死角的預抽工作面前方煤體瓦斯，保障煤體瓦斯含量降低到一定程度。根據(jù)預抽鉆孔設計及施工工藝可知，工作面前方煤體密集段鉆孔設計抽采時間為T1，煤巷由鉆場1掘進至下一鉆場(鉆場2)時所用時長為T1，此時，發(fā)散段鉆孔同樣抽采T1時間；待煤巷掘進至下一階段時(即鉆場2至鉆場3)，工作面前方發(fā)散段變?yōu)槊芗?，根?jù)鉆孔空間布置關系及煤巷掘進與鉆孔預抽瓦斯的時差關系，煤巷掘進時，密集段煤體瓦斯已由上一階段發(fā)散段的抽采區(qū)鉆孔和抽放區(qū)鉆孔抽放了T1時間，同時，本階段密集段鉆孔隨巷道掘進進行隨掘隨抽，其隨掘隨抽時間為T1。因此，該技術實現(xiàn)了發(fā)散段鉆孔和密集段鉆孔對工作面前方煤體的交錯抽放，同時保障了煤巷掘進時工作面前方煤體已進行了一定時間T1的預抽。另外，在鉆孔布置方面，鉆孔施工周期為T1，鉆孔布置設計以抽采2T1時間內(nèi)的影響半徑為基準，可大大增加鉆孔布置間距，有效降低預抽鉆孔施工量；因密集段與發(fā)散段交錯抽放煤體瓦斯，可有效消除巷道掘進時，預抽鉆孔因被巷道連通，由抽采孔變?yōu)榕欧趴?，使得抽排區(qū)煤體瓦斯存在一定抽采不達標的風險，同時，可彌補放散區(qū)預抽鉆孔布置間距大而存在的抽采空白區(qū)，實現(xiàn)煤體瓦斯無死角有效抽采，保障煤巷總是處在安全區(qū)內(nèi)煤體進行掘進。

通過上述分析不難得出，煤巷掘進跨步預抽煤體瓦斯技術不僅具有實際可操作性，同時亦具有一定科學可行性，可保障煤巷工作面前方煤體瓦斯有效抽采，實現(xiàn)煤巷安全快速掘進。

2　煤巷掘進跨步預抽法的應用

主焦礦為高瓦斯礦井，主采煤層為二1煤，煤層厚度2.1～7 m，平均5.1 m。其中，22采區(qū)為殘采區(qū)，23采區(qū)為備采區(qū)。23采區(qū)二1煤層因未完成煤層突出危險性鑒定，按突出礦井開采進行管理。為完成該采區(qū)二1煤層突出危險性鑒定，同時保障煤巷的安全掘進，在2305上巷進行跨步預抽煤層瓦斯技術的應用研究。

2.1　試驗說明

在現(xiàn)場應用中，已知2305上巷走向長517 m，現(xiàn)場測得23采區(qū)煤層瓦斯含量最大為5.79 m3/t，采用鉆孔瓦斯流量法，經(jīng)現(xiàn)場實際抽采試驗測得23采區(qū)二1煤層瓦斯抽采情況如表1所示。

表1　煤層瓦斯抽采影響半徑

主焦礦煤巷采用炮掘掘進，日進尺約5 m，結(jié)合礦井實際生產(chǎn)開拓計劃，取巷道掘進30 m/周，即鉆場間距S為30 m；根據(jù)瓦斯抽采影響半徑測定結(jié)果，以抽采時間2T1為15 d為基準進行抽采鉆孔設計，則鉆孔終孔間距LAB為3.03 m、取整為3 m。結(jié)合現(xiàn)場，相鄰鉆場預抽鉆孔以巷道為中心線成對稱布置，如圖3所示。預抽鉆孔以巷道中心線為基準進行布置，孔徑為84 mm，孔口采用聚氨酯封堵至孔里約4 m，各鉆場鉆孔具體施工參數(shù)以圖2標注鉆孔尺寸參數(shù)進行計算施工。待鉆場鉆孔施工完畢，及時連接至φ300的抽采管路進行煤巷的邊掘邊抽。

圖3　鉆孔施工平面布置Fig.3　Level arrangement of drill in construction

2.2　試驗結(jié)果

采用跨步預抽法對2305上巷掘進面煤體進行邊掘邊抽，掘進期間，工作面風排瓦斯正常，距工作面下風側(cè)60 m處巷道內(nèi)測得回風流中最大瓦斯?jié)舛葹?.5%；且煤巷每掘進至下一循環(huán)前，進行工作面突出指標預測，待指標測試結(jié)果表明無突出危險時方進行下一掘進循環(huán)?，F(xiàn)場測得2305上巷掘進期間工作面煤體瓦斯抽采情況如表2所示，工作面突出預測指標跟蹤考察如圖4，5，6所示。

表2　煤巷掘進瓦斯抽采結(jié)果匯總

圖4　煤巷掘進q值跟蹤考察結(jié)果Fig.4　Values of q measured in roadway excavation

圖5　煤巷掘進S值跟蹤考察結(jié)果Fig.5　Values of S measured in roadway excavation

圖6　煤巷掘進期間Δh2值跟蹤考察結(jié)果Fig.6　Values of Δh2 measured in roadway excavation

由此可見，在工作面掘進期間，瓦斯抽采流量分布均勻，無明顯較大下降波動，這表明預抽鉆孔的交替抽采并未影響巷道掘進期間的整體抽采效果；另外，根據(jù)煤層分布及瓦斯含量不難算出，在抽采期限為7 d情況下，煤巷條帶煤體瓦斯整體抽采率為13.7%，相對試驗鉆孔在15 d抽采期限下的20%抽采率來說，僅下降了6.3個百分點，這表明跨步預抽法具有較好抽采效果；此外，掘進期間，工作面預測指標q值、S及Δh2分布穩(wěn)定，分別在2L/min，2.3 kg/m，123 Pa附近波動，且現(xiàn)場測得最大值分別為2.4 kg/m，145 Pa，2.86L/min，這表明隨巷道掘進瓦斯抽采穩(wěn)定，效果良好，3項指標均為超出工作面突出預測指標臨界值，有效保障了煤巷的安全掘進。

3　結(jié)論

1)跨步預抽煤層瓦斯法從理論上闡述了該技術的可行性，通過施工巷幫鉆場超前鉆孔，實現(xiàn)發(fā)散段鉆孔預抽工作面煤體瓦斯，密集段鉆孔快速釋放工作煤體瓦斯；隨巷道掘進，巷幫鉆場的施工，發(fā)散段變?yōu)榫蜻M面預抽鉆場的密集段，密集段鉆孔起補充抽放上一鉆場發(fā)散段鉆孔預抽煤體瓦斯作用，從而實現(xiàn)煤巷掘進面煤體瓦斯的連續(xù)無死角抽采，保障煤巷持續(xù)安全掘進。

2)現(xiàn)場實踐表明，在煤巷掘進期間，煤巷條帶煤體瓦斯整體抽采率為13.7%，且經(jīng)煤體瓦斯預抽后，巷道風流最大瓦斯?jié)舛葍H為5%，跟蹤考察的掘進面突出預測指標q值、S、Δh2最大為2.86L/min，2.4 kg/m，145 Pa，3項指標均為超出突出臨界值。這表明跨步法預抽煤巷條帶煤體瓦斯不僅能安全掩護煤巷掘進，避免采用穿層孔預抽煤層瓦斯掩護煤巷掘進帶來的高額成本，同時可有效解決高瓦斯礦井煤巷快速掘進期間，工作面瓦斯超限的問題。

3)煤巷掘進跨步預抽煤層瓦斯技術發(fā)展了鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯的方法，為我國煤巷安全掘進期間瓦斯治理提供了一定參考價值。

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