高瓦斯礦井快速掘進工作面動態(tài)瓦斯涌出規(guī)律研究

姜亦武，王 超，邱春亮，寧廷州，安學(xué)東，楊俊生，孫紅星，趙鵬翔

(1.兗礦新疆能化有限公司，新疆自治區(qū)烏魯木齊市，830010；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054；3.兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆自治區(qū)昌吉市，831100)

在我國煤礦事故中，瓦斯爆炸[1-2]是井下最嚴(yán)重的事故之一，它在發(fā)生的過程中會伴隨著高溫、高壓、沖擊波的產(chǎn)生，使周圍氣體的流動速度加快，摧毀巷道和設(shè)備，危及人的生命安全。由于開采深度不斷加深，在深部掘進過程中，也存在瓦斯大量涌出的情況。因此，研究瓦斯的防治措施，對保證煤礦的安全生產(chǎn)、職工的生命健康、公司的財產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率都具有重要的意義。在瓦斯治理方面，念其鋒[3]等基于GRA-ANP-FCE模型做了煤礦瓦斯爆炸事故安全評估方法研究與應(yīng)用；司榮軍[4]研究了大型瓦斯爆炸傳播機理；DEMERTZIS A[5]等論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地下煤礦環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用；趙朝義[6]等論述了人機環(huán)境系統(tǒng)工程在煤礦安全管理中的應(yīng)用；張孝峰[7]等對煤礦瓦斯爆炸進行了統(tǒng)計分析并提出了對策。

目前大多數(shù)礦井對于瓦斯的治理多采用瓦斯抽采的方法[8-11]。為了在一定程度上提高瓦斯的抽采效率，國內(nèi)外學(xué)者不僅在抽采方法上進行了優(yōu)化，且對于抽采裝備也進行了深度研發(fā)。蘇聯(lián)研發(fā)了抽采用的伸縮探頭；日本不僅研發(fā)了強力鉆機并且配備了雙套管鉆頭進行鉆孔抽采；美國等國家對于抽采泵的功率進行了大幅度的提升；德國、烏克蘭等國家為提高抽采效率采用提前水力壓裂并且加酸增透煤層。

以往大多數(shù)瓦斯抽采多集中于工作面的瓦斯治理，但是由于開采深度的增加，掘進工作面的瓦斯治理也迫在眉睫。因此，筆者基于新疆硫磺溝煤礦(4-5)06掘進工作面的瓦斯涌出量的變化規(guī)律，采用灰色理論探討影響掘進工作面瓦斯涌出的關(guān)鍵因素，并提出相應(yīng)的瓦斯治理措施，為之后掘進工作面的瓦斯治理提供了一定方法。

1 礦井概況

硫磺溝煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力0.9 Mt/a，核定生產(chǎn)能力1.5 Mt/a。井田內(nèi)的沉積巖厚度達數(shù)百米，而且?guī)r石結(jié)交密實、裂隙少，且本地區(qū)降水較少，無常年性地表徑流與大型地表水體，各地層含水性不強。

(4-5)06工作面西部距井田邊界20 m，東部為副斜井保護煤柱，北部為未采動的實體煤。(4-5)06工作面軌道巷標(biāo)高+683.3～+702.6 m，巷道最大埋深557.0 m(軌道巷開切眼上口)，最小埋深435.0 m(在(4-5)06軌道巷聯(lián)絡(luò)巷口處)。(4-5)06工作面運輸巷標(biāo)高+586.5～+613.7 m，巷道最大埋深662.5 m(西部邊界向停采線方向約170.0 m)，最小埋深486.1 m(標(biāo)高+600.0 m水倉內(nèi)倉位置)。根據(jù)硫磺溝煤礦井上下對照圖，工作面開切眼附近兩巷道埋深最大，往兩巷道開口方向埋深逐漸減小。

2 (4-5)06 掘進工作面瓦斯涌出預(yù)測

2.1 掘進工作面瓦斯涌出量預(yù)測方法

(4-5)06掘進工作面瓦斯涌出量采用分源預(yù)測法，分源預(yù)測法是根據(jù)礦井工作面的瓦斯涌出源的數(shù)量及各源的瓦斯涌出量來預(yù)測礦井瓦斯涌出量的方法，掘進工作面瓦斯涌出量由掘進巷道煤壁瓦斯涌出和掘進落煤瓦斯涌出兩部分構(gòu)成：

q掘=q1+q2

(1)

式中：q掘——掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min；

q1——掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量，m3/min；

q2——掘進工作面巷道落煤絕對瓦斯涌出量，m3/min。

掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量以式(2)計算：

(2)

式中：D——巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長度，取10.5 m；

υ——巷道平均掘進速度，取0.007 m/min；

L——巷道長度，取1 850 m；

q0——巷道煤壁瓦斯涌出量初速度，m3/(m2·min)。

無實測可參考式(3)：

q0=0.026(0.000 4V2+0.16)W0

(3)

式中：V——煤中揮發(fā)分含量，取38.69%；

W0——原始瓦斯含量，m3/t。

掘進工作面巷道落煤絕對瓦斯涌出量以式(4)計算：

q2=Sυγ(W0-Wc)

(4)

式中：S——巷道斷面積，取13.5 m2；

γ——煤的密度，取1.3 t/m3；

Wc——煤出井的殘存瓦斯含量，m3/t。

將數(shù)據(jù)帶入式(2)、(4)計算可得到(4-5)06掘進工作面巷道煤壁絕對瓦斯涌出量為1.102 m3/min，巷道落煤絕對瓦斯涌出量為0.283 m3/min。

因此，(4-5)06綜放工作面掘進期間巷道絕對瓦斯涌出量q掘為1.385 m3/min。取瓦斯涌出不均衡系數(shù)1.3，計算得(4-5)06軌道巷道掘進工作面瓦斯涌出量在1.385 0～1.800 5 m3/min。

2.2 (4-5)06軌道巷道掘進工作面瓦斯涌出影響因素分析

2.2.1瓦斯涌出與時間的關(guān)系

通過對(4-5)06回風(fēng)巷沿空掘進工作面瓦斯?jié)舛茸兓膶崟r觀測，結(jié)合工作面配風(fēng)量，得出2018年10月到2019年2月期間，瓦斯絕對涌出量隨掘進時間的變化規(guī)律如圖1所示。從圖1可以看出，隨著掘進時間的不斷推移，煤壁暴露時間逐漸增大，在礦山壓力顯現(xiàn)相對穩(wěn)定的階段，瓦斯涌出量變化保持平緩，而當(dāng)巷道掘進使礦山壓力產(chǎn)生變化的時候，瓦斯涌出量則會發(fā)生突然升高，但總體趨勢為逐漸趨于平緩。(4-5)06回風(fēng)巷沿空掘進工作面絕對瓦斯涌出量為1.070～1.736 m3/min，平均為1.187 m3/min。

圖1 掘進工作面絕對瓦斯涌出量時間變化

由于(4-5)06工作面回風(fēng)巷為沿空掘進，導(dǎo)致實體煤壁一側(cè)的瓦斯卸壓帶范圍較寬，因此瓦斯涌出量在開始時較大，隨著回風(fēng)巷道掘進，煤體暴露時間隨之增長，并且由于煤壁中瓦斯卸壓范圍及瓦斯含量的限制，導(dǎo)致其瓦斯涌出量呈現(xiàn)下降并最后趨于平穩(wěn)。

2.2.2瓦斯涌出量與日進尺的關(guān)系

通過實時觀測2018年10月到2019年2月期間(4-5)06回風(fēng)巷沿空掘進工作面在不同日推進度對應(yīng)的瓦斯涌出量，得到工作面日進尺與絕對瓦斯涌出量之間的關(guān)系及其變化趨勢擬合如圖2及圖3所示。結(jié)果表明，工作面日進尺與絕對瓦斯涌出量之間具有基本相同變化趨勢。

圖2 掘進工作面絕對瓦斯涌出量、日進尺隨時間變化

圖3 絕對瓦斯涌出量與日進尺的擬合關(guān)系

分析兩者的變化可得：煤體圍巖的移動和變形與工作面推進速度密切相關(guān)，當(dāng)工作面推進速度減慢時，由于時間增長導(dǎo)致圍巖變形較為充分，進而會使圍巖瓦斯更加容易涌出，因此其涌出量增加。反之，當(dāng)工作面推進速度加快時，煤體圍巖移動、變形時間短，發(fā)育不充分，進而導(dǎo)致圍巖的瓦斯涌出量減少。其變化趨勢擬合方程如式(5)所示。

q=0.001 06x1+1.182 01

(5)

式中：q——絕對瓦斯涌出量，m3/min；

x1——日進尺，m。

2.2.3日產(chǎn)量與瓦斯涌出量的關(guān)系

通過對2018年10月到2019年2月期間，(4-5)06回風(fēng)巷沿空掘進工作面在不同日產(chǎn)量條件下瓦斯涌出量的實時觀測，得到絕對瓦斯涌出量與日產(chǎn)量之間的變化關(guān)系如圖4和圖5所示。(4-5)06回風(fēng)巷沿空掘進工作面回采初期，絕對瓦斯涌出量相對較小，隨著工作面的不斷推進，絕對瓦斯涌出量隨產(chǎn)量的增大而增大，且當(dāng)工作面產(chǎn)量呈現(xiàn)持續(xù)上升時，絕對瓦斯涌出量出現(xiàn)波動后達到頂峰，因此絕對瓦斯涌出量與產(chǎn)量之間呈現(xiàn)較為復(fù)雜的變化關(guān)系。

圖5 絕對瓦斯涌出量與日產(chǎn)量擬合關(guān)系

在(4-5)06回風(fēng)巷沿空掘進工作面正?；夭善陂g，測定了不同產(chǎn)量下的絕對瓦斯涌出量的變化情況，并對其變化趨勢進行了擬合，觀測結(jié)果表明，沿空掘進工作面絕對瓦斯涌出量隨產(chǎn)量的增加而有所增大，但增長趨勢較小，見式(6)。

q=0.000 46x2+1.183 81

(6)

式中：x2——日產(chǎn)量，t/d。

由于受上一工作面回采及聯(lián)絡(luò)巷施工的影響，煤層中原有瓦斯已發(fā)生自然涌出，導(dǎo)致工作面掘進初期產(chǎn)量雖然較大，但絕對瓦斯涌出量較??；隨著工作面的不斷推進，當(dāng)其揭露原始煤層后，由于掘進工作面產(chǎn)量變化直接影響著圍巖的變形及卸壓情況，當(dāng)工作面產(chǎn)量少時，對應(yīng)其工作面推進速度較慢，圍巖變形及裂隙發(fā)育比較充分，這個階段工作面產(chǎn)量與絕對瓦斯涌出量兩者之間的變化比較同步，但是隨著工作面產(chǎn)量不斷增大，工作面推進速度的加快，圍巖變形較不充分，導(dǎo)致工作面絕對瓦斯涌出量出現(xiàn)波動，但是當(dāng)工作面產(chǎn)量達到一個穩(wěn)定值后，工作面絕對瓦斯涌出量產(chǎn)生突變，呈現(xiàn)出較大的變化。

3 瓦斯涌出量灰色關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷道掘進工作面瓦斯實測結(jié)果，分析瓦斯涌出影響因素，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析，得到各影響因素與瓦斯涌出量的關(guān)聯(lián)度，從而得出瓦斯涌出影響因素的主次。

3.1 灰色理論

灰色理論是通過一定的方法，得到系統(tǒng)中各個子因素與母因素之間存在的數(shù)值關(guān)系。它提出了對系統(tǒng)各子因素進行灰色關(guān)聯(lián)度分析的概念，在系統(tǒng)變化的過程中，若其子因素與母因素兩者之間具有一致的變化趨勢，即兩者之間的變化程度具有一定的同步性，兩者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，若子因素與母因素之間的變化趨勢同步性較差，則兩者關(guān)聯(lián)度不高。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析通過判定子因素與母因素之間存在的變化趨勢的相似程度進而確定因素間的關(guān)聯(lián)程度[12]。

3.2 影響因素選取

灰色關(guān)聯(lián)分析需要各個指標(biāo)被量化，為了增加與現(xiàn)場的符合度，筆者通過數(shù)量化理論將之前未被量化的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為二分變量進而更容易量化，即以“0”和“1”表示某個定性指標(biāo)的“不存在”和“存在”。

根據(jù)工作面實際情況，選取4個定量指標(biāo)：掘進累計天數(shù)(X1)、日進尺(X2)、掘進累計進尺(X3)、配風(fēng)量(X4)；3個定性指標(biāo)：圍巖巖性(X5)、褶皺(X6)、斷層(X7)。

選取(4-5)06軌道巷掘進工作面連續(xù)一個月瓦斯涌出數(shù)據(jù)及以上7項因素量化指標(biāo)值進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷瓦斯涌出量及其影響因素統(tǒng)計表

3.3 影響因素關(guān)聯(lián)度分析

通過軟件計算得到影響硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯涌出量各因素的關(guān)聯(lián)度系數(shù)分別為：0.606、0.732、0.637、0.703、0.695、0.832、0.635。其中，關(guān)聯(lián)度X7(斷層)>X2(日進尺)>X4(配風(fēng)量)>X5(圍巖巖性)>X3(掘進累計進尺)>X6(褶皺)>X1(掘進累計天數(shù))，因此斷層是影響硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯涌出量的主控因素，瓦斯涌出量受日進尺和配風(fēng)量的影響較大，相較而言其受圍巖巖性、褶皺、掘進累計進尺和掘進累計天數(shù)的影響較小。

4 (4-5)06掘進工作面瓦斯治理措施應(yīng)用

硫磺溝煤礦除采用抽采措施來防治礦井瓦斯超限之外，還應(yīng)在掘進、開采過程中對瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測，有效通風(fēng)和控制火源，對煤與瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害進行防治。

4.1 瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測

對礦井中瓦斯氣體濃度進行實時監(jiān)測和預(yù)警，是防治瓦斯爆炸的有效手段。在井下生產(chǎn)過程中，應(yīng)該在采煤工作面、掘進工作面、裝煤點和運輸巷道等重要部位和瓦斯?jié)舛容^高的地方安裝瓦斯傳感器，監(jiān)測巷道和工作面的瓦斯?jié)舛?，防止瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

硫磺溝煤礦在工作面刮板輸送機機頭處的支架下方安裝了瓦斯傳感器，用于監(jiān)測采煤工作面回風(fēng)上隅角處的瓦斯?jié)舛?，瓦斯傳感器吊掛在距工作面煤?0～15 m的位置處，回風(fēng)巷的瓦斯傳感器吊掛在混合回風(fēng)點以里10～15 m之間，掘進工作面的瓦斯傳感器吊掛在風(fēng)筒的另一側(cè)，距離掘進工作面小于5 m，如圖6所示。

T0-上隅角瓦斯傳感器；T1-采煤工作面瓦斯傳感器；T2-回風(fēng)巷瓦斯傳感器；T3-進風(fēng)巷瓦斯傳感器

掘進工作面的瓦斯傳感器安裝在掘進工作面附近，并且設(shè)置在風(fēng)流穩(wěn)定的位置，以便能準(zhǔn)確反映瓦斯的濃度，如圖7所示。

T4-掘進工作面瓦斯傳感器；T5-回風(fēng)流中瓦斯傳感器

在回風(fēng)流中，機電硐室的瓦斯?jié)舛瓤赡軙容^高，應(yīng)該在回風(fēng)流中機電硐室的進風(fēng)側(cè)設(shè)置瓦斯傳感器，如圖8所示。

T6-機電硐室進風(fēng)側(cè)瓦斯傳感器

此外，在裝煤點的上風(fēng)流、運輸巷的下風(fēng)流、瓦斯抽放泵站室內(nèi)輸入管路中設(shè)置瓦斯傳感器。瓦斯監(jiān)測員不定時用瓦斯監(jiān)測儀對容易發(fā)生瓦斯事故和瓦斯?jié)舛却蟮牡胤竭M行監(jiān)測，避免瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

4.2 有效通風(fēng)

防止瓦斯積聚最有效、最基本的方法就是有效通風(fēng)[13]。煤礦井下要時刻做到風(fēng)流穩(wěn)定，避免循環(huán)風(fēng)的出現(xiàn)。在掘進和采煤工作面，局部通風(fēng)機的末端要最大程度的靠近掘進工作面，并配用備用通風(fēng)機，防止通風(fēng)中斷，同時在瓦斯積聚的地方要提高通風(fēng)量和風(fēng)速。除了利用通風(fēng)來防止瓦斯積聚之外，還要及時處理好局部積存的瓦斯。

對于采煤工作面上隅角瓦斯的積聚，可以采用Y型通風(fēng)系統(tǒng)[14]，使用這種通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以降低采煤工作面的風(fēng)速，而且可以防止采煤工作面上隅角瓦斯的積聚。對于綜采工作面的瓦斯積聚，一方面可以加大工作面的風(fēng)量以防止瓦斯積聚；另一方面可以安裝小型局部通風(fēng)機或風(fēng)、水引射器來加大采煤機附近的風(fēng)速來防止瓦斯積聚。對于頂板附近的瓦斯積聚，一是可以采用加大巷道內(nèi)風(fēng)流的平均流速(風(fēng)流的平均流速不能低于0.5 m/s)，使瓦斯與空氣能夠充分的紊流混合；二是可以在頂梁下面加導(dǎo)風(fēng)板將風(fēng)流引向頂板附近或鋪設(shè)接有短管的壓氣管，將積聚的瓦斯吹散。對于頂板冒落空洞內(nèi)積存的瓦斯可以用砂土填實，或者用導(dǎo)風(fēng)板、風(fēng)筒引入風(fēng)流將之吹散。

5 結(jié)論

硫磺溝煤礦為高瓦斯礦井，井下一旦發(fā)生瓦斯爆炸，會造成極其嚴(yán)重的破壞，不僅會摧毀巷道和設(shè)備，而且會造成大量的人員傷亡，因此，做好井下的瓦斯防爆工作就顯得尤為重要。

(1)根據(jù)硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯實測結(jié)果，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析，斷層是影響硫磺溝煤礦(4-5)06軌道巷掘進工作面瓦斯涌出量的主控因素，相較而言其受圍巖巖性、褶皺、掘進累計進尺和掘進累計天數(shù)的影響較小。

(2)通過瓦斯實時監(jiān)測、有效通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，硫磺溝煤礦發(fā)生瓦斯爆炸的概率將會極大的降低，從而保證煤礦安全生產(chǎn)。