基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘進速度確定

付 帥，佀慶民，王啟飛，郭昕曜，張宏圖

基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘進速度確定

付 帥1，佀慶民1，王啟飛2，郭昕曜1，張宏圖3

(1. 鄭州航空工業(yè)管理學院 民航學院，河南 鄭州 450046；2. 中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083；3. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

科學確定掘進速度是保障高瓦斯、突出礦井安全高效生產(chǎn)的重要前提。為確定煤巷最佳掘進速度，減小動力災害發(fā)生，理論分析掘進工作面前方瓦斯分布規(guī)律，并建立瓦斯涌出量數(shù)學模型，分析不同掘進速度下瓦斯涌出特征。以山西汾西礦區(qū)金暉萬峰煤礦為例，分析其巷道瓦斯涌出規(guī)律，確定其最佳掘進速度。結果表明：煤巷掘進速度等于應力遷移速度v，即以=v持續(xù)掘進時，落煤瓦斯涌出量1不變，瓦斯涌出總量不變；當<v持續(xù)掘進時，1線性減小，也持續(xù)減?。划?v持續(xù)掘進時，1呈指數(shù)增加，持續(xù)增加；金暉萬峰煤礦1115工作面區(qū)域應力遷移速度約為2.1 m每班次，以2.1 m每班次持續(xù)掘進或分別以每班次2.4、1.6、2.4 m速度循環(huán)掘進時，能夠?qū)崿F(xiàn)煤巷快速安全掘進。在該礦1115工作面進風巷對研究結果進行現(xiàn)場驗證并證實了該方法的可行性。

山西金暉萬峰煤礦；巷道掘進；瓦斯涌出量；掘進速度；應力遷移速度

煤層賦存條件復雜化、多樣化是造成我國煤層開采難度大的主要原因，且隨著開采深度增加進一步加劇，與此同時越來越多的瓦斯礦井轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚够蛲怀龅V井，煤與瓦斯突出問題日益嚴峻[1]。與此同時，隨礦井機械化程度的提高，綜合機械化掘進因其掘進效率高、速度快被廣大采礦工作者所青睞[2]，同時也面臨一些問題。綜掘速度過快，工作面前方瓦斯、應力來不及釋放，此時若出現(xiàn)地質(zhì)構造軟煤帶，突出就容易發(fā)生，綜掘速度過慢，機械設備不能充分發(fā)揮其作用，造成掘進效率低，影響生產(chǎn)進程[3]。因此，研究綜掘煤巷合理掘進速度對于控制突出事故發(fā)生、提高礦井生產(chǎn)效率具有重要意義。

工作面前方常存在一卸壓區(qū)，該區(qū)域內(nèi)瓦斯、應力得到充分釋放，往往認為此區(qū)域無突出危險性，若在卸壓區(qū)內(nèi)掘進，可實現(xiàn)安全掘進。一些學者采取理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等手段對卸壓范圍的確定做了大量研究[4-10]，但是在確定卸壓范圍時，其很少考慮時間因素對卸壓范圍的影響，無法準確確定合理掘進速度。此外，通過監(jiān)測工作面前方各種參數(shù)來確定其應力遷移速度[11-12]，但參數(shù)測定過程受人為因素影響較大，測試精度不高。隨地球物理科學發(fā)展，地球物理方法如微震、電磁等被用于監(jiān)測掘進工作面前方應力變化及動力災害[13-15]，但因井下環(huán)境復雜，所監(jiān)測到的信號中噪聲信號較多、較雜、較強，難以進行有效的信號分離，其準確性較低。基于此，筆者通過分析不同掘進速度下巷道瓦斯涌出特征，根據(jù)特征差異性判定最佳掘進速度，以指導煤礦生產(chǎn)，減小動力災害發(fā)生。

1 巷道瓦斯涌出量理論模型建立

1.1 工作面前方煤體瓦斯含量分布

受采動影響工作面原始應力狀態(tài)被打破，當其達到新平衡后，工作面前方應力可分為卸壓區(qū)、應力集中區(qū)及原巖應力區(qū)3個區(qū)域?；趯嶒炑芯?、現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬等手段研究發(fā)現(xiàn)，工作面前方瓦斯壓力與應力曲線呈現(xiàn)出較好的一致性[16-18]，瓦斯壓力自回采工作面開始至應力集中區(qū)逐漸增加，在應力集中區(qū)達到峰值，然后開始下降，至原巖應力區(qū)基本保持不變。簡化為圖1所示。

由圖1可將瓦斯壓力曲線分為3段，由下式表示：