掘进工作面瓦斯涌出影响因素及防治策略.pdf

2023 年第 10 期2023 年 10 月瓦斯是与煤伴生的以甲烷为主的可燃烧或爆炸的气体。煤矿井工开采工作面回采及煤巷掘进过程中大量的瓦斯会随煤开采而排放至工作空间，若不能及时排放，则有可能引起瓦斯爆炸，造成经济损失及人员伤亡，是矿井重大安全隐患1。巷道掘进是形成采煤工作面生产系统的必经环节，掘进工作面是独头巷道，不具备系统、完善的“一通三防”系统，使得掘进工作面的通风及瓦斯防治成为矿井安全生产中“一通三防”的工作重点。鉴于此，本文对掘进工作面瓦斯的涌出机理、来源及影响因素进行分析，给出掘进工作面瓦斯防治策略，为掘进工作面瓦斯防治提供经验参考。1矿井瓦斯涌出机理原始状态的煤在工作面采动或掘进影响下被破坏，原始的应力状态被破坏，采动影响范围内的煤体及围岩卸压、膨胀、变形直至破裂，使煤岩内部裂隙扩张，透气性增强，使煤体内的游离态瓦斯涌出，部分以吸附态赋存于煤中的瓦斯随压力减小而不断解吸并扩散至采掘工作空间。煤体及围岩受采掘影响卸压的范围随着采掘工作的进行不断扩大，瓦斯赋存在煤岩内，原本的平衡状态不断被打破，因此，瓦斯随工作面采动持续、长时间地从煤体和围岩中释放并扩散至采掘空间内，造成采掘空间的瓦斯超限。煤体内的瓦斯在采掘影响下，在短时间内大量集中地突然涌出至采掘空间，即为瓦斯喷出或煤与瓦斯突出2。2掘进工作面瓦斯来源及影响因素2.1掘进工作面瓦斯来源掘进工作面裸露煤壁及随采垮落的煤块是瓦斯的主要来源。1)煤壁瓦斯涌出。煤壁及前方煤体原始的应力状态在掘进影响下被打破并卸压，导致扰动范围内煤体裂隙大量增加，该范围内煤体中赋存的大量瓦斯解吸、扩散至工作面，掘进工作面迎头受采动影响，卸压的范围随工作面的推进不断扩展，使掘进面迎头随工作面推进不断释放大量瓦斯；同时掘进工作面围岩中赋存的瓦斯也将受到采动卸压影响而扩散至工作收稿日期：2023-03-27基金项目：山西省应用基础研究计划面上青年基金资助项目（201901D211033）第一作者简介：刘慧敏，1988 年生，男，山西大同人，硕士，工程师，主要从事矿井通风与安全方面的工作。掘进工作面瓦斯涌出影响因素及防治策略刘慧敏1，张彬2（1.晋能控股煤业集团永定庄煤业公司，山西 大同 037024；2.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024）摘要：为减少掘进工作面瓦斯事故的发生袁 以矿井瓦斯涌出机理为基础袁 分析了掘进速度和风筒布置位置对掘进工作面瓦斯涌出量的影响遥 结果表明院 掘进速度越快袁 掘进工作面瓦斯涌出量越大曰 风筒布置于顶帮比偏帮更有利于降低掘进工作面的瓦斯涌出量遥 同时从加强掘进面迎头通风管理和掘进过程中的瓦斯防治措施两方面给出瓦斯防治策略袁 为矿井掘进工作面的瓦斯防治提供参考遥关键词：掘进工作面曰 瓦斯涌出曰 影响因素曰 防治策略中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)10-0041-03Influencing Factors and Prevention and Control Strategies of Gas Gushing inDriving FaceLIU Huimin1,ZHANG Bin2(1.Yongdingzhuang Coal Industry Company,Jinneng Holding Coal Industry Group,Datong 037024,Shanxi,China;2.KeyLaboratory of In-situ Property-improving Mining of Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China)Abstract:In order to reduce the occurrence of gas accidents in driving face,based on the mechanism of gas gushing,the influencesof driving speed and air duct placement on gas gushing amount in driving face were analyzed.The results show that the faster thedriving speed,the larger the gas gushing amount of the driving face;and the top side of the air duct is more conducive to reducingthe gas concentration of the driving face than the side.The suggestions of gas prevention and control were given from two aspectsof strengthening ventilation management in front of the driving face and gas control measures in the driving process,which canprovide reference for gas prevention and control of mine driving face.Key words:driving face;gas gushing;influencing factor;prevention and control strategy（总第 217 期）能源产业412023 年第 10 期2023 年 10 月空间，但围岩在采动影响下松动卸压的范围是有限的，因此巷道掘进过程中围岩所释放的瓦斯相对较少且瓦斯涌出衰减的速度相对较快。2)掘进落煤产生瓦斯。掘进将煤壁上原始应力状态下的煤破碎，破碎的落煤使煤中的吸附态瓦斯暴露于常压环境，吸附态瓦斯在极短时间内解吸并直接暴露于工作空间，原本以游离状态赋存在煤中的瓦斯也随煤破碎而直接暴露于工作空间，原本难以解吸、以溶解态溶解于煤层水中的瓦斯随煤破碎程度的增大而变得容易解吸，从而扩散至工作空间。2.2掘进工作面瓦斯涌出量的影响因素掘进工作面瓦斯在空间、时间上的涌出量与地质条件变化、瓦斯赋存量、巷道通风量、掘进工艺、掘进速度、风筒布置位置有关。从整体上看，掘进工作面瓦斯的涌出量随煤壁暴露时间的增加而减小。煤层的地质条件、瓦斯赋存量等客观地质条件无法改变，掘进工艺和巷道通风量属于矿井设计范围，一般不做调整，因此本节对掘进速度、风筒布置位置对掘进工作面瓦斯涌出量的影响进行分析。2.2.1瓦斯涌出量与掘进速度的关系大量的现场数据表明，不同掘进工艺中，使用综掘机掘进时的瓦斯涌出量最大。在无地质构造、煤层赋存稳定的巷道中掘进，掘进速度是影响掘进工作面瓦斯涌出量的最主要因素。图 1 为风筒距掘进工作面5.0 m，风量一定时，不同掘进速度下掘进工作面瓦斯监测数据变化曲线图。掘进工作面割煤是所有掘进工序中瓦斯涌出量最大的一步，瓦斯涌出量与割煤速度成正比，瓦斯涌出量持续的峰值时间与割煤时间成正比。掘进巷道的瓦斯涌出量在掘进工作面推进速度不均匀时发生变化，割煤作业时瓦斯涌出量和涌出速度升高，停止作业时随停止时长的增加逐渐减小并趋于稳定。2.2.2风筒布置位置与掘进工作面瓦斯积聚的关系掘进巷道为独头巷道，一般采用压入式通风为施工人员提供氧气并排出巷道内的瓦斯和煤尘，掘进巷道同时兼做进风巷和回风巷，因此风量相对较小。煤矿安全规程 规定，掘进巷道中掘进迎头风筒距掘进工作面 5.0 m，但是风筒的布置位置同样对瓦斯的疏散有一定的影响3。在风量一定的条件下，对掘进工作面风筒布置在顶帮和左偏帮时，综掘结束后掘进工作面迎头 12 个不同位置测点处的瓦斯体积分数进行监测，风筒布置位置和测点布置位置示意图如图 2 所示。右偏帮风筒与左偏帮风筒呈对称结构，因此只分析左偏帮和顶帮风筒布置位置对掘进工作面不同测点处瓦斯体积分数的影响。图 2顶帮、左偏帮风筒布置位置及测点布置位置示意图图 1不同掘进速度下掘进工作面瓦斯监测数据变化曲线图(a)顶帮左偏帮风筒布置位置(b)测点布置位置顶帮、左偏帮风筒不同测点瓦斯体积分数分布规律如图 3 所示。由图 3 可知，当在顶帮布置风筒时，13，46，79，1012 号测点的瓦斯体积分数规律分布，每一组中部的监测点瓦斯体积分数最小，距离掘进面迎头最近的 13 号测点瓦斯体积分数相对较高且左侧 1 号测点瓦斯体积分数最大，为 3.0%，右侧 3 号测点瓦斯体积分数为 1.6%，中间 2 号测点瓦斯体积分数较小，为 0.7%，这是因风筒出风口产生的漩涡风流所致。随着测点与掘进面迎头距离的不断增加，各测点的瓦斯体积分数逐渐减小，可以发现在 79 号测点处瓦斯体积分数有所升高，认为这是因风筒出风口处风流的卷吸作用所致。最终当风筒布置于顶帮时，瓦4.03.53.02.52.01.51.00.52.5 m/d；3.2 m/d；5.5 m/d；7.1 m/d。圆园源园远园愿园员园园巷道掘进距离/m0风筒风筒11127415289635.0 m2.5 m2.5 m5.0 m测点位于巷道高 2/3 处风筒掘进工作面10注：112 为测点标号。422023 年第 10 期2023 年 10 月15 姜海洋，杜尔顺，朱桂萍，等.面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望 J.电力系统自动化，2020，44(19)：194-207援16 李鹏，肖辉，邵頲.低碳办公建筑储能系统优化配置研究 J.电气应用，2023，42(2)：1-8.17 田军，朱永强，陈彩虹.储能技术在分布式发电中的应用 J.电气技术，2010(8)：28-32.18 龚一平，王晨晖，修晓青，等.大规模储能技术及多功能应用研究综述 J.供用电，2023，40(2)：68-77.19 李先锋，张洪章，郑琼，等.能源革命中的电化学储能技术J.中国科学院院刊，2019，34(4)：443-449.20 傅旭，李富春，杨攀峰.基于全生命周期的各类储能调峰效益比较 J.供用电，2020，37(7)：88-93.21 黄博文，潘轩，彭雪莹，等.用户侧储能对电网的影响及经济性分析 J.电器与能效管理技术，2020(5)：7-13.（编辑：刘晓芳）斯体积分数在 1012 号测点以后趋于稳定，约为 0.4%。图 3顶帮左偏帮风筒不同测点瓦斯体积分数分布规律当在左偏帮布置风筒时，仍为 13，46，79，1012 号测点每 3 个测点成一组瓦斯体积分数规律分布，每一组风筒对侧的监测点瓦斯体积分数最大，距离掘进面迎头最近的 13 号测点瓦斯体积分数相对较大且右侧 3 号测点瓦斯体积分数最大，为 5.9%，中部及风筒侧测点瓦斯体积分数相对较小，约为 0.8%。左偏帮布置风筒时，7 号测点的瓦斯体积分数有所回升，是风筒出风口处风流的卷吸作用所致，瓦斯体积分数随测点与工作面距离的增大而逐渐减小，在 12 号测点以后稳定于 0.8%左右。通过上述分析，认为将风筒布置在巷道顶帮比偏帮更有利于解决掘进工作面瓦斯积聚的问题。3掘进工作面瓦斯防治策略3.1加强掘进面迎头通风管理掘进工作面因独头巷道需保证正常通风，严禁随意开停，局部通风机应挂牌“三专”“两闭锁”，专人管理专人操作，确需停风的，需要切断掘进工作面电源并撤出工作人员，且应在瓦斯检查后再开启通风机。掘进工作面风筒出风口风量应大于 40 m3/min，与掘进工作面迎头煤壁的距离应小于等于 7 m，避免循环通风和通风死角的出现。风筒必须为大直径无缝风筒，且应保持平直，遇拐弯应缓慢拐弯，严禁隔开风筒布供风。局部通风机应配备有备用局部通风机，备用局部通风机应具有同主局部通风机相同的功率、型号和安装要求，与主局部通风机的电源应不同，保证主、备用风机的切换时间在 15 s 以内。3.2掘进过程中的瓦斯防治措施掘进作业期间执行循环前探钻孔，前探钻孔长度应大于 20 m，边探边掘，利用前探钻孔观察作业前方煤体的地质构造变化和瓦斯地质情况，达到超前预防目的，避免突然掘进至存在瓦斯异常的构造附近造成瓦斯超限、突出等事故。如正常掘进期间工作面瓦斯涌出异常或前探钻孔瓦斯异常，应在掘进面迎头向前布置 36 个长度 80 m 的瓦斯释放孔，以减小瓦斯压力。如遇长距离瓦斯释放孔释放后工作面瓦斯涌出量仍较大的情况，可以在掘进巷道两帮布置顺层瓦斯抽放钻孔，边掘边抽，通过顺层瓦斯抽放钻孔降低工作面的瓦斯含量和瓦斯涌出量4。巷道掘进中应在掘进工作面和后巷布置监测监控系统，瓦斯超限时自动报警并断电。瓦斯安全员应对掘进巷道的瓦检数据进行定期整理并汇报，对掘进巷道瓦斯涌出规律进行分析与总结，实现瓦斯预报。4结束语对矿井瓦斯涌出机理进行了分析，得出掘进工作面落煤及掘进面迎头裸露煤壁是掘进工作面瓦斯的主要来源。进一步对掘进速度和风筒布置位置对掘进巷道瓦斯涌出量的影响规律进行了分析，发现掘进工作面瓦斯涌出量与掘进速度成正比，风筒布置在巷道顶帮比偏帮更有利于解决掘进工作面瓦斯积聚的问题。从加强掘进面迎头通风管理和掘进过程中的瓦斯防治措施两方面给出了掘进工作面的瓦斯防治策略。此次研究可以为矿井掘进工作面的瓦斯防治工作提供参考。参考文献：1 李润芝.毛家庄煤矿高瓦斯掘进工作面瓦斯防治技术研究 J.煤炭工程，2022，54(1)：80-83.2 徐宁.高瓦斯高应力区大直径钻孔卸压快速掘进技术研究与应用 J.煤，2022，31(9)：10-12.3 成高飞.大水头矿掘进工作面瓦斯灾害防治研究 D.西安：西安科技大学，2012.4 裴文洲.新集二矿 210108 掘进工作面瓦斯综合治理技术研究J.山西煤炭，2018，38(2)：27-31.（编辑：刘晓芳）8.07.06.05.04.03.02.01.0顶帮风筒；左偏帮风筒。1234567890101112测点标号刘慧敏，等：掘进工作面瓦斯涌出影响因素及防治策略（上接第 40 页）43