高瓦斯矿井快速掘进工作面动态瓦斯涌出规律研究

姜亦武，王 超，邱春亮，宁廷州，安学东，杨俊生，孙红星，赵鹏翔

(1.兖矿新疆能化有限公司，新疆自治区乌鲁木齐市，830010；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西省西安市，710054；3.兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿，新疆自治区昌吉市，831100)

在我国煤矿事故中，瓦斯爆炸[1-2]是井下最严重的事故之一，它在发生的过程中会伴随着高温、高压、冲击波的产生，使周围气体的流动速度加快，摧毁巷道和设备，危及人的生命安全。由于开采深度不断加深，在深部掘进过程中，也存在瓦斯大量涌出的情况。因此，研究瓦斯的防治措施，对保证煤矿的安全生产、职工的生命健康、公司的财产安全和生产效率都具有重要的意义。在瓦斯治理方面，念其锋[3]等基于GRA-ANP-FCE模型做了煤矿瓦斯爆炸事故安全评估方法研究与应用；司荣军[4]研究了大型瓦斯爆炸传播机理；DEMERTZIS A[5]等论述了无线传感器网络在地下煤矿环境监测中的应用；赵朝义[6]等论述了人机环境系统工程在煤矿安全管理中的应用；张孝峰[7]等对煤矿瓦斯爆炸进行了统计分析并提出了对策。

目前大多数矿井对于瓦斯的治理多采用瓦斯抽采的方法[8-11]。为了在一定程度上提高瓦斯的抽采效率，国内外学者不仅在抽采方法上进行了优化，且对于抽采装备也进行了深度研发。苏联研发了抽采用的伸缩探头；日本不仅研发了强力钻机并且配备了双套管钻头进行钻孔抽采；美国等国家对于抽采泵的功率进行了大幅度的提升；德国、乌克兰等国家为提高抽采效率采用提前水力压裂并且加酸增透煤层。

以往大多数瓦斯抽采多集中于工作面的瓦斯治理，但是由于开采深度的增加，掘进工作面的瓦斯治理也迫在眉睫。因此，笔者基于新疆硫磺沟煤矿(4-5)06掘进工作面的瓦斯涌出量的变化规律，采用灰色理论探讨影响掘进工作面瓦斯涌出的关键因素，并提出相应的瓦斯治理措施，为之后掘进工作面的瓦斯治理提供了一定方法。

1 矿井概况

硫磺沟煤矿设计生产能力0.9 Mt/a，核定生产能力1.5 Mt/a。井田内的沉积岩厚度达数百米，而且岩石结交密实、裂隙少，且本地区降水较少，无常年性地表径流与大型地表水体，各地层含水性不强。

(4-5)06工作面西部距井田边界20 m，东部为副斜井保护煤柱，北部为未采动的实体煤。(4-5)06工作面轨道巷标高+683.3～+702.6 m，巷道最大埋深557.0 m(轨道巷开切眼上口)，最小埋深435.0 m(在(4-5)06轨道巷联络巷口处)。(4-5)06工作面运输巷标高+586.5～+613.7 m，巷道最大埋深662.5 m(西部边界向停采线方向约170.0 m)，最小埋深486.1 m(标高+600.0 m水仓内仓位置)。根据硫磺沟煤矿井上下对照图，工作面开切眼附近两巷道埋深最大，往两巷道开口方向埋深逐渐减小。

2 (4-5)06 掘进工作面瓦斯涌出预测

2.1 掘进工作面瓦斯涌出量预测方法

(4-5)06掘进工作面瓦斯涌出量采用分源预测法，分源预测法是根据矿井工作面的瓦斯涌出源的数量及各源的瓦斯涌出量来预测矿井瓦斯涌出量的方法，掘进工作面瓦斯涌出量由掘进巷道煤壁瓦斯涌出和掘进落煤瓦斯涌出两部分构成：

q掘=q1+q2

(1)

式中：q掘——掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；

q1——掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；

q2——掘进工作面巷道落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min。

掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量以式(2)计算：

(2)

式中：D——巷道断面内暴露煤壁面的周边长度，取10.5 m；

υ——巷道平均掘进速度，取0.007 m/min；

L——巷道长度，取1 850 m；

q0——巷道煤壁瓦斯涌出量初速度，m3/(m2·min)。

无实测可参考式(3)：

q0=0.026(0.000 4V2+0.16)W0

(3)

式中：V——煤中挥发分含量，取38.69%；

W0——原始瓦斯含量，m3/t。

掘进工作面巷道落煤绝对瓦斯涌出量以式(4)计算：

q2=Sυγ(W0-Wc)

(4)

式中：S——巷道断面积，取13.5 m2；

γ——煤的密度，取1.3 t/m3；

Wc——煤出井的残存瓦斯含量，m3/t。

将数据带入式(2)、(4)计算可得到(4-5)06掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量为1.102 m3/min，巷道落煤绝对瓦斯涌出量为0.283 m3/min。

因此，(4-5)06综放工作面掘进期间巷道绝对瓦斯涌出量q掘为1.385 m3/min。取瓦斯涌出不均衡系数1.3，计算得(4-5)06轨道巷道掘进工作面瓦斯涌出量在1.385 0～1.800 5 m3/min。

2.2 (4-5)06轨道巷道掘进工作面瓦斯涌出影响因素分析

2.2.1瓦斯涌出与时间的关系

通过对(4-5)06回风巷沿空掘进工作面瓦斯浓度变化的实时观测，结合工作面配风量，得出2018年10月到2019年2月期间，瓦斯绝对涌出量随掘进时间的变化规律如图1所示。从图1可以看出，随着掘进时间的不断推移，煤壁暴露时间逐渐增大，在矿山压力显现相对稳定的阶段，瓦斯涌出量变化保持平缓，而当巷道掘进使矿山压力产生变化的时候，瓦斯涌出量则会发生突然升高，但总体趋势为逐渐趋于平缓。(4-5)06回风巷沿空掘进工作面绝对瓦斯涌出量为1.070～1.736 m3/min，平均为1.187 m3/min。

图1 掘进工作面绝对瓦斯涌出量时间变化

由于(4-5)06工作面回风巷为沿空掘进，导致实体煤壁一侧的瓦斯卸压带范围较宽，因此瓦斯涌出量在开始时较大，随着回风巷道掘进，煤体暴露时间随之增长，并且由于煤壁中瓦斯卸压范围及瓦斯含量的限制，导致其瓦斯涌出量呈现下降并最后趋于平稳。

2.2.2瓦斯涌出量与日进尺的关系

通过实时观测2018年10月到2019年2月期间(4-5)06回风巷沿空掘进工作面在不同日推进度对应的瓦斯涌出量，得到工作面日进尺与绝对瓦斯涌出量之间的关系及其变化趋势拟合如图2及图3所示。结果表明，工作面日进尺与绝对瓦斯涌出量之间具有基本相同变化趋势。

图2 掘进工作面绝对瓦斯涌出量、日进尺随时间变化

图3 绝对瓦斯涌出量与日进尺的拟合关系

分析两者的变化可得：煤体围岩的移动和变形与工作面推进速度密切相关，当工作面推进速度减慢时，由于时间增长导致围岩变形较为充分，进而会使围岩瓦斯更加容易涌出，因此其涌出量增加。反之，当工作面推进速度加快时，煤体围岩移动、变形时间短，发育不充分，进而导致围岩的瓦斯涌出量减少。其变化趋势拟合方程如式(5)所示。

q=0.001 06x1+1.182 01

(5)

式中：q——绝对瓦斯涌出量，m3/min；

x1——日进尺，m。

2.2.3日产量与瓦斯涌出量的关系

通过对2018年10月到2019年2月期间，(4-5)06回风巷沿空掘进工作面在不同日产量条件下瓦斯涌出量的实时观测，得到绝对瓦斯涌出量与日产量之间的变化关系如图4和图5所示。(4-5)06回风巷沿空掘进工作面回采初期，绝对瓦斯涌出量相对较小，随着工作面的不断推进，绝对瓦斯涌出量随产量的增大而增大，且当工作面产量呈现持续上升时，绝对瓦斯涌出量出现波动后达到顶峰，因此绝对瓦斯涌出量与产量之间呈现较为复杂的变化关系。

图5 绝对瓦斯涌出量与日产量拟合关系

在(4-5)06回风巷沿空掘进工作面正常回采期间，测定了不同产量下的绝对瓦斯涌出量的变化情况，并对其变化趋势进行了拟合，观测结果表明，沿空掘进工作面绝对瓦斯涌出量随产量的增加而有所增大，但增长趋势较小，见式(6)。

q=0.000 46x2+1.183 81

(6)

式中：x2——日产量，t/d。

由于受上一工作面回采及联络巷施工的影响，煤层中原有瓦斯已发生自然涌出，导致工作面掘进初期产量虽然较大，但绝对瓦斯涌出量较小；随着工作面的不断推进，当其揭露原始煤层后，由于掘进工作面产量变化直接影响着围岩的变形及卸压情况，当工作面产量少时，对应其工作面推进速度较慢，围岩变形及裂隙发育比较充分，这个阶段工作面产量与绝对瓦斯涌出量两者之间的变化比较同步，但是随着工作面产量不断增大，工作面推进速度的加快，围岩变形较不充分，导致工作面绝对瓦斯涌出量出现波动，但是当工作面产量达到一个稳定值后，工作面绝对瓦斯涌出量产生突变，呈现出较大的变化。

3 瓦斯涌出量灰色关联度分析

根据硫磺沟煤矿(4-5)06轨道巷道掘进工作面瓦斯实测结果，分析瓦斯涌出影响因素，结合灰色关联度分析，得到各影响因素与瓦斯涌出量的关联度，从而得出瓦斯涌出影响因素的主次。

3.1 灰色理论

灰色理论是通过一定的方法，得到系统中各个子因素与母因素之间存在的数值关系。它提出了对系统各子因素进行灰色关联度分析的概念，在系统变化的过程中，若其子因素与母因素两者之间具有一致的变化趋势，即两者之间的变化程度具有一定的同步性，两者关联程度较高；反之，若子因素与母因素之间的变化趋势同步性较差，则两者关联度不高。因此，灰色关联分析通过判定子因素与母因素之间存在的变化趋势的相似程度进而确定因素间的关联程度[12]。

3.2 影响因素选取

灰色关联分析需要各个指标被量化，为了增加与现场的符合度，笔者通过数量化理论将之前未被量化的指标转化为二分变量进而更容易量化，即以“0”和“1”表示某个定性指标的“不存在”和“存在”。

根据工作面实际情况，选取4个定量指标：掘进累计天数(X1)、日进尺(X2)、掘进累计进尺(X3)、配风量(X4)；3个定性指标：围岩岩性(X5)、褶皱(X6)、断层(X7)。

选取(4-5)06轨道巷掘进工作面连续一个月瓦斯涌出数据及以上7项因素量化指标值进行统计，统计结果见表1。

表1 硫磺沟煤矿(4-5)06轨道巷瓦斯涌出量及其影响因素统计表

3.3 影响因素关联度分析

通过软件计算得到影响硫磺沟煤矿(4-5)06轨道巷掘进工作面瓦斯涌出量各因素的关联度系数分别为：0.606、0.732、0.637、0.703、0.695、0.832、0.635。其中，关联度X7(断层)>X2(日进尺)>X4(配风量)>X5(围岩岩性)>X3(掘进累计进尺)>X6(褶皱)>X1(掘进累计天数)，因此断层是影响硫磺沟煤矿(4-5)06轨道巷掘进工作面瓦斯涌出量的主控因素，瓦斯涌出量受日进尺和配风量的影响较大，相较而言其受围岩岩性、褶皱、掘进累计进尺和掘进累计天数的影响较小。

4 (4-5)06掘进工作面瓦斯治理措施应用

硫磺沟煤矿除采用抽采措施来防治矿井瓦斯超限之外，还应在掘进、开采过程中对瓦斯浓度进行实时监测，有效通风和控制火源，对煤与瓦斯复合动力灾害进行防治。

4.1 瓦斯浓度实时监测

对矿井中瓦斯气体浓度进行实时监测和预警，是防治瓦斯爆炸的有效手段。在井下生产过程中，应该在采煤工作面、掘进工作面、装煤点和运输巷道等重要部位和瓦斯浓度较高的地方安装瓦斯传感器，监测巷道和工作面的瓦斯浓度，防止瓦斯浓度超限。

硫磺沟煤矿在工作面刮板输送机机头处的支架下方安装了瓦斯传感器，用于监测采煤工作面回风上隅角处的瓦斯浓度，瓦斯传感器吊挂在距工作面煤壁10～15 m的位置处，回风巷的瓦斯传感器吊挂在混合回风点以里10～15 m之间，掘进工作面的瓦斯传感器吊挂在风筒的另一侧，距离掘进工作面小于5 m，如图6所示。

T0-上隅角瓦斯传感器；T1-采煤工作面瓦斯传感器；T2-回风巷瓦斯传感器；T3-进风巷瓦斯传感器

掘进工作面的瓦斯传感器安装在掘进工作面附近，并且设置在风流稳定的位置，以便能准确反映瓦斯的浓度，如图7所示。

T4-掘进工作面瓦斯传感器；T5-回风流中瓦斯传感器

在回风流中，机电硐室的瓦斯浓度可能会比较高，应该在回风流中机电硐室的进风侧设置瓦斯传感器，如图8所示。

T6-机电硐室进风侧瓦斯传感器

此外，在装煤点的上风流、运输巷的下风流、瓦斯抽放泵站室内输入管路中设置瓦斯传感器。瓦斯监测员不定时用瓦斯监测仪对容易发生瓦斯事故和瓦斯浓度大的地方进行监测，避免瓦斯浓度超限。

4.2 有效通风

防止瓦斯积聚最有效、最基本的方法就是有效通风[13]。煤矿井下要时刻做到风流稳定，避免循环风的出现。在掘进和采煤工作面，局部通风机的末端要最大程度的靠近掘进工作面，并配用备用通风机，防止通风中断，同时在瓦斯积聚的地方要提高通风量和风速。除了利用通风来防止瓦斯积聚之外，还要及时处理好局部积存的瓦斯。

对于采煤工作面上隅角瓦斯的积聚，可以采用Y型通风系统[14]，使用这种通风系统不仅可以降低采煤工作面的风速，而且可以防止采煤工作面上隅角瓦斯的积聚。对于综采工作面的瓦斯积聚，一方面可以加大工作面的风量以防止瓦斯积聚；另一方面可以安装小型局部通风机或风、水引射器来加大采煤机附近的风速来防止瓦斯积聚。对于顶板附近的瓦斯积聚，一是可以采用加大巷道内风流的平均流速(风流的平均流速不能低于0.5 m/s)，使瓦斯与空气能够充分的紊流混合；二是可以在顶梁下面加导风板将风流引向顶板附近或铺设接有短管的压气管，将积聚的瓦斯吹散。对于顶板冒落空洞内积存的瓦斯可以用砂土填实，或者用导风板、风筒引入风流将之吹散。

5 结论

硫磺沟煤矿为高瓦斯矿井，井下一旦发生瓦斯爆炸，会造成极其严重的破坏，不仅会摧毁巷道和设备，而且会造成大量的人员伤亡，因此，做好井下的瓦斯防爆工作就显得尤为重要。

(1)根据硫磺沟煤矿(4-5)06轨道巷掘进工作面瓦斯实测结果，结合灰色关联度分析，断层是影响硫磺沟煤矿(4-5)06轨道巷掘进工作面瓦斯涌出量的主控因素，相较而言其受围岩岩性、褶皱、掘进累计进尺和掘进累计天数的影响较小。

(2)通过瓦斯实时监测、有效通风技术的应用，硫磺沟煤矿发生瓦斯爆炸的概率将会极大的降低，从而保证煤矿安全生产。