煤、油共生条件下煤矿巷道掘进技术探析

吕怀宝，张 帆

（1.陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西黄陵727306；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710000）

关健词：巷道掘进技术；煤与油、气共生；综掘自动化；防治

矿产资源与能源的开发研究，是人类永恒的事业。煤炭在我国能源产业中占据首要地位，我国工业生产技术发展将在未来很长一段时间里维持现有的能源分配比例不变。根据国家统计局《2017 年国民经济和社会发展统计公报》数据结果，一次能源生产总量中原煤34.1×108t，煤炭消费量占能源消费总量的62.0%，煤炭在能源产业中依然高居首榜。煤矿开采又以井工作业为主，井工开采巷道掘进工作量大，因此巷道掘进技术的优劣决定着矿井生产水平。本文针对煤与油气共存条件下巷道掘进中存在的问题，从成因、危害、防控展开研究，解决其巷道掘进过程中的难题。

1 国内巷道掘进的研究现状

1.1 近50年发展历程

地下开采是我国煤矿开采的主要形式，在机械化快速发展的21世纪，煤矿已形成井工作业综合机械化掘进工艺。该掘进工艺效率高，每年开拓的煤巷、半煤岩巷、岩巷累计超过850余万米[1]，综掘已形成先进的技术体系，推动了现代化矿山建设。纵观近50年，巷道掘进在我国先后经历了：人工、炮采阶段，该方法工人工作量大，作业支护耗时，且对煤矿安全生产有影响，是以基本被现代巷道掘进遗弃。机械掘进阶段，现已形成3种形式：①综合机械化掘进，以悬臂式掘进机为主的掘进方式；②连续采煤机与其它机械配合掘进，主要掘进机为采煤机；③掘锚一体化机组，主要掘进机为掘锚机组[1]。迄今为止，矿井掘进的主流形式为掘锚一体，及掘进机掘进后打锚迅速跟进，紧接着完成加网或喷浆使巷道快速成型，形成整套的巷道掘进工艺。该方法工艺的优点如下：①大大节省了矿井掘进作业时间。相比悬臂式掘进，它的支护时间减少，巷道成型时间缩短；②节省了人力的投入，比起炮掘工人劳动强度大幅下降；③巷道强度高，交通方便。当然，它也有不足之处：①适用于条件较好的煤岩环境，在岩空掘巷中劣势；②对工人作业技术要求提高，锚杆跟进快打眼角度、深度必须准确。

1.2 综掘自动化的研究

综掘自动化研究是利用自动化控制系统来研究掘进巷道，主要是掘进机的自动控制。它包括：掘进前进定向控制、远程遥控、智能检测、预报诊断故障、数据输出及记忆截割等系统。地面人员通过远程会诊技术，利用摄像机等向井下进行技术支持[1]。综掘自动化的实现，方便了地面工作人员与井下掘进的直接可视化、远程技术协助等工作，使得井下掘进工作更加科学规范、方便快捷，减小了人工劳动强度。综掘自动化研究和发展，推动了数字化矿山建设，使得矿山可视化、一体化、自动化、正规化，这也是掘进技术发展的一个主流，今后的采掘技术都应该向着自动化方向发展。该自动化技术可加快采掘，有利于快速掘进，同时提高了巷道掘进的安全性和稳定性。

1.3 快速掘进技术的研究

当下采煤与掘进相比，矿井单面生产能力基本满足要求，但掘进速度较为缓慢，已成为制约矿井高效生产的主要因素之一[2]。由于矿井生产地质条件复杂，并且陷落柱、老窑水、承压水、瓦斯、岩层气和油气等多种制约因素共同作用，必须加大地质及水文探测力度，做好预报工作，为快速采掘提供保障。掘进速度的提高，依赖于机械化水平，支护成巷技术，掘进组织作业形式优化和管理水平。它的提高为煤矿安全、高产高效创造了条件。

2 矿井煤与油气共存

2.1 煤与油气共存现象

煤与油气共存，是指含煤地层中蕴含大量天然气资源。在世界上大气田和天然气储量的70%～80%，来自含煤地层，占能源结构的比重达20%，虽然我国仅占世界储量的2.1%，但其开发价值和应用前景巨大，有望成为我国能源结构中重要一员，故掘进的同时应兼顾天然气、油气资源的开发利用，摒弃前人在煤矿开采中“害”的观点。施工中油、气能否化害为例，关键得看采掘工艺[3]。

以黄陵矿区为例，黄陵矿区煤层中有油气显示及气喷现象，这严重影响着矿井安全，一号井北二盘区在掘进、综采过程中面临顶板淋油的现象。因此在该盘区，展开油气对煤层掘进的影响研究。

2.2 油气对巷道掘进的危害分析

研究作用和意义：根据油气对巷道掘进危害的特点，来确定矿井巷道掘进工作预先勘探任务、掘进技术方法、施工管理。

煤与油、气共生条件下掘进工作的好坏，关键问题在于解决好煤矿三怕：①油气爆炸，危害矿井安全生产和采掘工人的生命。油气主要成分是甲烷和乙烷，而这两种烃类气体具有爆炸性，如控制不好在空气中的浓度，遇火星将会爆炸；②煤自燃等矿井火灾，在采掘中会“火上浇油”其相互作用容易酿成并加剧火灾发生和发展；③油气中毒，在掘进巷道时这些气体会危害人体健康状态[4]。

3 巷道掘进措施

针对煤与油气共存的特点，掘进时掘进技术应充分考虑安全因素和天然气开发利用。因此在巷道掘进中预先探测显得极为重要，它要与具体的巷道掘进相符合，用来指导掘锚机组作业。含油气煤层掘进过程中应注意以下几点[4-6]：

（1）打钻排油放气：在采掘巷道开挖之初，根据预先勘探情况，确定打钻钻孔排列形状顺序，及合理的角度、深度。在预先掘进的成型巷道里，对钻孔头部装置阀门，用于定期放油排气，这样不仅可以获得一定的油、气资源，而且对于巷道维护、矿井风流新鲜度都有利，更能有效减少后期回采工作时煤体内油、气含量，有利于安全生产[4-5]。

（2）加强通风管理：由于石油生成过程中会伴随大量的油气，所以在掘进巷道开挖之时，需要根据现场油气情况合理的控制掘进巷道内风量，保证掘进工作正常进行。必要时可设专门的测风管理人员，根据巷道掘进实际情况结合前期油、气探测结果分析预测可能出现的突发事件，以加强对突发事件的管理，及时稀释处理独头巷道中的油气涌出。

（3）防尘措施：油气中烃类混合物爆炸下限浓度低，掘进巷道中煤尘与油气形成混合体，会降低巷道内煤尘爆炸的下限浓度值。因此必须加强巷道防尘管理，对巷道装置静压洒水系统，对掘进点进行喷雾降尘，其余巷道每80m留设一个喷头，定时进行除尘，清理巷道，降低煤尘危害。

（4）及时清洗金属支架和支柱：巷道掘进过程中，原油会沿金属支柱流下，油沿柱芯流入套筒会减小支柱支撑阻力、妨碍操作，必须对支柱支架进行及时的清理维护。这就要求我们必须准备好备用的支架和支柱。

4 结论

回顾我国掘进工艺40年的变革，展望了矿井巷道掘进掘锚一体化工艺、综掘自动化技术、快速掘进技术为发展的大势所趋。掘锚一体化机组省时、省工，支护强度高、方便；综掘自动化可实现地面专家与井下掘进系统的良好互动，有助于采掘故障处理和数字化矿山建设；而快速采掘技术能弥补现在采矿工艺中掘进慢的难题。

同时，针对矿井掘进作业中油、气显现严重的情况，分析油、气对采掘的3种主要危害，即油气爆炸、煤油共燃、油气中毒。在此基础上结合矿井采掘实际情况提出具体预防、控制措施，主要为：①打钻排油放气；②加强通风管理；③加强防尘措施；④及时清洗金属支架和支柱。