基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘进速度确定

付 帅，佀庆民，王启飞，郭昕曜，张宏图

基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘进速度确定

付 帅1，佀庆民1，王启飞2，郭昕曜1，张宏图3

(1. 郑州航空工业管理学院 民航学院，河南 郑州 450046；2. 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；3. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)

科学确定掘进速度是保障高瓦斯、突出矿井安全高效生产的重要前提。为确定煤巷最佳掘进速度，减小动力灾害发生，理论分析掘进工作面前方瓦斯分布规律，并建立瓦斯涌出量数学模型，分析不同掘进速度下瓦斯涌出特征。以山西汾西矿区金晖万峰煤矿为例，分析其巷道瓦斯涌出规律，确定其最佳掘进速度。结果表明：煤巷掘进速度等于应力迁移速度v，即以=v持续掘进时，落煤瓦斯涌出量1不变，瓦斯涌出总量不变；当<v持续掘进时，1线性减小，也持续减小；当>v持续掘进时，1呈指数增加，持续增加；金晖万峰煤矿1115工作面区域应力迁移速度约为2.1 m每班次，以2.1 m每班次持续掘进或分别以每班次2.4、1.6、2.4 m速度循环掘进时，能够实现煤巷快速安全掘进。在该矿1115工作面进风巷对研究结果进行现场验证并证实了该方法的可行性。

山西金晖万峰煤矿；巷道掘进；瓦斯涌出量；掘进速度；应力迁移速度

煤层赋存条件复杂化、多样化是造成我国煤层开采难度大的主要原因，且随着开采深度增加进一步加剧，与此同时越来越多的瓦斯矿井转变为高瓦斯或突出矿井，煤与瓦斯突出问题日益严峻[1]。与此同时，随矿井机械化程度的提高，综合机械化掘进因其掘进效率高、速度快被广大采矿工作者所青睐[2]，同时也面临一些问题。综掘速度过快，工作面前方瓦斯、应力来不及释放，此时若出现地质构造软煤带，突出就容易发生，综掘速度过慢，机械设备不能充分发挥其作用，造成掘进效率低，影响生产进程[3]。因此，研究综掘煤巷合理掘进速度对于控制突出事故发生、提高矿井生产效率具有重要意义。

工作面前方常存在一卸压区，该区域内瓦斯、应力得到充分释放，往往认为此区域无突出危险性，若在卸压区内掘进，可实现安全掘进。一些学者采取理论分析、数值模拟、现场试验等手段对卸压范围的确定做了大量研究[4-10]，但是在确定卸压范围时，其很少考虑时间因素对卸压范围的影响，无法准确确定合理掘进速度。此外，通过监测工作面前方各种参数来确定其应力迁移速度[11-12]，但参数测定过程受人为因素影响较大，测试精度不高。随地球物理科学发展，地球物理方法如微震、电磁等被用于监测掘进工作面前方应力变化及动力灾害[13-15]，但因井下环境复杂，所监测到的信号中噪声信号较多、较杂、较强，难以进行有效的信号分离，其准确性较低。基于此，笔者通过分析不同掘进速度下巷道瓦斯涌出特征，根据特征差异性判定最佳掘进速度，以指导煤矿生产，减小动力灾害发生。

1 巷道瓦斯涌出量理论模型建立

1.1 工作面前方煤体瓦斯含量分布

受采动影响工作面原始应力状态被打破，当其达到新平衡后，工作面前方应力可分为卸压区、应力集中区及原岩应力区3个区域。基于实验研究、现场测试及数值模拟等手段研究发现，工作面前方瓦斯压力与应力曲线呈现出较好的一致性[16-18]，瓦斯压力自回采工作面开始至应力集中区逐渐增加，在应力集中区达到峰值，然后开始下降，至原岩应力区基本保持不变。简化为图1所示。

由图1可将瓦斯压力曲线分为3段，由下式表示：