复杂地质构造高瓦斯软煤层长距离掘进通风安全技术保障

［摘要］在复杂地质构造、高瓦斯、软煤层中进行长距离(达到1600m以上的工作面)掘进通风，从安全技术上对其进行研究，具有十分重要的意义。

［关键词］复杂条件；长距离；掘进；安全保障

大水头煤矿1988年改扩建后设计年产量为105万t／a，由于井田内地质构造复杂和高瓦斯、软煤层等条件的制约，工作面走向长度一直选择为80～1000m之间，工作面回撤安装占用时间长，耗费人力、物力多。因此，掘进1600m以上的长距离工作面，是实现矿井跨越式发展的主要途径。
　

1 矿井基本情况

1.1矿井概况

大水头煤矿1970年12月简易投产，1988年停产进行105万t／a改扩建，1998年8月投产，现年产量达到160万t／a。大水头煤矿历年瓦斯等级鉴定均为高瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量最高为50.55m3／t·d-1，绝对瓦斯涌出量最高达42m3／min。矿井通风方式为分区对角抽出式。煤层自然发火期为3～6个月，最短21天。煤尘具有爆炸性，爆炸指数34.52％。煤的坚固性系数f值在0.2～0.75之间。

1.2东一采区103工作面瓦斯地质情况

东103工作面是东一采区的首采面，工作面北邻腰水背斜轴部，南依F40断层，花尖子向斜轴斜穿工作面，工作面内地质构造极度复杂，根据目前揭露的资料，落差在1.4～6m断层达7条(见图1)，煤层煤质松软破碎，瓦斯含量极高，吨煤瓦斯含量12m3/t瓦斯储量3083万m3。

图1东103工作面及断层分布平面示意图

2 掘进有关问题的提出

2.1长巷掘进安全技术保障的主要内容及目标 复杂地质构造、高瓦斯破碎软煤层中掘进长巷，研究的主要内容为：设备选型上考虑局部通风机供给的风量满足稀释工作面及后巷的瓦斯，保证安全掘进；在掘进长巷中研究其恰当的掘进先后顺序，使其它巷道做到先抽后掘，减少瓦斯涌出量；研究合理的通风方案；改变巷道锚网支护参数，防止后巷冒顶伤人；在安全技术措施中重点落实先抽后掘、监测监控。通过研究，完成走向长1631m工作面的掘进任务，实现安全掘进的目标。

2.2研究的关键技术 长距离掘进通风的关键技术：选择大功率对旋风机、大直径特制风筒，设计合理通风方案，喷浆封闭巷道，先抽后掘，监测监控，完善安全保障体系，安全措施到位。

3 安全技术保障措施

3.1掘进巷道需风量计算 东103面为首采工作面，参照相邻矿井魏家地矿掘进时正常状态下瓦斯绝对涌出量5m3／min，结合大水头矿井实际情况及掘进巷道瓦斯涌出特点，测算瓦斯涌出巷道风量为： Qc=100QCH4／(C-C0)×K 式中QC为按瓦斯计算掘进巷道需风量m3/min；QCH4为掘进巷道平均瓦斯涌出量m3/min取5m3/min；C为掘进巷道回风流内CH4允许浓度，按体积计算，1%以下；C0为掘进巷道进风流内CH4浓度，%；K为瓦斯涌出不均系数，取1.2。 则QC=100QCH4/（C-C0）×K=100×5%/1×1.2=600m3/min 风量应大于600m3/min
　

3.2设备选型 根据工作面巷道实际长度和瓦斯情况，选择2BKJ系列2×15kw、2×18.5kw和2×30kw的对旋风机。风筒选用漏风小、风阻小、使用方便、成本低廉的φ0.6×10m，φ0.8×20m的特制柔性胶质阻燃风筒。

3.3通风方案

方案一：独头巷道长距离通风1800m，根据不同掘进长度、工作面及后巷瓦斯变化情况选择不同型号、不同功率的局扇、不同直径的风筒，用双局扇、大直径风筒供风稀释工作面及后巷的瓦斯浓度在1％以下，保证安全掘进。 方

案二：东103工作面排放巷掘进巷道达到800m左右时，施工1条贯穿回风顺槽、运输顺槽、排放巷的辅助联络巷，通过施工两组风门控制，使排放巷、回风顺槽、运输顺槽在辅助联络巷以西为全负压通风，回风顺槽作为掘进工作面的总回风，缩短局扇供风距离。方案一、方案二见图2、3。

图2东103工作面掘进初期通风方案一

图3东103工作面掘进后期通风方案二

方案一、二的优缺点比较。方案一：通风系统简单，不足之处是独头供风距离长、安全管理难度大；风筒维护量大，到了掘进后期风筒风阻高、出风口有效风量低、风筒投入费用高；独头运输距离长、皮带设备占用量大、提升复杂；无法实现集中排水、供风、供水、抽放等各项工作，所需各种管线长等等，投入的资金量大。

方案二：优点是中间联络巷以西800m为全负压供风巷道，将掘进工作面的局扇移至辅助联络巷以西20m左右，缩短了局扇供风距离，减少风筒的投入量，便于维护和管理，增加了安全出口，降低了安全管理难度，减少了两台皮带机的投入和维护人员、皮带机司机、清煤工的人工工资，实现了集中排水、供水、抽放、供风，减少了管路投入。不足之处是增加了辅助联络巷的施工费用。

方案二比方案一节省费用125.965万元。

不管从经济效益考虑，还是从安全生产考虑，方案二具有明显的优势。因此，长距离通风选择方案二。

3.4喷浆封闭巷道

喷浆质量要求：巷道喷浆除了防止裸露煤体氧化，预防巷道自然发火外，还可防止后巷瓦斯涌出量增加和瓦斯超限，造成工作面停产或引发瓦斯事故。因此，要求喷浆滞后工作面距离不能大于10m，喷浆厚度在80～100mm，水泥标号为425～525#，水泥与砂的比例符合《作业规程》要求。

巷道未喷浆时瓦斯涌出情况：

经过多次掘进工作面及未喷浆巷道后10m对比检查瓦斯浓度，在巷道同一高度风流较稳定地点测定不同工序时得出结论，巷道后10m的瓦斯浓度在割煤、打眼、挂网时比工作面要高出0.12％、0.09％、0.06％，绝对瓦斯涌出量要增加0.24m3／min、0.18m3／min、0.12m3／min。

在排放巷与回风顺槽都掘进至1631m贯通时，形成全负压通风系统，施工开切眼时，未进行喷浆封闭，当开切眼掘进到110m位置时，工作面风量298m3／min，瓦斯浓度0.42％，后巷百米处瓦斯浓度0.94％，巷道百米瓦斯涌出量达1.56m3／min。

由此可见，如果对巷道不采取喷浆封闭措施，后巷百米瓦斯涌出量一般都在0.8～1.0m3／min，虽然瓦斯涌出量随时间衰减，但要完成1631m的长巷掘进也是不可能的。

3.5先抽后掘

东103瓦斯排放巷沿煤层顶板先行掘进，探测地质构造，掌握瓦斯涌出情况，排放巷始终超前回风顺槽150m掘进，回风顺槽始终超前于运输顺槽200m，随着巷道掘进长度的增加，瓦斯涌出量逐渐增大时，由排放巷向回风顺槽施工钻孔，先抽放后释放，由回风顺槽向运输顺槽施工长钻孔进行抽放，减少掘进过程中瓦斯涌出量和瓦斯压力，根据实测，进行先抽后掘的巷道在工作面20m范围内绝对瓦斯涌出量下降了0.5～0.8m3／min。

截止排放巷与回风顺槽贯通时，回风顺槽共施工了19个钻场135孔，排放巷施工14个钻场91孔，钻孔长度累计17000余m。全年抽放瓦斯量244.9万m3。抽放系统示意图见图4。

图4抽放系统示意图
　

3.6完善矿井安全保障体系

矿井装备KJ95环境集中监测系统，在掘进工作面及后巷配备了瓦斯传感器，工作面瓦斯报警浓度1％，断电浓度1.5％，后巷瓦斯报警浓度、断电浓度1％，实现瓦斯超限自动断电，使瓦斯浓度降到1％以下时，方可人工送电。

局扇安装了“三专两闭锁”装置，保证装置灵敏可靠，定期检查与不定期抽查相结合，为瓦斯管理发挥第二道防线作用。

3.7长距离通风安全技术措施

长距离掘进通风的特点是独头巷道长度不断延长，从几米到数千米，其污染源有连续性的瓦斯和煤尘。长距离通风研究的目的也是为掘进工作创造安全、良好的气候条件。

安全技术中采取的主要措施有：

①严禁瓦斯超限作业，严格执行《煤矿安全规程》第136条、138条规定。

②随巷道掘进长度增加，合理选择局扇，以保证工作面及后巷瓦斯不超限为原则。

③选用较大直径的风筒，减小局扇工作阻力，特制钢性φ790mm的弯头2个，φ590mm的弯头8个。

④按照局扇通风质量标准严格进行局扇安装和管理。 ⑤坚持使用掘进机内、外喷雾，各转载点喷雾。

⑥严格局扇“三专两闭锁”等有关规定，定期检查与不定期抽查相结合，保证“两闭锁”装置完好、灵敏、可靠。

⑦施工单位的班组长，跟班队长、瓦检员都随身携带瓦斯报警便携仪(瓦检员同时携带光学瓦斯检定器)。

⑧建立严格的局扇开停制度，杜绝局扇无计划停电停风。

⑨工作面准备1台备用风机，若1台发生故障时，在较短的时间内更换，并安设1趟专用局扇供电备用电源。

⑩工作面正前施工长、短不同的超前瓦斯释放孔。
　

4 安全技术保障措施效果检验

东103工作面瓦斯排放巷从2001年5月7日开始施工，2003年2月4日完成了工作面掘进任务，掘进巷道5130m，实现了安全掘进的目标。以排放巷为例，从掘进不同长度，更换局扇后瓦斯涌出量的关系图可以看出(见图5、6、7、8)，局扇、风筒的选型是正确的，掘进过程中后巷瓦斯浓度始终在1％以下。
　

5 总结

该项目在研究与实践过程中，以东103掘进工作面为工业试验场所，排放巷超前于回风顺槽掘进，回风顺槽超前于运输顺槽掘进，使回风顺槽和运输顺槽都有钻孔抽放和释放的时间，为掘进创造条件。同时，不管在通风前期和通风后期，掘进通风距离都是最长的，而且通过瓦斯排放巷的瓦斯绝对涌出量的变化情况，对回风顺槽和运输顺槽的安全掘进都具有指导意义，富有可比性和可靠性。

从工业实验情况反映，不同掘进期间巷道掘进长度与瓦斯绝对涌出量及风量的关系图中分析，随着掘进长度增加，后巷的瓦斯百米涌出量也逐渐衰减，巷道瓦斯涌出量Q与巷道暴露时间t的关系为： Q=1.3712e-0.2478t

图5排放巷掘进初期掘进长度与风屋、瓦斯涌出屋关系图

图6排放巷掘进中期巷道长度与风屋瓦斯涌出屋关系图

图7排放巷第一阶段阁进后期巷造长度与风量瓦斯涌出量关系图

图8排放巷全部掘完时风量瓦斯涌出量随掘进长度变化图

式中：Q为巷道瓦斯涌出量，m3／min t为巷道暴露时间，月。

瓦斯绝对涌出量最高为6.5m3／min，一般在4～5m3/min，运用两台对旋风机(1台37kw，1台44kw)，完全可以完成1800m长距离通风稀释瓦斯的安全要求。

从增加安全出口和减少设备投入资金考虑，在长距离通风方案上进行了探索创新，在巷道中部施工1条联络巷，实践证明，辅助联络巷的施工，在高瓦斯超长距离掘进通风中具有经济效益上的先进性和安全生产上的可靠性，特别适合高瓦斯掘进机械化程度高的矿井。

通过对掘进期间的瓦斯资料收集整理，为东一采区瓦斯赋存及涌出规律研究中百米瓦斯涌出量、瓦斯的吸附与游离在煤体中所占比例，瓦斯衰减系数，瓦斯抽放对瓦斯涌出量的影响程度等都提供了大量的基础资料。

项目在全省乃至全国高瓦斯矿井具有推广价值。特别是综采放顶煤超长工作面布置。为提高产量、减少大吨位综采设备搬家次数，减少回撤、安装材料费用，其经济效益是可观的。