煤矿提高掘进效率生产技术探析

煤矿提高掘进效率生产技术探析

张继东

国家能源集团神东寸草塔二矿 生产管理办  内蒙古 鄂尔多斯市 017209

摘要：掘进即是在煤岩体中，采用一定的手段把煤、岩体破碎下来，行成空间，并对空间进行有效的支护。掘进是一个系统工程，科学高效的施工组织与实施，是确保掘进进度与安全，提升煤矿生产效益的重要途径之一。

关键词：提高；掘进效率；问题；措施

随着煤矿开采水平的不断提高和生产能力的加大，对煤矿的采掘接替关系也要求越来越严格和紧张，在目前的技术水平的限制下，能够确保我矿实现正常采掘衔接关系，其唯一可行的办法就是要提高煤巷掘进的进尺，这样才能保证煤矿正常生产，达到预期的生产计划和目标，因此，有效的提高煤巷掘进的进尺和掘进速度势在必行，提高煤巷掘进进尺对于保证采区正常采掘接替具有非常重要的作用和意义，为了能够找到一种实现煤巷掘进快速的施工方法，包括实施先进科学的施工组织管理和采用较为先进一些的施工机械和设备。

1 工作面概况
某矿井某顺槽掘进过程中单个循环落煤瓦斯涌出量为1.5 m3/min，煤壁每百米瓦斯涌出量为0.3m3/min。某顺槽在掘进过程中，受瓦斯涌出影响较大，掘进速率大大降低，为提高掘进速率，实现安全高效的生产，现拟对矿井某顺槽实施CO2气相预裂技术，以提高工作面的掘进效率。

1.1前探梁
该支护方式以原有支护为支撑，采用槽钢、道轨或钢管通过吊环或锚链吊挂，与原有支护联成固定悬臂，利用悬臂的支撑能力临时托住空顶，在顶板发生离层、垮落时起到支撑和缓冲作用。工艺流程：安全检查（敲帮问顶）—将起吊环（锚链）固定在永久支护的锚杆（棚梁）下—钢管（槽钢）穿过吊环（锚链）并在其后部用长度、厚度适宜的背板和木楔背紧接实顶板—铺网—在前探梁与锚网之间垫背板，并用木楔背紧—在临时支护下永久支护。适用条件：不受断面限制，多用于架棚，此外也用于煤巷掘进锚网支护的拱形、矩形。在煤矿建设初期应用较多，目前多用于人工掘进的顶板平整施工地点（如地质构造区、开帮等）。使用方法比较简单，但是只能缓和顶板垮落和迎头片帮时的力量，不能主动支撑、防止垮落和片帮，支撑面积小，支撑力较小。
2、CO2气相预裂技术
CO2气相预裂技术目前主要用于消除煤矿掘进工作面瓦斯突出，实现本煤层瓦斯快速高效抽采等方面，其实质是通过加热液态CO2，使其在极短的时间内迅速膨胀，将液态CO2气化产生的低频、低速高压气流作为动力源，瞬间作用于低渗透高瓦斯的突出煤层，通过对煤层做功，扩张煤层裂隙，造成大范围的裂隙增透圈层[1]，进而形成高渗透裂隙卸压带，增加本煤层瓦斯的释放量，提高瓦斯抽采效率，加快掘进工作面推进速度。
CO2气相预裂多形成以预裂孔为中心，呈多方向放射状的裂隙扩展系统，一般来说，通过CO2气相预裂形成的扩散裂隙在煤岩体中发育，终止于煤层顶底板，扩散裂隙长度在1-3m左右，宽度在cm级以下。
2.1 CO2气相预裂提高掘进速度机理
（1）液态CO2气化能够产生400-600倍的膨胀气体作用于预裂孔壁，通过冲击波与应力波的叠加作用，持续对煤岩体产生压缩、粉碎，在掘进工作面煤眼体内部形成大量的径向贯通裂隙，降低瓦斯吸附性，有效均化瓦斯压力场，增加煤层透气性能，极大地消除掘进过程中瓦斯超限突出难题，进一步提高掘进工作面掘进效率。
（2） 掘进工作面在推进过程中，随着顶板悬露面积的增大，会在前方煤岩体内形成局部应力集中的情况，极大地影响着推进速度，CO2气相预裂能够有效消除掘进工作面煤岩体的应力集中现象，通过冲击波的扩散，局部集中应力向着深部转移[3]，煤岩体内的地应力发生改变并重新分布，进而形成新的应力平衡，有效降低了矿压的威胁，提高了掘进安全性与时效性。此外，对于煤岩体坚硬的，CO2气相预裂在煤岩体内部产生的裂隙能够有效破坏煤岩体的结构并降低其硬度，加快掘进速度。
2.2 CO2气相预裂优势
（1）气相预裂采用高速冲击气体实现煤岩体的预裂破岩，不产生浑浊及对设备人员造成损害和威胁的气体，属“绿色预裂”，在煤矿施工生产中，气相预裂有效避免了火花的产生，在瓦斯突出、煤尘有爆炸危险性的矿井中适应性较强[4]。
（2）对煤岩体进行预裂破碎时，可以人为控制预裂方向与预裂强度，在一定程度上实现了对能量的有效控制，同传统的通过炸药预裂相比，CO2气相预裂产生的冲击波没有剧烈的破坏力，在进行气相预裂后，能够最大程度地保证煤岩体结构的稳定性，保护好相关支护设备。
（3）CO2气相预裂在煤岩体中可形成以预裂孔为中心，呈多方向放射状的裂隙扩展系统，其影响范围较大，效果明显。此外，CO2气相预裂能够在有效消除矿井生产瓦斯突出问题的同时消除区域集中应力的威胁，实现了瓦斯治理与掘进施工的“同步性”。

3 工程实践
根据某矿的地质情况，考虑到该矿瓦斯赋存量大，掘进速度受阻的情况，拟在某顺槽实施气相预裂工艺。试验区域是长度为250m的掘进，共设25个预裂钻孔，各钻孔的间距为5m，依次在各钻孔中间布置两个水平间距为2.5m的本煤层条带预抽钻孔，将10个抽采孔作为一组抽采单元进行抽采。

分别对预设的25个预裂钻孔以编号1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49进行命名，在某顺槽的煤层中部进行开孔，根据某矿矿井3#煤层的平均倾角（9?）确定预裂孔的倾角为10?，预裂段选在试验区域20-100m处，每个预裂孔布置25-40根压裂管，分别对预设的25个抽采钻孔以编号2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50进行命名，钻孔直径为Φ113mm，抽采钻孔采用膨胀水泥进行封孔，封孔长度为15～18。

4效果监测
为验证CO2气相预裂技术在高河能源W1313回风顺槽的应用效果，对试验区域进行了瓦斯流量测定，规定将每10个抽采孔作为一个抽采单元进行瓦斯含量测定，测定时间间隔为1h，每个抽采单元进行3次测定，3次测定结果的平均值即为最终记录结果。自W1313回风顺槽开始预抽至今。预裂区域的整体抽采数据较为稳定，单孔平均流量、单组平均流量分别为0.0136，0.164m3/min，同比非预裂区域的单孔平均流量为0.0045m3/min和单组平均流量为0.055m3/min，分别提高了247%和220%，经预裂后的区域，煤岩体中吸附瓦斯得到了有效释放，区域透气性得到了较大提高。为验证CO2气相预裂技术对W1313回风顺槽增透消突的效果，在进行瓦斯流量的测定后，还进行了防突参数K1值的测定及卸压钻孔施工情况的观测，经过为期2个月的钻屑解吸指标K1测定在CO2气相预裂过后的区域，K1最大值≦0.36，较之非预裂区域K1的最大值降低，整个监测期间，未出现K1值超标现象。气相预裂实现了掘进期间的消突卸压，保证了游离瓦斯的顺利抽放，极大降低了突出危险性。在预裂区域内，打设卸压钻孔时出现的动力现象大幅减少，有效提高了钻孔施工的效率，实现了掘进工作面安全快速的推进。

结语
综上所述，为了实现掘进工作面安全生产，必须严格控制顶板事故，杜绝空顶作业，而临时支护的强度、效果直接影响着顶板安全。在具体临时支护方式的选择上，技术人员必须实地考察现场实际，选择与地质、断面、设备型号等条件相适应的操作简便、支护强度大、劳动强度低、作业时间短、工人容易接受的临时支护方式。今后临时支护将向机械化、自动化、智能化、标准化方向发展，从而大幅度提高掘进效率和安全系数，为矿井安全高效提供坚实保障。
参考文献：
[1]郭晟.CO2气相压裂技术应用及效果分析[J].山东煤炭科技，2019（04）：93-95.
[2]李艳奎，吴世跃，牛煜，李川田.CO2深孔控制预裂加快工作面掘进试验研究[J].煤炭工程，2018，50（02）：55-58.
[3]吴锦旗，李路广.CO2气相压裂强化消突措施在掘进工作面的应用[J].煤矿现代化，2019（06）：139-141.