炮采工作面瓦斯涌出定量構(gòu)成研究

仇海生

(煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院，遼寧 沈陽 110015)

煤層瓦斯涌出是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素，而回采工作面以其瓦斯涌出量大、來源復(fù)雜、影響因素多和作業(yè)區(qū)域內(nèi)瓦斯分布不均勻受到特別關(guān)注。采空區(qū)瓦斯涌出源對工作面瓦斯涌出量及其變化有重大影響，當(dāng)采空區(qū)瓦斯流入工作面時(shí)，工作面瓦斯涌出量劇增，即瓦斯涌出量梯度驟升，嚴(yán)重影響工作面安全。因此控制采空區(qū)瓦斯流向是控制工作面瓦斯涌出量的關(guān)鍵，對工作面瓦斯來源、瓦斯分布、瓦斯涌出動(dòng)態(tài)變化及煤層瓦斯基本參數(shù)等研究是開展工作面瓦斯治理的基礎(chǔ)。

以云南圭山煤田高瓦斯礦井炮采工作面為例，研究工作面采場瓦斯涌出量的定量構(gòu)成。圭山煤田鴨子塘礦區(qū)22煤層平均厚度1.15～2.08m，夾矸一般3層。頂板為粉砂質(zhì)泥巖。底板為一層厚8.40m含碳質(zhì)泥巖，含大量黃鐵礦結(jié)核，為較穩(wěn)定煤層。試驗(yàn)區(qū)22208炮采工作面位于二采區(qū)西翼，煤層平均厚度1.65m，平均傾角26°，煤層瓦斯含量3.58m3/t。工作面設(shè)計(jì)走向長度450m，傾斜長度120m。回采工作面則采用打眼放炮人工裝運(yùn)，全部跨落法管理頂板。

1 工作面瓦斯涌出源及采空區(qū)漏風(fēng)量的單元法劃分

根據(jù)風(fēng)流的連續(xù)性，在通風(fēng)網(wǎng)路中流入閉合單元的風(fēng)量，等于流出閉合單元的風(fēng)量，稱之為閉合單元風(fēng)量平衡定律。習(xí)慣上，流入閉合單元的流量取正值，流出閉合單元的流量取負(fù)值。由每個(gè)單元所遵循的瓦斯平衡和風(fēng)量平衡方程組(式(1))，即可計(jì)算出每個(gè)單元中的采空區(qū)的漏風(fēng)量、采空區(qū)的瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭瓦斯涌出量。

(1)

式中：n為連接到該單元的風(fēng)道數(shù)；Qi為連接到該單元的第i條風(fēng)道的流量，m3/min；m為連接到該單元的瓦斯道數(shù)；qj為連接到該單元的第j條瓦斯道的流量，m3/min。

根據(jù)試驗(yàn)22208炮采工作面的長度120m，將工作面劃沿傾斜方向劃分為6個(gè)單元，每個(gè)單元在工作面斷面的煤壁側(cè)、中部1、中部2、采空區(qū)側(cè)四個(gè)部分分別布置測點(diǎn)，使用光學(xué)瓦斯鑒定器、機(jī)械翼式風(fēng)表測定每個(gè)斷面的瓦斯?jié)舛群瓦M(jìn)出單元斷面的進(jìn)出風(fēng)量。

2 工作面瓦斯涌出源及采空區(qū)漏風(fēng)量的單元法測定

按照前述單元測定法，依據(jù)瓦斯平衡、風(fēng)量平衡方程式有：

(2)

式中：Q1為從(向)采空區(qū)流入(出)本單元的漏風(fēng)量，m3/min；Q2、Q3為分別為流入和流出單元的風(fēng)量，m3/min；q4為本單元內(nèi)煤壁、頂?shù)装寮懊禾康耐咚褂砍隽浚琺3/min；c1為漏風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?；c2、c3為流出和流入本單元風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?。

于2008年7月12日白班，沿22208工作面傾斜方向分別劃分的6個(gè)單元進(jìn)行了測定。實(shí)測各單元風(fēng)量、瓦斯?jié)舛热绫?所示。

3 沿25309工作面傾向方向瓦斯涌出量變化規(guī)律

沿工作面傾斜方向繪制成可繪出22208工作面風(fēng)量和工作面風(fēng)流攜帶瓦斯量沿工作面傾斜變化曲線，如圖1所示。

由表1中的22208工作面各測點(diǎn)風(fēng)量、瓦斯?jié)舛龋鶕?jù)公式(2)對表1中的測定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出各單元的漏風(fēng)量、采空區(qū)瓦斯涌出量如表2所示。將表2中的數(shù)據(jù)繪制出采空區(qū)漏風(fēng)量和采空區(qū)瓦斯涌出量沿工作面傾斜的變化曲線，如圖2所示。

由圖1、圖2的采空區(qū)漏風(fēng)分析可知，工作面總進(jìn)風(fēng)758m3/min，采空區(qū)總漏風(fēng)184m3/min，占工作面總進(jìn)風(fēng)758m3/min的24.27%；從采空區(qū)漏風(fēng)量沿工作面的分布來看，沿工作面傾斜方向，有效風(fēng)量率逐漸降低，即工作面風(fēng)量減少，采空區(qū)漏風(fēng)量增大，在工作面中部達(dá)到最大值。隨后，工作面風(fēng)量又增大，一部分原漏入采空區(qū)的風(fēng)量經(jīng)過清洗采空區(qū)后又進(jìn)入工作面，使工作面風(fēng)量增大，工作面進(jìn)風(fēng)主要在離進(jìn)風(fēng)平巷10～15m范圍漏入采空區(qū)。

表1 22208工作面單元法實(shí)測數(shù)據(jù)表

圖1 工作面風(fēng)量、風(fēng)排瓦斯量分布

表2 單元法測定數(shù)據(jù)處理表

圖2 各單元漏風(fēng)量及瓦斯涌出量變化

4 結(jié)論

炮采工作面風(fēng)流攜帶瓦斯量沿工作面傾斜方向呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，到回風(fēng)巷端部位置達(dá)到最大，瓦斯涌出量增加幅度較大區(qū)域的位于工作面上部。采空區(qū)瓦斯涌出量較大，占工作面總涌出量的比例達(dá)70%左右。

工作面煤壁及采落煤炭涌出的瓦斯量不大，約占工作面總涌出量的30%左右，而且沿工作面傾斜分布較均勻，因此，該瓦斯源涌出累計(jì)量沿工作面傾斜緩慢平穩(wěn)增加，即瓦斯涌出量梯度近似常量；在工作面推進(jìn)距離較短時(shí)，該瓦斯量還有一部分涌向采空區(qū)而不經(jīng)工作面回風(fēng)流排出。

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