下峪口礦工作面瓦斯分布規律研究

李慧鵬 劉志華

(中國礦業大學應用技術學院,江蘇省徐州市,221008)

下峪口礦工作面瓦斯分布規律研究

李慧鵬 劉志華

(中國礦業大學應用技術學院,江蘇省徐州市,221008)

針對在保護層開采過程中,保護層與被保護層中的瓦斯同時涌到開采工作面導致瓦斯超限的問題,以韓城礦務局下峪口礦為例,通過實測得到風量、瓦斯沿工作面方向的分布規律,結果表明,工作面靠近采空區側瓦斯濃度最高,工作面中部位置瓦斯濃度最低,距離回風巷道越近瓦斯濃度越高;受尾巷影響,在工作面靠近回風巷道一側,采空區瓦斯濃度呈現了平緩趨勢。

保護層 卸壓瓦斯 單元法 瓦斯分布規律

下峪口礦隸屬于韓城礦務局,礦區瓦斯、水、煤塵、頂板災害并存,地質條件復雜,生產條件惡劣,特別是瓦斯災害尤為嚴重,極大地威脅著礦井安全生產,制約了企業的生存發展。主采的3#煤層瓦斯含量為14 m3/t以上,煤層透氣性低,煤與瓦斯突出危險性大。為此,以開采2#煤層作為保護層來掩護3#煤層的方式進行安全開采,工作面布置如圖1所示。

2#煤層和3#煤層間距為4.8～28.4 m,變化比較大,對卸壓瓦斯涌出造成很大影響。2#煤層開采過程中,3#煤層的卸壓瓦斯將從底板涌向2#煤層工作面,造成2#煤層回采過程中上隅角瓦斯頻頻超限。為確保2#煤層的快速安全回采,特開展工作面回采過程中瓦斯涌出規律的測試研究工作。

圖1 工作面布置圖

1 單元法測試工作面瓦斯分布規律

1.1 測試過程及測試結果

在下峪口煤礦21206工作面利用單元法進行工作面瓦斯涌出量測試,工作面寬度為130 m,將工作面平均劃分為13個單元,每10 m為1個單元。在每個單元內分別于靠近工作面(位置a)、行人通道(位置b)和靠近采空區(位置c)3個位置測試風量、過風斷面和瓦斯濃度。測點布置見圖2。

圖2 測點布置位置

按照上述的測量布置,在各個測點依次測量,獲取的數據如表1所示。

1.2 工作面瓦斯分布規律

圖3給出了沿工作面方向風量分布規律,可以看出,在靠近進風巷道50 m范圍之內,風量逐步減少,這表明,在此階段從采空區涌入到工作面的風量較少;而在靠近回風巷道50～80 m之間,工作面風量呈現增加趨勢,這表明從采空區進入工作面的風量增加,這會把采空區的瓦斯帶入工作面。由于工作面留設了尾巷,因此,在距離回風巷道一側風量呈現了降低的趨勢,這阻礙了采空區瓦斯流入工作面,從而避免了瓦斯濃度超限。可見留設尾巷可以解決上隅角瓦斯超限問題,同時由于工作面配置風量小,直接導致漏風量也相對減少。

表1 單元法測試數據

圖3 “U+L”工作面風量分布規律

根據現場實測數據,得到不同測點沿工作面傾斜方向的瓦斯濃度分布,如圖4所示。圖中顯示:從測點1(進風巷)到測點14(回風巷處)瓦斯濃度逐漸增大。近采空區側瓦斯濃度最高,工作面中間瓦斯濃度最低,且距離回風巷道越近瓦斯濃度越高。同時,在工作面靠近回風巷道一側,采空區瓦斯濃度呈現了平緩趨勢,變化幅度小,這主要是受到了尾巷的影響,使得部分風流不再回到工作面,而是順采空區一側并流向回風巷道被排出。

圖4 工作面各測點瓦斯濃度分布

2 工作面初采期間瓦斯涌出規律研究

開采工作面的瓦斯涌出總體上由3部分構成,即落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空區瓦斯涌出,而采空區的瓦斯涌出又由圍巖瓦斯涌出、分層瓦斯涌出、開采丟煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出4部分組成。由于韓城礦區2#煤層極薄,作為保護層開采時采取煤巖同采的辦法,實現了一次采全高,不存在分層瓦斯涌出和嚴重的采空區丟煤現象,采空區瓦斯主要為鄰近層3#煤層的卸壓瓦斯。單純從本煤層瓦斯治理的角度考慮,利用風排即可解決2#煤層開采過程中的瓦斯問題。但是,由于3#煤層在采空后卸壓,其瓦斯將向2#煤層工作面流動,造成2#煤層瓦斯增多,將為2#煤層主要瓦斯來源,單純依靠通風的辦法根本不能解決瓦斯超限問題,因此2#煤層開采過程的瓦斯治理問題,主要是針對3#煤層卸壓瓦斯的治理問題。為了進一步分析2#煤層保護層工作面通風排放瓦斯的能力,同時考察2#煤層開采過程中鄰近層瓦斯涌出規律,在2#煤層開采初期,測試不同時刻瓦斯涌出規律。

工作面初采推進到10 m以前,由于直接頂尚未斷裂,頂、底板未卸壓,工作面的瓦斯主要來源于本煤層落煤和煤壁瓦斯涌出,其回風流瓦斯濃度0.14%,上隅角瓦斯濃度0.24%,絕對瓦斯涌出量0.8 m3/min;隨著工作面的逐漸推進,直接頂逐漸冒落,頂板開始卸壓,工作面推進到16 m時,回風流瓦斯濃度0.1%～0.26%,上隅角瓦斯濃度0.3%～0.8%,絕對瓦斯涌出量0.63～1.64 m3/min,瓦斯涌出量呈明顯增大趨勢;當工作面推進到19 m時,回風流瓦斯濃度增大到0.6%～0.8%,上隅角瓦斯濃度最大值達到0.98%,并出現瞬間超限情況,絕對瓦斯涌出量3.21～5.69 m3/min,工作面瓦斯涌出出現第一次高峰。據此,認為自推進16 m開始,隨著頂板的初次跨落,底、頂板巖石出現劇烈活動,3#煤卸壓瓦斯開始涌入到采掘空間,到19 m時,在未采取采空區瓦斯治理措施的情況下,開采工作面出現了瓦斯超限現象,表明此時依靠風排瓦斯已經不能解決瓦斯問題,風排瓦斯的極限為絕對瓦斯涌出量5.5 m3/min,只能保證工作面開采不足19 m。工作面開采初期瓦斯涌出量、回風流瓦斯濃度和上隅角瓦斯濃度見表2。

表2 工作面開采初期瓦斯涌出規律

圖5 工作面開采初期瓦斯涌出規律

在不同開采距離時,最大絕對瓦斯涌出量、上隅角瓦斯濃度和回風流瓦斯濃度見圖5。

在工作面開采初期,隨著工作面的推進,絕對瓦斯涌出量呈現指數增長規律。表明鄰近層瓦斯涌出占主導地位,當工作面開采19 m時,鄰近層瓦斯涌出量占2#煤層工作面瓦斯涌出總量的80%～87.7%,為主要瓦斯來源。由于回風流瓦斯濃度和上隅角瓦斯濃度都超越了0.8%,表明單純依靠通風已經不能有效解決工作面瓦斯問題。故將原通風系統調整為“U+L”型的方式,繼續進行開采,并進行瓦斯抽放,各月瓦斯涌出量見表3。

圖6 瓦斯涌出量變化

由圖6中可看出,在工作面開采到64 m之前,工作面瓦斯總量不大,來自本煤層和鄰近層的瓦斯基本相當,但是當工作面開采到64 m之后,3#煤層開始大幅度瓦斯卸壓,煤層應力不斷釋放,瓦斯變為游離狀態,并向上升浮運動,進入2#煤工作面,造成瓦斯驟增。

表3 4-9月瓦斯涌出量統計表

3 瓦斯涌出量與層間距的關系

從圖6、表3中還可以看出,工作面累計開采371 m,從瓦斯涌出情況來看,8月份的瓦斯涌出量與前2個月相比降低了19%,絕對量減小了3 m3/min;9月份的瓦斯涌出量降低了38%,絕對量減小了6 m3/min。

從4217工作面2～3#煤層間距等值線圖來看,在4～8月份時,2～3#煤層間距一般為10～12 m,自9月份開始,逐漸增大到11～14 m,雖然層間距變化程度不是很大,但因層間距的變化而引起的瓦斯涌出量的變化卻非常的明顯,但這足以說明層間距發生變化后勢必造成瓦斯涌出量發生變化。

4 結論

(1)保護層工作面開采過程中瓦斯主要來源于本煤層和臨近層,通過保護層工作面單元法測試工作面風量和瓦斯分布規律,并將U形通風和“U+L”形通風方法相對比,認為留設尾巷的通風方式可以減少采空區從上隅角涌入到工作面瓦斯量,很好地解決上隅角瓦斯超限問題。

(2)通過測試工作面開采過程中的瓦斯來源的演化規律,得出在工作面開采初期,瓦斯主要來源于本煤層,而隨著開采距離的增大,特別是大于19 m之后,鄰近層的瓦斯開始大量涌入到被保護層工作面,造成被保護層工作面瓦斯量激增,迫使常規的通風方法不能解決問題,必須采取瓦斯抽放的方法。

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Experimental study on gas distribution in working face

Li Huipeng,Liu Zhihua
(Polytechnic School,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

In view of such problem as gas from protective and protected coal seams simultaneously flowing into the working face and resulting in gas concentration exceeding limits during the protective coal seam mining,the air volume and the gas distribution law along the working face were measured in Xiayukou Coal Mine of Hancheng Mining Co.,Ltd.The results showed that the gas concentration was the highest in the goaf,and the lowest in the middle of working face.More gas gathered near the return airway.Influenced by tail roadway,however,the gas concentration in the goaf was stable at the side of working face near the return airway.

protective coal seam,pressure-relief gas,element method,gas distribution law

TD712.7

B

李慧鵬(1989-),男,山西長治人,就讀于中國礦業大學應用技術學院。

(責任編輯 梁子榮)