黃陵礦業一號煤礦采空區瓦斯規律探究

閆國鋒

采空區瓦斯涌出量，在一般的回采工作面瓦斯涌出構成中占有最大的比例。特別是隨著采煤工藝的進步，眾多的大型礦井多采用綜采方式、長壁布置，采煤量大，工作面順槽較長，因此工作面瓦斯涌出量較大，采空區也較長。而采用U 型通風加上工作面下隅角端頭封堵不及時就不可避免的導致工作面相當大的一部分風量漏入采空區，使得回風巷的上隅角瓦斯涌出得不到有效稀釋并隨時有超限的危險。研究采空區瓦斯濃度分布和高濃度區域，對確定瓦斯抽放參數十分重要，它直接影響瓦斯抽放量、抽放濃度等參數。所以，采空區瓦斯涌出規律的研究，對有效地提高抽放效果，消除或減輕工作面瓦斯威脅，提高工作面安全水平，有效地利用瓦斯資源具有重大意義。

一、采空區瓦斯濃度分布的一般規律

黃陵礦區一號煤礦位于陜西省黃陵縣店頭鎮，為高瓦斯礦井。含煤地層為下侏羅系延安組，共含煤5層。2號煤層為主要可采煤層，厚度0～5.65m，平均厚度2.02m，傾角3°～5°， 煤層構造由簡單到較復雜。礦井采用綜合機械化開采，長壁布置，采煤量大，工作面順槽2700多米，全部垮落法管理頂板，工作面通風形式為“U型”，工作面正常配風量在1200㎡∕min左右。

1.在垂直于工作面的走向上。近工作面采空區由于漏風流流速大，受到的紊動作用大，浮煤吸出的瓦斯和鄰近層涌入的瓦斯隨漏風流經上隅角進入回風巷，瓦斯濃度較低；隨距工作面距離的增大，采空區瓦斯受擾動作用減小，因而瓦斯濃度增高。在采空區深處，隨時間的推移，瓦斯濃度會日趨平均。

2.在垂直方向。在垂直方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使采空區頂板附近的瓦斯濃度高于采空區底板附近的瓦斯濃度，并且這種分布特點適用于整個采空區。

3.在沿工作面方向。在沿工作面方向上，在漏風流影響到的區域，進風側的瓦斯隨風流向回風側運移，導致回風側瓦斯濃度的增大；在遠離工作面，漏風流涉及不到的地方，這種回風側比進風側瓦斯濃度高的分布特點并不明顯。

4.在鄰近層瓦斯涌入量較小的采空區。在鄰近層瓦斯涌入量較小的采空區，采空區瓦斯的分布以本煤層吸出瓦斯的分布特點為主。在涌入點形成瓦斯局部高濃度區，隨距工作面距離的不斷增大，局部高濃度瓦斯擴散而趨于符合上面的規律。

5.在有大量鄰近層瓦斯涌入的采空區。采空區瓦斯的分布以鄰近層涌入瓦斯的分布特點為主，本煤層采空區析出的瓦斯是疊加在鄰近層涌入瓦斯的分布之上。

6.其他。采煤工作面的通風方式和漏風情況對采空區瓦斯運移分布有很大的影響，具體情況要視工作面實際情況而定。

二、采空區瓦斯規律研究的觀測方法和測點布置

為研究采空區瓦斯濃度分布的一般規律和黃陵礦區一號煤礦采空區瓦斯濃度分布規律是否一致，考察其采空區瓦斯濃度分布規律的一般性和特殊性本次工作選取了304工作面和603工作面。

1.觀測方法。本次采用采空區埋管定點取樣實測法來分析采空區瓦斯濃度分布情況。測試管路系統具有以下功能：①能通過管路系統抽取各測點的氣樣并測定氣樣的瓦斯濃度。②相對工作面而言，隨著工作面向前推進，各測點不斷地向采空區后方移動，從而能測定出到工作面不同距離的瓦斯濃度，能測出采空區瓦斯濃度分布狀況。

2.埋管定點取樣實測法的布置方案。根據試驗目的和采空區的巖石冒落特點以及工作面巷道支護情況，304工作面布置的測試管路系統見圖1-1所示。

（1）預先從305進風巷2米高度打一Φ75mm鉆孔，穿越保護煤柱30m進入304回風巷。在304進風巷布置一趟測試管路，長103m，其測氣室位置與上述鉆孔在同一水平，在開始測試前預先布置好。

（2）測試管路由測管和保護管組成。測管采用Φ6mm的聚氯乙烯塑料管，為了使測管在采空區內不被砸壞，測管外面套上Φ20mm的高壓無縫鋼管（壁厚應不低于3mm）作為保護管。埋入采空區進氣的部分可稱為進氣管，其加工方式如圖1-2所示。

進氣管長度為3m，一端閉死，另一端測管與保護管之間用瑪麗散等材料填充；保護管外面打若干Φ6mm的花眼，作為進氣孔，且用細鐵紗網裹好，防止堵塞進氣孔。

（3）隨著工作面不斷向前推進，觀測點逐漸進入采空區，通過測管在集氣站利用CHZ—I型氣體自動負壓式氣泵取采空區的氣樣測定瓦斯濃度，考察距工作面不同距離的采空區瓦斯濃度及其變化規律。

（4）每天井下實測，并做好采空區距工作面距離、瓦斯濃度等記錄。在603回風巷中從605進風巷靠603側1米和2米高度各打一鉆孔穿越保護煤柱30米，并在其中埋管，管路與304回風巷一致。603進風巷無埋管。

三、黃陵礦區一號煤礦采空區瓦斯濃度分布規律

通過對304工作面和603工作面的瓦斯濃度實測數據分析，發現其采空區具有如下規律：

1.沿采空區深處方向，瓦斯濃度變化規律。從工作面到采空區深處方向30m 左右，瓦斯濃度連續增大，在27m處瓦斯濃度達到最大值，是工作面上隅角瓦斯濃度的20倍左右。形成這一結果有以下兩個原因：① 在距工作面10～50m 左右的采空區正是卸壓區，瓦斯壓力變化大，解吸速度快，向采空區涌出的瓦斯量大，這就構成了采空區內距工作面30m左右處的瓦斯濃度達到峰值的直接原因。② 靠近工作面附近采空區巖石初始冒落、巖塊松散、空隙大、漏風流速度較大，且越靠近工作面，風速越大，因而對瓦斯的稀釋、運移作用程度大，瓦斯濃度小，使這一區域存在較大的瓦斯濃度梯度。從距工作面30m 處向采空區深處方向，瓦斯濃度減小。其原因：隨著與工作面的距離增大，周圍瓦斯來源減小，由于采空區風流的稀釋、運移作用，瓦斯濃度下降，并且逐漸趨于平穩。

隨著繼續向采空區深處方向發展，采空區瓦斯來源進一步減小，但采空區內風流速度逐漸減弱，因而對瓦斯的擴散、運移作用減弱，瓦斯濃度呈現了上升趨勢。但這種趨勢在304工作面并不十分明顯，分析其原因應為304工作面的高位裂隙瓦斯抽放鉆場布置在305進風巷，其裝卸不會影響304工作面回采，所以在工作面推過一定時間后仍可使用并抽采瓦斯，因此瓦斯濃度沒有出現明顯上升。但是在603工作面中因為高位裂隙鉆孔布置在603回風巷中隨工作面推進鉆場必須及時拆除，所以瓦斯濃度后來又出現了明顯的上升。

2.沿工作面方向。本次工作原計劃在304工作面的進風巷、回風巷和工作面中間各埋管路一趟。但是經考察工作面中間無法埋管，只在進風巷和回風巷埋管。埋管過程中在304進風巷因為工作面低鼓嚴重且影響皮帶端頭回退，管路只能捆扎在離底板1米高的錨桿上。可在隨后的測氣工作中發現管路被采空區冒落巖石砸死，無瓦斯抽出，埋管失敗。考慮在以后的工作中可考慮埋設高壓油管。工作中發現進風巷下隅角端頭收做并不及時，時常有6米左右。這必然把大量風流引入采空區，進風側的瓦斯濃度在一定距離范圍內會低于回風側。

3.在垂直方向。在603工作面中埋設的兩趟管路離工作面底板分別為1米和2米。通過實測發現上孔管路瓦斯濃度明顯高于下孔管路，普遍相差0.3%～0.5%，證明在采空區中瓦斯由于浮力的原因頂板處的瓦斯會明顯高于底板處。

另外，在實測工作中還發現上午的瓦斯濃度會明顯低于下午。這是因為上午為檢修班組，并不進行生產。工作面在生產時涌出大量瓦斯隨漏風流進入采空區，但是在測點離工作面30米后這種現象就逐漸減弱。

利用埋管定點取樣法對采空區瓦斯濃度分布進行了實測，得到了采空區瓦斯濃度的分布規律：在沿工作面縱向方向上，其瓦斯濃度隨工作面的推進逐漸增加，達到峰值后減小，然后又稍有增大；沿工作面高度方向上，上部瓦斯濃度高于下部，隨工作面推進，這種濃度差基本不會變化。另外，驗證了高位裂隙鉆孔對降低采空區瓦斯有明顯的作用，可對以后的采空區瓦斯管理提供依據。

（作者單位：黃陵礦業集團公司一號煤礦）