深部特厚煤層首采工作面瓦斯涌出特征及規律研究

摘 要：以彬長礦區胡家河煤礦單一特厚煤層首采工作面為背景，采用理論分析和現場的瓦斯監測相結合的方法，通過對回采工作面風流中瓦斯濃度的定點定時連續考察，對工作面的瓦斯源的構成配比、涌出時空分布和涌出特征，以及涌出量與開采條件、推進速度和地質條件的影響關系進行研究，以得出單一特厚煤層首采工作面瓦斯涌出特征及規律，為礦井的安全高效回采提供保障。

關鍵詞：特厚煤層；瓦斯；時空分布特性；首采工作面

概述

目前，我國重點煤礦中有近一半為高瓦斯礦井，全國煤礦年瓦斯涌出量在100億m3以上，而且煤礦煤層開采條件較差，地質環境復雜，瓦斯涌出預測與瓦斯防治難度大，盡管我國在瓦斯治理方法和技術方面投入巨大，而且近年來因瓦斯事故導致死亡的人數也有明顯的下降，但瓦斯防治的形勢依然嚴峻，據了解，2012年瓦斯事故導致死亡的人數依然達到350人，所以還需加強礦井瓦斯防治理論的研究，尤其是對工作面和采空區瓦斯涌出規律的研究，進而有針對性的解決瓦斯問題，保證工作面正常安全生產。

彬長礦區主要開采4號煤層，煤層厚度最大達到26.2m，平均煤厚14.3m。礦區內有共建成煤礦16個，多為高瓦斯礦井，即便是瓦斯礦井也存在高瓦斯區，礦區開采深度一般在400-700m之間，煤層賦存較深，地質環境較復雜，瓦斯分布及瓦斯涌出規律不易掌握。彬長礦區內現有幾個剛剛投產和即將投產的礦井，其設計生產能力均較大，基本都達到5Mt/a，這些礦井都存在著開采強度大，首采面瓦斯治理無經驗，瓦斯涌出量大、開采深度大、綜放開采采空區遺煤多。

針對上述所講的情況，有必要對這些深部開采高瓦斯礦井的特厚煤層的首采工作面，進行工作面和采空區瓦斯涌出特性和規律進行深入研究，為日后瓦斯治理工作提供科學依據。

1 試驗煤礦概況

本次研究選取彬長集團胡家河煤礦為試驗礦井，胡家河煤礦位于陜西咸陽彬縣境內，胡家河礦井于2012年9月正式投產，設計生產能力為5.00Mt/a，是目前彬長礦區已投產礦井中產量最大的，目前正開采4號煤層，煤層平均厚度為14.49m. 4號煤層：可采面積47.655km2。煤層厚度0.8～26.20m，一般厚度為10～15.00m。古隆起邊緣煤層厚度較薄，一般小于10.00m，古地形平緩區厚度穩定，一般在15.00m左右，古地形低凹區沉積厚度較大，一般在23.00m左右，最大厚度26.20m，該煤層結構較簡單，一般含兩層夾矸，且位于煤層的中上部，屬大部可采煤層。礦井開采強度大，瓦斯涌出量大，瓦斯治理剛處于邊探索邊治理階段，目前礦井共建成3套抽放系統，分別對本煤層、上隅角、高抽巷、高位鉆孔進行抽放。抽放效果一般，工作面回風流瓦斯持續高位運行，對工作面安全生產造成了一定影響。為提高瓦斯抽放效果合理布置抽放管路，對胡家河首采的401101工作面進行實際考察，對401101工作面的瓦斯源的構成配比、涌出時空分布和涌出特征，以及涌出量與開采條件、推進速度和地質條件的影響關系進行研究，以得出深部特厚煤層首采工作面瓦斯涌出特征及規律。

2 采面和采空區瓦斯涌出規律研究

為了掌握采面和采空區瓦斯涌出規律，使測定結果具有科學性和代表性，能真實反映401101工作面風流中瓦斯實際情況，沿401101工作面每隔約50m建立一個測站，每個測站從煤壁至采空區布置5個測點。共布置了25個測點，在進回風巷距采面15m左右各布置一個測點，各測點布置見圖1。通過對各測點的瓦斯濃度和風量的測定計算出采空區和工作面煤壁及落煤的瓦斯涌出量，分析瓦斯涌出規律。連續測定5個原班，測量采面瓦斯濃度分布時，測量時間分別選在采煤機割剛完一刀煤時（采煤機在進風口處）和檢修班進行。此時，工作面不受割煤影響，相對穩定。

（1）瓦斯濃度沿采長方向的分布

求出各個測站瓦斯濃度的平均值，得到沿采長方向的濃度分布。測定資料表明，采面瓦斯濃度從進風側至回風側逐漸增大。進風到采面中部范圍內瓦斯濃度變化不大，采面中部到回風瓦斯濃度增加較快，尤其是靠近回風側50m范圍內瓦斯濃度較高。

（2）瓦斯濃度沿垂直采長方向的分布

將測得的數據進行整理繪制成圖2?？梢钥闯?，從煤壁至采空區（支架尾）瓦斯濃度呈現高、較高、低、較高、高的分布趨勢，即在煤壁和采空區之間有一個瓦斯最低點，最低點的位置在采面的不同位置有所不同。由此可以看出，高、低、高趨勢中的瓦斯濃度最低點即是煤壁與采空區瓦斯涌出的分界點。

前面的瓦斯濃度分布都是在采面相對穩定條件下測定的，當采煤機割煤時，采面瓦斯大體上仍符合上述規律，但瓦斯涌出更加不均衡。通過采煤機在不同位置時，對測點的測量發現，由于采煤機位置不斷改變且時采時停，其位置改變對采面瓦斯分布影響較大，一般來說，當采煤機由進風側向工作面中部割煤過程中，瓦斯涌出只有煤壁和落煤，而且其中一部分瓦斯隨風流漏入采空區，在此范圍內采面瓦斯涌出量較小。當采煤機在工作面中部繼續向回風方向割煤時，此范圍內，原來漏入采空區的風流攜帶瓦斯逐漸返回采面，使采面瓦斯涌出量逐漸增加。

理論分析和實踐證明，在礦井通風負壓作用下，采空區內的瓦斯大部分聚積在靠近回風巷50m范圍內，此范圍內的支架后面賦存大量的較高濃度瓦斯，采煤機在此段采煤、推溜、移架，使采面斷面減小，阻力增大，一部分風流再次通過架間漏入采空區，由于漏風線路短，風流在很短時間內返回采面，同時將支架后面的較高濃度瓦斯帶出，使采面瓦斯急劇增加，造成集中涌出。

3 煤壁瓦斯涌出規律研究

當割煤機不斷割煤，新鮮煤壁不斷暴露，在礦山壓力的作用下，工作面前方煤體中的應力平衡狀態遭到破壞，出現了透氣性大大增加的卸壓帶，由于煤體內部到煤壁之間存在著瓦斯壓力梯度，瓦斯得以沿卸壓帶的裂隙向工作面涌出。

在正常生產期間的非生產班，在工作面回風流下部（距回風巷0m、25m、50m三處位置）由煤壁到采空區等距離布置測點，多次測定風流中的瓦斯濃度，整理分析所測數據得出煤壁、采空區涌出瓦斯在工作面風流瓦斯中所占的比例。

表1 各測點測定結果表

由圖中可以得出，采空區涌出瓦斯系數

煤壁涌出瓦斯系數

401101工作面在檢修班回風流中平均絕對瓦斯涌出量為7.52m3/min，此時采空區平均涌出瓦斯為7.52×35.9%=2.67m3/min，煤壁平均涌出瓦斯為7.52×64.1%=4.85m3/min。

與其它礦區綜采工作面相比，401101工作面順槽煤壁瓦斯初期（四個月以內）涌出量大主要有以下原因：

1）工作面巷道數量多，斷面積大，巷道長度大，采高大，切眼較長，401101工作面共有五條巷道，每條巷道斷面在20m2左右，長度約2150m，巷道煤壁的暴露面積是U形布置工作面的5倍以上，因此瓦斯涌出量大。

2）煤層厚度19.1m，而巷道高度一般3.5m，巷道頂部或底部也會向巷道涌出瓦斯；

3）工作面煤層的透氣性較好（0.71m3/Mpa2.d），涌出衰減系數較?。?.0312 d-1），從涌出參數上與其它礦區順槽相比，涌出量大，涌出衰減慢。

4）割煤速度快，切眼處新鮮煤壁不斷暴露。

同時工作面順槽煤壁還有初期瓦斯涌出量降低速度較快的特點。

4 落煤瓦斯涌出規律研究

影響落煤瓦斯涌出量大小的因素主要有落煤強度、煤的瓦斯含量、落煤的塊粒大小、運出工作面時煤的殘存瓦斯含量等。

在兩個連續工作日的檢修班和生產班分別在401101工作面回風系統進行了四次和瓦斯濃度測定，測點如圖5所示。

圖5 401101工作面通風系統及各測點示意圖

表2 各測點測風記錄表

從表2可以看出，八點檢修班回風道風流中的絕對瓦斯涌出量平均為（7.88+8.31）/2=8.10（m3/min），4點生產班回風風流中的絕對瓦斯涌出量平均為（12.21+13.26）/2=12.74（m3/min），所增加的瓦斯量可以近似地認為是落煤的瓦斯量，其數值為12.74-8.10=4.64（m3/min）。應當指出的是，在生產班割煤時，由于煤壁暴露時間短，也就是說為新鮮煤壁，其涌出瓦斯量要比檢修班大一些，因此，上述落煤瓦斯量中還包括有生產班較檢修班煤壁多涌出的一部分瓦斯量。

落煤瓦斯涌出量在采面瓦斯涌出總量中占的比例不大的原因主要有以下幾點：

1）煤質較硬，煤塊粒度大，瓦斯解吸速度慢。在粒度相同條件下，也較其它地區煤解吸的速度較慢，解吸時間長；

2）由于皮帶速度快，煤在工作面停留時間較短，也造成殘存瓦斯含量大，煤在工作面的瓦斯涌出量相對減?。?/p>

3）開采前進行了巷道預排和瓦斯預抽，瓦斯含量降低，開采后期煤體抽放時間較長，瓦斯含量低于初采期，因此開采后期的落煤瓦斯涌出強度降進一步降低。

4）割煤速度不大。

綜上所述，在采用巷道預排、鉆孔預抽及適當控制割煤速度的情況下，可以控制落煤瓦斯涌出。

5 工作面日推進度與瓦斯涌出量關系

在去除其它影響因素的條件下，統計得到工作面推進度與工作面瓦斯涌出量關系如圖6。從圖6中可以看出，工作面瓦斯涌出隨著工作面推進度的增加而增加。經過回歸得出工作面瓦斯涌出量與工作推進度符合如下關系：

Q=1.1587×ln（v）+11.889

式中Q-工作面瓦斯涌出量m3/min，

V-工作面日推進度，m/d

圖6 工作面推進度與瓦斯涌出量關系曲線

6 結束語

通過井下測試和數據分析對胡家河煤礦首采工作面采面和采空區瓦斯涌出規律、煤壁瓦斯涌出規律、落煤瓦斯涌出規律、工作面日推進度與瓦斯涌出量關系進行了研究，為彬長礦區深部特厚煤層首采工作面瓦斯涌出特征及規律的研究提供依據。具體結論如下：

（1）采面瓦斯濃度從進風側至回風側逐漸增大。進風到采面中部范圍內瓦斯濃度變化不大，采面中部到回風瓦斯濃度增加較快，尤其是靠近回風側50m范圍內瓦斯濃度較高。

（2）401101工作面檢修班煤壁平均涌出瓦斯為4.85m3/min。

（3）401101工作面落煤瓦斯涌出量平均為4.64m3/min。

（4）在去除其它影響因素的條件下，研究得到工作面瓦斯涌出量Q與工作推進度V的關系：Q=1.1587×ln（v）+11.889。

參考文獻

[1]賀安民周成軍.保德煤礦采空區瓦斯抽放試驗研究[J].神華科技，2009，7（4）：29-34.

[2]楊安紅.采空區瓦斯抽放技術研究[J].煤炭技術，2009，8（6）：88-93.

[3]馬培梁.我國煤礦抽放瓦斯現狀及發展前景[J].煤礦安全，2007，（6）：28-30.

[4]胡寧，林海飛，李樹剛，任海峰.下峪口礦鄰近采空區卸壓瓦斯抽放技術[J].陜西煤炭，2006，（1）：7-9.

[5]張景飛，郭德勇，張建國·綜采工作面卸壓瓦斯抽放技術的應用研究[J].礦業安全與環保，2004，31（2）：4-7.

[6]曹衛青，姚尚文.松軟低透煤層掘進工作面瓦斯抽放技術研究[J].煤炭技術，2009，28（12）：81-83.

作者簡介：劉前，男，陜西銅川人，工程師，畢業于西安科技大學，主要從事瓦斯治理技術及理論研究、現任陜西彬長礦業集團稽查處處長。