綜放工作面的瓦斯涌出特征分析

·試驗研究·

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綜放工作面的瓦斯涌出特征分析

昝平

(大同煤礦集團(tuán) 云岡礦，山西大同037003)

摘要高瓦斯工作面采用綜放開采時，其瓦斯涌出及分布規(guī)律相比于普通分層開采工作面存在特殊性。論述了綜放工作面瓦斯的涌出規(guī)律、分布特征以及運移規(guī)律等，分析了高瓦斯綜放工作面的瓦斯來源、分布、運行規(guī)律，瓦斯上浮效應(yīng)、瓦斯集聚點及開采過程中瓦斯涌出規(guī)律等主要特征，為綜放開采制定瓦斯防治措施等方面提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞綜放工作面；瓦斯涌出；瓦斯分布；上浮效應(yīng)

收稿日期：2015-02-01

作者簡介：昝平(1970—)，男，山西大同人，1994年畢業(yè)于大同煤炭工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事礦井通風(fēng)管理工作

中圖分類號：TD712+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0042-03

AbstractMechanized caving mining was used in High Gas Faces,the distribution rule and gas emission compared to ordinary layer mining working face has the particularity,distribution characteristic and migration law in mechanized caving face, analyses gas source,distribution, the main features of operating law,gas floating effects,gas gathering points and gas emission law during the process of high gas mechanized caving face mining,The conclusion provides a theoretical basis for controlling measures of the caving mining gas and other aspects.

厚煤層綜放開采工作面屬一次采出全厚的工作面，工作面采動后其上覆巖層的移動，機道前方頂板支撐壓力的分布、頂煤的運動規(guī)律以及瓦斯涌出的影響因素，采空區(qū)瓦斯的涌出特征、運行規(guī)律以及集聚的情況等各方面相比于普通分層綜采工作面存在較大的特殊性。從現(xiàn)場實踐可知：部分綜放工作面的瓦斯主要來源于該煤層的開采。在原有分層開采各項措施的基礎(chǔ)上，建立厚煤層條件下綜放工作面瓦斯的防治體系，保證其達(dá)到隨著放頂煤工作面開采頂煤(板)垮落。綜上分析可知，綜放工作面瓦斯涌出以及運行等方面均有其特殊的規(guī)律與特點。

1瓦斯來源的特點

對厚煤層開采來說，若采用分層開采，各工作面的的瓦斯來源主要集中在煤壁前方、碎煤或是下部煤體，由于此時瓦斯是以吸附態(tài)賦存的，再加上瓦斯的上浮效應(yīng)，加強通風(fēng)管理即利用風(fēng)排的方式便可以治理瓦斯問題。若采用放頂煤方式進(jìn)行開采，考慮到工作面煤壁位于煤層的下方。因此，此時瓦斯來源主要集中在煤層下部的煤壁與煤層上部頂煤體兩個方面。同時由于瓦斯的上浮效應(yīng)太明顯，故在此類型工作面存在有上浮通道，使得風(fēng)排效果較差。另一方面，位于煤層上部的頂煤中的瓦斯由于無法與新鮮風(fēng)流接觸而不斷積聚，造成工作面支架上方瓦斯超限，見圖1. 鑒于綜放工作面瓦斯來源存在特殊性，在后期針對高瓦斯放頂煤工作面的這些特征，工作面通風(fēng)系統(tǒng)與瓦斯抽放系統(tǒng)的變化必須與瓦斯來源的特殊性相對應(yīng)。

圖1　放頂煤工作面瓦斯涌出分布示意圖

2瓦斯集聚的特點

對于綜放工作面來說，一般情況下底層截割的高度小于頂層放煤的高度，由于瓦斯的上浮效應(yīng)，頂煤涌出的瓦斯不會進(jìn)入工作面通風(fēng)風(fēng)流中，逐漸在工作面支架上方偏采空區(qū)位置形成一個高瓦斯的集聚區(qū)域，且該區(qū)域風(fēng)流較小，甚至無風(fēng)，因此，該區(qū)域可看作為一個瓦斯存積庫。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板緊跟垮落，將瓦斯存積庫的空間填滿，從而將該區(qū)域瓦斯瞬間壓入工作面造成工作面的瓦斯超限。

3瓦斯涌出的特點

3.1瓦斯的相對涌出量

一般情況下，對于厚煤層開采中采用分層開采的情況，該類型工作面的瓦斯涌出等級是以第一分層涌出瓦斯為標(biāo)準(zhǔn)的，各分層開采過程中必然存在瓦斯涌出的不均勻性，而這些不均勻性沒有被考慮在內(nèi)。尤其當(dāng)分層開采過程中開采頂分層時，采空區(qū)聚集著各下分層涌出的瓦斯，在上浮效應(yīng)下，采空區(qū)內(nèi)瓦斯集聚量較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂分層開采時瓦斯的涌出量。對于放頂煤開采的工作面，由于其屬于一次采全厚的工作面，利用原有方法使得預(yù)測出的結(jié)果本身誤差特別大。對于放頂煤來說，此類型工作面開采過程中瓦斯涌出是均勻的。瓦斯最大相對涌出量與分層開采中的平均瓦斯涌出量相當(dāng)。故在放頂煤工作面瓦斯的防治方面比起分層開采容易的多，但需提前對放頂煤工作面開采過程中瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定瓦斯治理方案。

3.2瓦斯的涌出地點

普通綜采工作面的瓦斯涌出時一般出現(xiàn)在割煤過程中或是在接近回風(fēng)巷上隅角的位置。綜放工作面的瓦斯涌出同樣在以上兩個位置，但除此之外，在其他位置也會有大量瓦斯涌出的情況。

綜放工作面瓦斯涌出點與工作面內(nèi)風(fēng)速相互矛盾。綜放工作面內(nèi)的風(fēng)速分布見圖2，圖中B區(qū)的風(fēng)速為A區(qū)的80%左右，C區(qū)的風(fēng)速約為A區(qū)的70%，結(jié)合前述分析，支架上方偏采空區(qū)位置為瓦斯涌出的集中地點，這就逐漸形成了高瓦斯與低風(fēng)速兩者間的重合區(qū)域。

圖2　綜放工作面風(fēng)速分布圖

綜放工作面支架放煤口是瓦斯涌出量大的另一地點。各支架放煤口在放煤時必然會存在不同程度的瓦斯?jié)舛仍黾印嵺`分析可知，放煤口瓦斯集聚的原因有以下幾點：放煤是上分層頂煤集中破壞的過程，頂煤的破碎必然會引起瓦斯的急劇增加；瓦斯隨著煤流的移動被帶到放煤口；頂煤被放出后，其剩余空間靠頂板垮落的大塊矸石來充填，此時較大的孔隙率也是煤體破壞后涌出瓦斯的有利通道。

3.3瓦斯涌出量的增加值

綜放工作面開采初期的瓦斯涌出量不大，后期隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯涌出量不斷增大。由實踐數(shù)據(jù)可知，一般情況下綜放工作面在采過300 m后瓦斯的涌出量才逐漸穩(wěn)定。究其原因，隨著綜放工作面的推進(jìn)，采空區(qū)冒落帶的高度增大，且采空區(qū)為大塊矸石充填，造成某些區(qū)域難以壓實，集聚在采空區(qū)中的瓦斯在矸石間的裂隙中流動，在空間被填充后壓出工作面；除此之外，綜放工作面采空區(qū)冒落帶高度較大也擴(kuò)大了瓦斯的影響范圍；綜放工作面頂板破壞程度較大，裂隙也較發(fā)育，造成上分層煤體瓦斯的排放程度增加。

相對于普通綜采工作面，同等條件下，綜放工作面的回采率較低，僅為80%~85%.因此，采空區(qū)的剩余煤量必然會較大，隨之瓦斯賦存也較大，頂煤在放頂過程中破碎嚴(yán)重，從而造成涌出瓦斯量增加，這部分增加的瓦斯多數(shù)遺留在采空區(qū)，最終造成工作面瓦斯涌出量的增加。

3.4瓦斯的涌出及運移

綜放工作面一次采全厚，頂板破壞嚴(yán)重，頂煤破碎且裂隙數(shù)量較多并且裂隙較大，這些特征均有利于瓦斯的涌出及運移。

1) 頂煤裂隙數(shù)量較多且相互貫通，使得處于游離狀態(tài)的瓦斯擁有涌出的通道，因此瓦斯涌出量增加。

2) 超前支承壓力作用下，工作面前方頂煤均出現(xiàn)裂隙，且隨著工作面推進(jìn)，裂隙增加，這就使得頂煤中瓦斯的壓力降低，從而該范圍內(nèi)吸附狀態(tài)的瓦斯便開始解析為游離狀態(tài)的瓦斯。

3) 瓦斯上浮表現(xiàn)為采空區(qū)、工作面以及裂隙帶內(nèi)的瓦斯向上移動，引起這種運動的原因為：瓦斯的密度小于周圍氣體的密度必然會使瓦斯向上移動；裂隙通道與漏風(fēng)通道存在能量差，使得瓦斯能夠沿該通道向上移動。正常生產(chǎn)過程中，由于瓦斯存在上浮效應(yīng)并且頂煤裂隙較為發(fā)育，采空區(qū)上部集聚了大量的瓦斯，隨著工作面推進(jìn)，頂板來壓過程中，垮落的矸石將瓦斯聚集區(qū)域充填，從而將該區(qū)域瓦斯壓入工作面，造成工作面瓦斯的急劇增加。

4結(jié)論

綜上分析可知，采用綜放開采方式使得該煤層以及鄰近煤層的瓦斯更易排出，鑒于工作面后部采空區(qū)上方集聚瓦斯量較大，要采取有效的瓦斯治理措施須從抽放工作面采空區(qū)上方的瓦斯入手。現(xiàn)階段綜放工作面開采中瓦斯抽放的主要方法為：頂板瓦斯排放巷、頂板裂隙帶走向長鉆孔以及頂板高抽巷等。這些方法均是利用瓦斯的上浮效應(yīng)以及頂煤中發(fā)育的裂隙將聚集在采空區(qū)上方的大量瓦斯排出，從而有利于避免工作面瓦斯的超限。除此之外，針對綜放工作面瓦斯涌出點分散的特征，須將通風(fēng)方式以及巷道布置等方面與這一特征相適應(yīng)。最后，綜放工作面的氣體監(jiān)控設(shè)備的安裝也應(yīng)考慮工作面后方采空區(qū)上方與上隅角兩個區(qū)域。

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Study on Gas Emission Characteristic in

Long-wall Top Coal Caving Face

ZAN Ping

Key wordsMechanized caving working face; Gas emission; Gas distribution; Floating effect