高瓦斯低透煤層綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律研究

王繼剛，汪日生

(1.陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司，四川 成都 610000)

?

高瓦斯低透煤層綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律研究

王繼剛1，汪日生2

(1.陽(yáng)泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司，四川 成都 610000)

綜采工作面時(shí)常出現(xiàn)瓦斯涌出超限現(xiàn)象，既制約礦井的生產(chǎn)效率，也埋下了安全隱患。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了某礦1204綜采工作面的瓦斯涌出規(guī)律：該工作面瓦斯涌出受多方面因素的影響，工作面傾斜走向上，瓦斯?jié)舛妊爻讨饾u增大，在橫斷面方向上，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)"高-低-高"分布；工作面瓦斯涌出量與支架支撐力的變化趨勢(shì)基本保持一致，呈現(xiàn)周期性變化，對(duì)本煤層采空區(qū)瓦斯和鄰近煤層瓦斯進(jìn)行抽采是治理該工作面瓦斯的重點(diǎn)。

高瓦斯低透煤層；綜采工作面；瓦斯涌出；瓦斯?jié)舛龋豁敯鍓毫Γ煌咚箻?gòu)成

礦井瓦斯是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要不安全因素之一，隨著開(kāi)采深度的延伸，煤層賦存條件越來(lái)越復(fù)雜，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力不斷升高，煤層透氣性逐漸降低，瓦斯災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，給企業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定造成諸多不利影響[1-3]. 綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律是工作面合理通風(fēng)和瓦斯治理設(shè)計(jì)的依據(jù)，其與煤層瓦斯賦存情況、礦井開(kāi)采工藝等因素密切相關(guān)，具有多變性和不均衡性[4,5].

某礦1204工作面自開(kāi)切眼貫通后，瓦斯涌出量一直較大，為了更好地制定針對(duì)性的瓦斯治理措施，保障礦井的經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)，筆者基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析研究工作面瓦斯涌出規(guī)律，以期為其后續(xù)治理提供依據(jù)。

1 工作面概況

該礦坐落于山西古交市境內(nèi)，年生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a. 1204綜采工作面位于井田8#煤層二采區(qū)，煤層厚度1.9～2.3 m，平均2.1 m；煤層瓦斯壓力0.63 MPa，瓦斯含量系數(shù)10.04 m3/(m3·MPa0.5)，煤層透氣性系數(shù)1.32 m2/(MPa2.d)，屬于高瓦斯低透煤層。工作面頂板為泥巖，平均厚度5.97 m，底板為細(xì)砂巖，平均厚度2.43 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，工作面標(biāo)高+914～+938 m，回風(fēng)巷高、運(yùn)輸巷低，平均落差為27 m. 工作面以真方位角38°布置，東側(cè)為1203采空區(qū)，西側(cè)為1205工作面未布置，南側(cè)為3條下山，北側(cè)為井田邊界線，回采過(guò)程中1204回風(fēng)巷受1203采空區(qū)影響。工作面走向長(zhǎng)度1 130 m(可采推進(jìn)長(zhǎng)度1 100 m)，傾向長(zhǎng)度180 m.

1204綜采工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤，一次采全高，平均采高2.1 m，頂板采用全部垮落法管理，每天4個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)割煤進(jìn)度為0.6 m，日產(chǎn)量為1 120 t. 1204工作面采用U型全負(fù)壓通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)運(yùn)輸巷流入，經(jīng)過(guò)回采工作面，由回風(fēng)巷流出，工作面配風(fēng)量為1 020 m3/min.

2 工作面瓦斯涌出的主要影響因素分析

根據(jù)1204綜采工作面的實(shí)際工況，分析得出影響瓦斯涌出的主要因素有：煤層瓦斯含量、采面推進(jìn)速度、生產(chǎn)工序、覆巖活動(dòng)規(guī)律等。

煤層瓦斯含量是煤體內(nèi)吸附和游離態(tài)瓦斯含量的總和，工作面回采時(shí)，受采動(dòng)影響，賦存在煤體內(nèi)的瓦斯通過(guò)煤巖裂隙通道釋放出來(lái)，采面推進(jìn)速度越快，其卸壓的范圍就越大，瓦斯涌出量就越大[6]. 1204工作面實(shí)測(cè)可解析瓦斯含量為7.46 m3/t，是1203工作面的1.2倍，在相同開(kāi)采條件下，工作面瓦斯涌出量將存在等比例增加。

由于工作面采煤作業(yè)工序存有差異，瓦斯涌出強(qiáng)度也不盡相同，從檢修、割煤、移架等主要作業(yè)工序來(lái)看，1204工作面的瓦斯涌出強(qiáng)度順序依次為：檢修<移架<割煤。回采初期，工作面上覆原巖應(yīng)力平衡被打破，產(chǎn)生煤巖裂隙，形成瓦斯卸壓帶，致使大量的瓦斯迅速?gòu)拿簩又薪馕鰜?lái)，涌入工作面。隨著工作面的推進(jìn)，基本頂巖梁垮落，卸壓的煤層范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大，賦存于圍巖中的瓦斯也將不同程度地涌入工作面。基本頂垮落后，繼續(xù)推進(jìn)工作面，處于冒落帶內(nèi)的碎石逐漸被上覆巖層壓實(shí)，裂隙帶內(nèi)的巖層繼續(xù)下沉，裂縫進(jìn)一步發(fā)育，并向上部巖層擴(kuò)展，導(dǎo)致上部7#煤層中的瓦斯得以解吸流入，再一次增加了1204工作面的瓦斯涌出量。而且，在正常開(kāi)采期間，伴隨著頂板的周期來(lái)壓，頂板的破碎程度逐漸加大，使工作面的瓦斯涌出也呈現(xiàn)周期性增大的趨勢(shì)。

3 工作面瓦斯涌出構(gòu)成特征

3.1 采場(chǎng)空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

為了掌握工作面回采空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植记闆r，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，所得結(jié)果見(jiàn)圖1，2. 由圖1可知，工作面進(jìn)風(fēng)口處的瓦斯?jié)舛容^低為0.1%，沿煤層傾斜方向，隨著與上隅角距離的減小，瓦斯?jié)舛戎饾u增加，上隅角處的瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)0.7%，這主要由兩方面的原因造成：1) 采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯?jié)舛攘看蟆?) 工作面風(fēng)速較小，風(fēng)排瓦斯能力不足。在后期的瓦斯治理中，應(yīng)重點(diǎn)加大通風(fēng)、控制漏風(fēng)和采空區(qū)瓦斯抽采。

圖1 工作面距上隅角不同位置瓦斯?jié)舛确植记€圖

圖2 距煤壁不同距離處的瓦斯?jié)舛茸兓€圖

從圖2可看出，在工作面橫斷面沿回采方向上，瓦斯?jié)舛日w上呈現(xiàn)“高-低-高”的分布趨勢(shì)，當(dāng)距離煤壁為0.5～2.0 m，風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛妊杆儆?.85%降至0.45%，當(dāng)距離煤壁為2.0～4.5 m時(shí)，隨著距離的增加，瓦斯?jié)舛戎饾u增加至0.67%. 此外，在工作面豎直方向上，由于瓦斯的密度小于空氣，產(chǎn)生浮升效應(yīng)，瓦斯?jié)舛扔上轮辽现饾u增大。

根據(jù)對(duì)1204工作面現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛鹊拇蠓秶鷮?shí)測(cè)，高濃度瓦斯區(qū)域主要分布在：1) 工作面上隅角。采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，一部分積聚在漏風(fēng)帶以外的深處，另一部分隨著漏風(fēng)逸散至工作面上隅角；此外，受集中應(yīng)力的作用，上隅角附近的頂板和煤幫變得較為破碎，在回風(fēng)渦流的影響下，易于瓦斯積聚。2) 支架頂梁周圍。支架頂梁處壓力，煤巖裂隙發(fā)育，瓦斯涌出通道發(fā)達(dá)，上覆巖層中的瓦斯不斷涌出，造成該處瓦斯?jié)舛忍幱谳^高水平。3) 落煤口周圍。落煤口周邊風(fēng)速較低，且煤流量大，釋放的瓦斯量也大，不易被及時(shí)稀釋排出，造成瓦斯積聚。

3.2 瓦斯涌出量與礦山頂板壓力的關(guān)系

對(duì)回采過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的支架支撐力和工作面瓦斯涌出量進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，得到各自隨開(kāi)切眼距離增加而變化的分布情況見(jiàn)圖3.

圖3 瓦斯涌出量與支撐力沿程變化曲線圖

從圖3可以看出，在保持正常生產(chǎn)的前提下，工作面瓦斯涌出量和支架支撐力的變化趨勢(shì)基本保持一致，呈現(xiàn)周期性變化。工作面液壓支架支撐力的變化直觀反映了綜采工作面頂板周期來(lái)壓規(guī)律，在頂板初次冒落以后，隨著頂板周期來(lái)壓的到來(lái)，采空區(qū)內(nèi)的空隙被壓縮，打破原有的瓦斯壓力平衡狀態(tài)，采空區(qū)上部積聚的瓦斯被擠壓涌向工作面上隅角，造成工作面瓦斯涌出量的增大。此外，由圖3分析可知，1204綜采工作面周期來(lái)壓步距為20～25 m. 自開(kāi)切眼至回采20 m范圍內(nèi)，工作面內(nèi)的瓦斯基本來(lái)源于本煤層；回采推進(jìn)20 m以后，受周期來(lái)壓對(duì)頂板、圍巖的破壞作用，鄰近層的瓦斯開(kāi)始相繼涌入回采空間；當(dāng)工作面推進(jìn)到30～35 m時(shí)，初采期瓦斯涌出量達(dá)到最大值。

3.3 1204工作面瓦斯構(gòu)成分析

根據(jù)瓦斯來(lái)源的分源理論[7]，結(jié)合該工作面的空間布置情況，1204綜采工作面瓦斯涌出主要來(lái)源分為鄰近層瓦斯和開(kāi)采層瓦斯，工作面瓦斯分源構(gòu)成見(jiàn)圖4.

圖4 1204工作面瓦斯來(lái)源構(gòu)成圖

根據(jù)生產(chǎn)期間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1204工作面瓦斯構(gòu)成見(jiàn)表1. 由表1可以得出，鄰近層和本煤層瓦斯涌出量分別占回采工作面瓦斯涌出總量的53%、47%，二者相當(dāng)；瓦斯抽采量占整個(gè)瓦斯涌出量的82%，說(shuō)明本煤層采空區(qū)瓦斯和鄰近層瓦斯抽采是1204綜采工作面瓦斯治理的重點(diǎn)。

表1 1204工作面瓦斯構(gòu)成分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)大量數(shù)據(jù)的分析，掌握了1204工作面的瓦斯涌出規(guī)律，為制定更加合理的瓦斯治理方案提供了理論指導(dǎo)；同時(shí)，煤層瓦斯賦存受地質(zhì)條件等因素的限制，在工作面回采過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注瓦斯涌出變化，積極采取對(duì)策，保證工作面的安全回采。

[1] 周秀紅,楊勝?gòu)?qiáng),胡新成.舊街煤礦瓦斯賦存及涌出規(guī)律分析[J].煤炭技術(shù),2011,30(9):95-97.

[2] 李化敏,付 凱.煤礦深部開(kāi)采面臨的主要技術(shù)問(wèn)題及對(duì)策[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(4):468-471.

[3] 李樹(shù)剛,肖 鵬,林海飛.烏蘭煤礦5343綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律分析[J].煤礦安全,2011,42(1):122-124.

[4] 葉 青,林柏泉,姜文忠.回采工作面瓦斯涌出規(guī)律研究[J].中國(guó)礦業(yè),2006,15(5):38-41.

[5] 王志權(quán).高瓦斯綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律分析[J].煤礦安全,2010,41(12):89-90.

[6] 陳建強(qiáng).開(kāi)采急傾斜特厚煤層瓦斯涌出影響因素分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2015,42(5):92-95.

[7] 謝生榮,趙耀江.綜采工作面的瓦斯涌出規(guī)律及涌出量的預(yù)測(cè)[J].太原理工大學(xué),2005,36(5):554-557.

Study on Gas Emission Law in Fully Mechanized Coal Face with High Gas and Low Permeability Coal Seam

WANG Jigang, WANG Risheng

In the fully mechanized coal mining face, there is frequent gas emission overrun, which not only restricts the production efficiency, but also has hidden safety risks. Through the field measurement, the paper analyzes the gas emission law in No.1204 fully mechanized mining face in a coal mine. The gas concentration shows a high-low-high in the cross section direction, and the gas concentration is getting increased in the dip direction. The fluctuation of gas emission and the supporting force in the working face are basically consistent, so, the drainage of the gas in the goaf of the coal seam and the adjacent coal seam is the focus for the gas control.

High-gas low-permeability coal seam; Fully mechanized coal mining face; Gas emission; Gas concentration; Roof pressure; Gas composition

2017-02-21

王繼剛(1984—)，男，山西陽(yáng)泉人，2013年畢業(yè)于華北科技學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦安全監(jiān)察與管理工作

(E-mail)just-happying@163.com

TD712+.5

B

1672-0652(2017)04-0016-03