綜采工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律分析

黃瑞玲，稅 坤

(四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院 昆明分院，云南 昆明 650041)

煤炭對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。我國(guó)煤礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隨著煤礦資源逐漸向深部開(kāi)采，礦井面臨的安全問(wèn)題越來(lái)越多，其中瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重，煤礦對(duì)于瓦斯災(zāi)害也高度重視，采空區(qū)瓦斯賦存規(guī)律和采空區(qū)遺煤與漏風(fēng)密不可分。其采空區(qū)遺煤自燃造成瓦斯爆炸很容易被忽視，并且很難治理。國(guó)內(nèi)對(duì)自燃煤礦自然發(fā)火防治和采空區(qū)瓦斯治理措施已經(jīng)非常成熟，但是在采空區(qū)瓦斯排放、抽采與防滅火的內(nèi)部聯(lián)系方面仍缺少理論指導(dǎo)。要想科學(xué)合理地對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理，必須要清楚采空區(qū)內(nèi)部瓦斯運(yùn)移規(guī)律[1-4]。本文研究了綜采工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，通過(guò)在采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)點(diǎn)，使用束管對(duì)采空區(qū)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了綜采工作面采空區(qū)瓦斯分布特征，研究對(duì)礦井采空區(qū)瓦斯治理具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

研究礦井位于煤田東部中段，井田共有4層煤，其中主采二1煤層，煤層厚度5.0～12.0 m，平均厚3 m，埋深580～600 m，煤層瓦斯最大壓力0.96 MPa，煤層透氣性系數(shù)0.104 m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯含量為16 m3/t，煤層傾角為1°～6°，平均為5°，煤層中有一層夾矸，平均厚度為0.2 m。研究區(qū)二1煤層工業(yè)分析見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)二1煤層工業(yè)分析

研究工作面平面布置如圖1所示。

圖1 研究工作面平面布置

2 采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

為了研究綜采工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，共布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)位置分布如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)位置分布情況

在采空區(qū)中部布置5號(hào)—11號(hào)測(cè)點(diǎn)，采空區(qū)兩側(cè)邊緣布置1號(hào)—4號(hào)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)的空氣成分主要為氧氣、二氧化碳、瓦斯、一氧化碳等。現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)束管，一段時(shí)候后，分析不同距離下采空區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。采空區(qū)中部測(cè)點(diǎn)間距為20 m，采空區(qū)兩側(cè)邊緣測(cè)點(diǎn)間距為20 m。

3 數(shù)據(jù)處理分析

3.1 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?/h3>

研究工作面每推進(jìn)20 m，采集1次采空區(qū)各氣體，其中采樣周期為200 m。采用Matlab軟件[5-8]，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制了不同工作面推進(jìn)距離時(shí)采空區(qū)瓦斯和氧氣濃度分布。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)

不同推進(jìn)距離時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植肌⒌戎稻€如圖3所示。由圖3可知：①沿采空區(qū)走向方向，隨著深入采空區(qū)，瓦斯?jié)舛戎饾u變大，且瓦斯主要集聚在采空區(qū)中部靠回風(fēng)側(cè)位置。②沿采空區(qū)傾向方向，在回風(fēng)側(cè)向進(jìn)風(fēng)側(cè)方向，采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔袦p小的趨勢(shì)，并且回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛忍荻却笥谶M(jìn)風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛忍荻龋斐赏咚乖诨仫L(fēng)側(cè)集聚。③隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔猩叩内厔?shì)，距離工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍酱螅煽諈^(qū)漏風(fēng)量越小，集聚在采空區(qū)深部。在回風(fēng)側(cè)，在距離工作面35 m范圍處，采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀?%；在進(jìn)風(fēng)側(cè)，在距離工作面90 m范圍處，采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀?%。

圖3 不同推進(jìn)距離時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植肌⒌戎稻€

根據(jù)圖2以及瓦斯?jié)舛忍荻鹊淖兓俾剩瑢⒉煽諈^(qū)瓦斯運(yùn)移區(qū)域劃分為CH4稀釋區(qū)、CH4快速集聚區(qū)、CH4緩慢集聚區(qū)。具體分布如圖4所示。

圖4 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移區(qū)域劃分

由圖4可知，沿采空區(qū)走向上，空區(qū)瓦斯運(yùn)移區(qū)域劃分3個(gè)區(qū)域，瓦斯緩慢集聚區(qū)位于采空區(qū)深部，要是該區(qū)域?yàn)閹r石壓實(shí)區(qū)，孔隙率低、漏風(fēng)量小，容易造成瓦斯的集聚；瓦斯快速集聚區(qū)于采空區(qū)中部，該區(qū)域孔隙率相對(duì)較低、漏風(fēng)量相對(duì)較弱，風(fēng)流量相對(duì)較大，致使瓦斯?jié)舛燃巴咚節(jié)舛茸兓^大；瓦斯?jié)舛认♂寘^(qū)位于采空區(qū)淺部，主要受到漏風(fēng)的影響，此處瓦斯?jié)舛容^低。

3.2 采空區(qū)氧氣濃度分布

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。不同推進(jìn)距離時(shí)采空區(qū)氧氣濃度分布、等值線[9-12]如圖5所示。由圖5可知：①沿采空區(qū)走向方向，采空區(qū)氧氣濃度沿中心線呈不對(duì)稱分布，其中回風(fēng)側(cè)氧氣濃度低于進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度。②沿采空區(qū)傾向方向，越靠近工作面，氧氣濃度約高，越靠近采空區(qū)深部，氧氣濃度約低，回風(fēng)側(cè)向進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧化自燃帶由窄變寬。③隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采空區(qū)氧氣濃度有降低的趨勢(shì)，回風(fēng)側(cè)氧氣濃度下降速率明顯快于進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度下降速率。

圖5 不同推進(jìn)距離時(shí)采空區(qū)氧氣濃度分布、等值線

表3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度數(shù)據(jù)

綜上所述，當(dāng)進(jìn)行抽放采空區(qū)瓦斯時(shí)，需布置走向瓦斯高抽巷，密封插管進(jìn)行采空區(qū)瓦斯的抽放，能夠顯著降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋部稍诔榉盼恢眯纬赏咚关?fù)壓場(chǎng)，減少采空區(qū)漏風(fēng)，從而降低了上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

4 結(jié)論

(1)沿采空區(qū)走向上，空區(qū)瓦斯運(yùn)移區(qū)域劃分3個(gè)區(qū)域：CH4稀釋區(qū)、CH4快速集聚區(qū)、CH4緩慢集聚區(qū)，瓦斯主要集聚在采空區(qū)中部靠回風(fēng)側(cè)位置；隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔猩叩内厔?shì)。

(2)隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采空區(qū)氧氣濃度有降低的趨勢(shì)，越靠近工作面，氧氣濃度約高，越靠近采空區(qū)深部，氧氣濃度約低，采空區(qū)氧氣濃度沿中心線呈不對(duì)稱分布。

(3)當(dāng)進(jìn)行抽放采空區(qū)瓦斯時(shí)，需布置走向瓦斯高抽巷，密封插管進(jìn)行采空區(qū)瓦斯的抽放，來(lái)治理采空區(qū)瓦斯隱患和上隅角瓦斯積聚。