近距離煤層群一次采全高工作面瓦斯涌出源精準分析

張 鐳，崔 聰

(1.云南煤化工集團有限公司，云南省昆明市，650231；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013)

長嶺煤礦位于云南省昭通市東南部，隸屬云南省昭通市鎮雄縣。礦井可采煤層有4層，主采煤層C5b，次要可采煤層C5a、C6a和C6c。煤層傾角2°～10°，大多在8°以下，煤層間距2～5 m。長嶺煤礦目前屬高瓦斯礦井，煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，主要瓦斯抽采方式是本煤層及采空區瓦斯抽采，但抽采效果不理想，瓦斯治理存在的直觀表現為：回采工作面回采過程中瓦斯涌出量較大，日常生產過程中回風巷及上隅角超限嚴重，周期來壓期間更為明顯。

回采工作面瓦斯超限一直制約著煤礦安全高效生產，是瓦斯治理的瓶頸所在[1-2]，為實現礦井的長治久安和高效生產，需構建以區域性立體抽采為主，安全可靠的通風方式和通風系統為輔的瓦斯治理技術體系。通過有效抽采，降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，降低回采工作面瓦斯濃度，確保采掘作業的安全高效。隨著煤炭開采深度和開采水平的延伸，回風巷及上隅角超限問題將日益嚴重。因此，消除瓦斯災害對生產的威脅迫在眉睫，分析回采工作面瓦斯涌出規律是回采工作面瓦斯治理的重中之重。

范滿長、桑聰等[3-5]利用現場實測與數學計算模型相結合的研究方法，得到煤壁及采落煤瓦斯涌出量占綜采工作面瓦斯涌出總量比例；崔洪慶[6-7]基于采煤工作面瓦斯濃度監測數據中包含的各源瓦斯涌出信息，建立絕對瓦斯涌出量分源計算方法；趙長春[8]研究了超長綜放面本煤層瓦斯涌出量和生產能力之間、鄰近層瓦斯涌出量和推進速度之間的關系式；林青[9]對采煤工作面的瓦斯濃度分布進行考察，分析總結了多重保護層開采高瓦斯綜采面瓦斯涌出規律；楊茂林[10]通過數值模擬分析了采空區流場和瓦斯濃度分布特征，綜合分析了工作面地質、開采條件對瓦斯涌出的影響。

目前回采工作面瓦斯涌出研究相對比較片面，針對近距離煤層群采全高工作面瓦斯涌出源的分析較少，筆者將針對長嶺煤礦生產條件和瓦斯治理工作的難題，開展回采工作面瓦斯涌出量、開采層瓦斯涌出量、鄰近層瓦斯涌出量、采空區瓦斯濃度分布規律及鄰近工作面漏風規律研究工作。通過準確預測回采工作面瓦斯涌出量及分布規律，為瓦斯治理和抽采工程的合理設計提供依據，并通過瓦斯來源分析確定瓦斯治理方法，進而實現礦井的安全高效生產。

1 工作面煤體與采空區瓦斯涌出測定方法

以長嶺煤礦C5b煤層152105回采工作面為研究對象，工作面長度為227 m。將152105工作面沿傾斜方向劃分為5個區域，6個測試截面，如圖1所示。對每個巷道測試截面的面積進行測定，每個測試截面布置工作面走向方向測點3組。將測試截面劃分為4個測試區域，其中區域1貼近煤壁，區域2設置在巷道中部，區域3貼近采空區支架，區域4設置在采空區內部，每個區域測試點設置在測試區域中部，測點4位于采空區淺部，由工作面深入采空區0.3 m，如圖2所示。

圖1 152105工作面水平區域

圖2 152105工作面垂直區域測試區域及測點布置

根據瓦斯平衡方程與風量平衡方程，計算每個區域的采空區漏風量、采空區瓦斯涌出量、本煤層回采工作面的瓦斯涌出量。

(1)

通過現場測試及瓦斯涌出公式計算可得不同時期采空區與工作面煤體瓦斯涌出量及涌出比例，見表1。

表1 工作面瓦斯涌出來源分布

計算結果表明，檢修期間煤壁涌出量占工作面涌出總量的36.45%，而生產期間回采工作面煤體瓦斯涌出量占工作面涌出總量的55.24%。因為生產期間采煤機不斷割煤生產，瓦斯不斷從煤壁及落煤中涌出，所以生產班期間回采工作面煤體瓦斯涌出量大于檢修班期間回采工作面煤體瓦斯涌出量。周期來壓期間采空區瓦斯涌出量占工作面涌出總量的56.88%，生產期間采空區瓦斯涌出量占工作面涌出總量的44.76%；周期來壓后，上覆巖層垮落，采空區內部瓦斯受到擠壓，在擠壓氣流作用下，大量瓦斯涌入采煤工作面，所以周期來壓期間的采空區瓦斯涌出量大于生產班期間采空區瓦斯涌出量。

2 工作面落煤與煤壁瓦斯涌出規律

采集長嶺煤礦C5b煤層152105煤樣，送至煤炭科學技術研究有限公司實驗室測定C5b煤層的瓦斯解吸規律。實驗室研究了120 min內1 MPa條件下長嶺煤礦煤樣，得到瓦斯解吸量與時間的關系，并對實驗結果進行擬合，實驗結果如圖3所示，分別采用巴雷爾、烏斯基諾夫、孫重旭及對數公式進行擬合，數據表明孫重旭式更符合長嶺煤礦煤體放散特性。

圖3 長嶺煤礦C5b煤層瓦斯放散結果及擬合度

通過數值模擬計算不同粒徑落煤的瓦斯動態涌出特點，根據C5b煤層落煤的粒徑分布，研究C5b煤層落煤瓦斯涌出規律。取長嶺煤礦生產班期間的平均每分鐘產量為2.6 t；根據孫重旭式與擴散因子的相關關系，取擴散系數D為7.3×10-10m2/s；落煤在采煤工作面中停留的時間為10 min；根據現場實測，長嶺煤礦C5b煤層的平均粒徑分布：煤體粒徑0～2 mm，占比7%；煤體粒徑2～10 mm，占比31%；煤體粒徑10～50 mm及以上，占比62%。取基質煤體尺度為50 mm，當煤體塊度大于50 mm時，以基質煤體尺度為準。

根據上述條件，對不同粒徑煤體(假設為正方體)進行落煤瓦斯涌出量模擬，其在10 min時的瓦斯含量示意云圖見圖4。

圖4 C5b煤層不同粒徑落煤10 min后瓦斯含量

結合不同粒徑落煤的占比與總的落煤量，對煤體瓦斯含量進行積分，可以求出不同粒徑煤體在0～600 s內不同時間段的瓦斯涌出量，如圖5所示。前期0～2 mm的較細煤粒，其瓦斯快速涌出，100 s 之后，煤粒內瓦斯基本解吸完成，后期增加的瓦斯涌出量較小，瓦斯涌出量占整體落煤瓦斯涌出量的47%；2～10 mm煤粒在整個時間段內均呈現明顯增加趨勢，瓦斯涌出量占整體落煤瓦斯涌出量的45%；10～50 mm煤的比例雖然最大，但其瓦斯涌出量最小，瓦斯涌出量占整體落煤瓦斯涌出量的8%。

圖5 不同粒徑落煤的瓦斯涌出量變化趨勢

根據表1所測數據，生產期間與周期來壓期間工作面煤體瓦斯涌出量取5.65 m3/min，結合不同粒徑落煤的質量與單位涌出量，對落煤涌出量進行積分可得落煤瓦斯涌出量為3.8 m3/min。綜上分析，落煤占整個工作面煤體瓦斯涌出量的67.26%，回采工作面落煤占整個工作面煤體瓦斯涌出量的32.74%。

3 采空區瓦斯濃度分布規律測試與研究

隨著回采工作面的推進，分別沿回風巷與進風巷底板外側布置3個測點，現場觀測和研究152105回采工作面采空區瓦斯濃度分布規律。每個測點布置一根束管(PE-ZKW/8*1)，在檢測端(抽氣端)并齊。測點1～6的束管在鋪設過程中使用3寸鋼管作為保護套管，鋼管之間用法蘭盤對接，用螺栓固定，具體埋管連接如圖6所示。

圖6 C5b煤層工作面采空區埋管連接示意圖

根據測定結果分析采空區瓦斯濃度分布規律，詳細數據見圖7和圖8。

圖7 回風巷采空區瓦斯濃度分布規律

圖8 進風巷采空區瓦斯濃度分布規律

回風巷束管監測數據表明：測點距工作面距離為0～20 m，采空區濃度隨著測點距工作面距離增加逐漸增大，測點距離工作面20 m時，瓦斯濃度達8.4%，測點距離工作面30 m時，瓦斯濃度達到峰值15.8%，隨著工作面不斷推進，當測點距離工作面大于30 m以后，瓦斯濃度隨著測點距離工作面距離的增加不斷增大或逐漸減小，當測點距工作面距離為40 m以后，瓦斯濃度小于8%；進風巷束管監測數據表明：測點距工作面距離為0～30 m，采空區瓦斯濃度為0%；測點距工作面31 m時瓦斯濃度為0.4%；測點距工作面50 m左右，瓦斯濃度達到峰值1.2%。測點距工作面距離為30～50 m距離范圍內，采空區濃度隨著測點距離工作面距離的增加逐漸增大，進風巷側采空區瓦斯濃度受進入采空區的新鮮風流影響，整體瓦斯濃度很低。根據測定結果得到不同距離瓦斯濃度分布規律，為未來指導采空區瓦斯抽采埋管長度提供了合理依據。

4 鄰近層采前采后瓦斯含量測試及涌出量分析

采空區瓦斯主要來源有回采丟煤瓦斯涌出、鄰近層瓦斯涌出及未采分層瓦斯涌出。這幾部分瓦斯隨著采場內的煤層、巖層的變形或垮落而卸壓，按各自的規律涌入采空區，混合到一起。由于C5b煤層開采方式為一次采全高，回采工作面采空區瓦斯主要來源于鄰近層。因此，確定采空區總瓦斯量需要開展鄰近層瓦斯含量測定工作，通過鄰近層采前采后瓦斯含量變化，計算鄰近層涌入采空區的瓦斯總量，進而得到采空區瓦斯涌出量(涌入工作面)占采空區瓦斯總量的比例，為瓦斯治理方案設計提供依據。各煤層煤樣瓦斯含量匯總情況詳見表2。

表2 煤樣瓦斯含量匯總表

根據煤-矸打鉆進尺距離，得到鄰近煤層實際的煤層厚度，實際打鉆過程中，上鄰近層C5a煤層施工穿層鉆孔時煤層進尺0.19 m，下鄰近層C6a煤層施工穿層鉆孔時煤層進尺1.95 m，下鄰近層C6c煤層施工穿層鉆孔時煤層進尺1.10 m，詳細數據見表3。實際進尺鉆桿數據表明152105回采工作面鄰近層C5a煤層實際厚度更薄，鄰近層C6a、C6c煤層實際厚度更厚。

表3 實際鄰近層鉆桿進尺數匯總表

根據鄰近層煤層厚度計算鄰近層煤層瓦斯卸壓量，計算公式如下：

(2)

式中：Q鄰——鄰近層瓦斯涌出量，m3/min；

W含——第i鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；

W殘——第i鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；

Ayi——第i鄰近層受日平均推進影響的卸壓量，t。

將數據代入式(2),計算出C5b煤層開采時鄰近層的絕對瓦斯涌出量，其計算結果見表4。

表4 鄰近層瓦斯涌出量計算表

結果表明：上鄰近層C5a煤層絕對瓦斯涌出量為1.05 m3/min，下鄰近層C6a、C6c煤層絕對瓦斯涌出量為7.02、2.16 m3/min，鄰近層絕對瓦斯涌出量總計10.23 m3/min。下鄰近層C6a煤層瓦斯涌出量占鄰近層瓦斯總涌出量68.62%，而C5a煤層瓦斯涌出量占鄰近層總涌出量10.26%，下鄰近C6a煤層涌入采空區的瓦斯量占主要部分。

5 152105鄰近工作面漏風規律測試與研究

通過現場向C5b煤層152105回采工作面鄰近采空區注入示蹤氣體，實測C5b煤層152105回風巷的示蹤氣體顯現特征，進而確定152104回采工作面采空區瓦斯是否存在透過152104機巷煤壁涌入152105回風巷與采空區的可能性，并對測試結果進行理論分析與數據擬合，分析鄰近采空區漏風規律。

為了確定152105工作面與采空區之間的漏風情況，根據礦井通風測試資料，對測試區域內可能漏風的地點進行全面檢查分析，查找可能進風和出風的漏風通道，以便準確確定釋放地點和取樣地點。根據通風系統圖，最終選擇在03小口釋放SF6，測試過程中將氣體檢漏儀的感應探頭緊貼煤壁，具體位置如圖9所示。

圖9 152105工作面通風系統圖

測量地點選擇在152104運輸巷與152105回風巷之間的煤壁進行全面檢測，測試過程中將氣體檢漏儀的感應探頭緊貼煤壁。

152105工作面回風巷采用示蹤氣體法進行了現場測試，釋放時間為09點30分，釋放地點為03小口，釋放初始壓力為0.01 MPa。檢測位置分別從巷道入口位置開始，每隔5 m進行一次測試，并記錄每次測試的時間、信號強度以及距離巷道出口的距離。根據以上測試結果和氣體泄漏儀對于152105工作面回風巷的報警信號強度匯總，繪制信號檢測強度圖如圖10所示，從圖10可以直觀地看出152105工作面回風巷距工作面10、65、110 m處漏風較為嚴重，50～80 m處漏風較為密集。

圖10 152105回風巷信號檢測強度

SF6漏風風速可以用下式進行計算：

(3)

式中：Vmin——最小漏風風速，m/min；

Lmin——漏風源與漏風匯之間最短的漏風距離，m；

t——從SF6釋放到氣體檢測到SF6所經歷的時間，min。

SF6漏風量的計算：

(4)

式中：Qair——漏風量，m3/min；

n——接收點個數；

Li——接收點距釋放點的距離，m；

ti——釋放時間至接收點初次收到SF6的累計時間，min；

Si——接收點密閉墻斷面積，m2。

開采煤層采空區瓦斯涌出量:

q0=Qair·C

(5)

式中：q0——采空區瓦斯涌出量m3/min；

C——采空區瓦斯涌出濃度，%；

現場漏風源與漏風匯之間最短距離為240 m，檢測到SF6的時間為12點10分，共計160 min，接收斷面面積為6 m2，現場測定采空區瓦斯濃度為10%，綜上計算鄰近工作面老空區絕對瓦斯涌出量為0.9 m3/min，涌出量相對較小。

6 結論

(1)生產期間本煤層瓦斯涌出量占比大于50%，周期來壓期間采空區瓦斯涌出量占比大于50%，在下一步工作中應加強本煤層預抽與采空區瓦斯治理工作。

(2)長嶺煤礦落煤瓦斯解吸具有初始解吸量大、解吸速度快的特征，在保證煤礦安全生產的前提下，盡可能提高落煤運輸速率，減少落煤在工作面放散的瓦斯量。

(3)采空區內部距離工作面位置20～40 m處，瓦斯濃度較高，是理論分析的最佳埋管位置。

(4)長嶺煤礦采空區瓦斯主要來源于鄰近層，對于152105工作面來說，下鄰近層C6a煤層瓦斯涌出量占鄰近層總瓦斯涌出量68.62%，隨著開采條件、地質條件不斷變化，應階段性對鄰近煤層瓦斯參數進行測定，掌握鄰近層瓦斯涌出量變化規律。

(5)盡管152104采空區至152105回采工作面風差為逆向，鄰近采空區瓦斯也會通過擴散的方式少量涌入152015回采工作面，在下一步工作中應考慮采用煤壁噴漿等方式加強煤壁的密封性。