王家嶺煤礦18103放頂煤工作面瓦斯運移規律分析

張建文，馮家正

(晉能控股煤業集團 山西王家嶺煤業有限公司，山西 保德 036600)

王家嶺煤礦目前正在回采18103工作面。為了有針對性地開展瓦斯治理工作，研究采煤工作面瓦斯涌出來源及瓦斯運移規律具有重大意義。目前國內已有許多學者開展了瓦斯運移規律研究，借助Fluent、COMSOL等軟件模擬采場裂隙發育，提出多種瓦斯運移理論和假說，但這些研究對應用條件有不同的要求，且僅能作為現場考察驗證的輔助手段[1-2]。研究瓦斯涌出規律常用的方法有礦山統計法和分源預測法。礦山統計法要求對本礦井或鄰近礦井實際瓦斯涌出資料統計詳實準確，分析得出礦井瓦斯涌出量與開采深度的變化規律，適用于預測新礦井或新水平瓦斯涌出量；而分源預測法適用于分析采面布置或預測回采前瓦斯涌出量。綜合考慮以上2種方法的優缺點，針對工作面瓦斯來源及瓦斯運移規律，提出采用單元體實測法建立試驗工作面風流場和瓦斯流場模型，通過井下實測和理論分析等手段，確定試驗工作面漏風特征，為確定瓦斯涌出來源提供依據。同時在掌握工作面漏風特征基礎上，結合瓦斯流場模型，掌握采面瓦斯運移規律。

1 工作面基本概況

王家嶺煤業目前核定生產能力為400萬t/a，井田面積為34.447 1 km2。本區位于河東煤田北端，區內構造簡單，地層產狀較為平緩，煤層傾角6°左右，現開采4號煤層，平均總厚7.69 m。歷年瓦斯等級鑒定結果為高瓦斯礦井，Ⅱ類自燃煤層，有煤塵爆炸性，礦井通風方式為中央并列式，通風方法為機械抽出式。18103采煤工作面走向長度為2 175 m，切眼長度為200 m，采用后退式回采和綜采放頂煤采煤法，工作面采用液壓支架控頂，全部垮落法管理頂板，設計采煤機割煤高度3.50 m，放頂煤高度4.19 m，采放比為1∶1.197。回采工作面采用U型通風方式，煤層原始瓦斯含量為2.3～5.6 m3/t。

2 工作面風流場、瓦斯場原理

2.1 單元體幾何模型

工作面瓦斯涌出測定采用單元測定法[3-4]。將工作面劃分為N個微小單元，測定每個單元的風量大小和進出斷面的瓦斯體積分數，累加合成后，即可得出整個工作面風量和瓦斯體積分數的分布情況。為了簡化問題，找出各影響因素之間的關系，在研究工作中一般的做法是去除次要因素，分析主要因素。因此在本研究中，對于透氣性系數、孔隙率等滲流相關的參數以及巷道構置物、水、溫度等宏觀因素均不再體現。據此，建立每個單元體風量、瓦斯平衡幾何模型,如圖1所示。

圖1 單元體風量和瓦斯的幾何模型圖

2.2 單元體數學模型

根據幾何模型和能量守恒定律建立數學模型，確定每個單元體所遵循的瓦斯平衡方程、風量平衡方程為：

(1)

式中：Q進為流進單元的風量，m3/min；Q出為流出單元的風量，即單元體通過的風量，m3/min；Q漏為從采空區流入本單元的漏風量，m3/min；q面為本單元內煤壁、頂底板及煤層的瓦斯涌出量，m3/min；q出為本單元內出風流中總的瓦斯涌出量，m3/min；q進為本單元內進風流中總的瓦斯涌出量，m3/min；q落為本單元內采面落煤及煤壁的瓦斯涌出量，m3/min；q漏為從采空區涌入本單元的瓦斯量，m3/min；q為風流中的瓦斯含量，m3/min；Q為風流的風量，m3/min；φ為風流中的瓦斯體積分數，%。

2.3 工作面瓦斯涌出物理模型

根據U型通風一源一匯的特點，建立流場物理模型,如圖2所示。

圖2 U型通風工作面物理模型圖

由于支架后方采空區巖體垮落形成裂隙通道，主進風過采面時分為采面風和漏風2部分。其中，漏出風為采面向采空區方向的漏風，取“-”；漏進風為采空區向采面的漏風，取“+”。相應地，采空區涌入工作面的瓦斯，取“+”；工作面涌入采空區的瓦斯，取“-”。放頂煤開采時的落煤瓦斯包括煤壁和后架放煤的瓦斯涌出。

3 測定方案及步驟

3.1 測點單元體的劃分

根據上述分析，將工作面分為N個微觀單元體進行研究，然后進行求和，確定整個采面流場和濃度場各項參數的數值。但由于采煤工作面在推進過程中其斷面是動態變化的，無法為本次研究提供可行性分析。因此，為了便于研究，在此忽略微小斷面引起的變化，并根據推進過程中的斷面變化情況，將采煤工作面斷面變化較小且間距為20 m左右的區段作為一個測定單元體，從而將采煤工作面細分成若干個大區段。

18103工作面采面長度為214.5 m，雖然采用膠帶順槽和輔運順槽進風，但在靠近工作面位置處，僅僅使用膠帶順槽進風，因此18103工作面按照U型通風的方式考慮[5-6]，回風順槽為主回風巷。將18103工作面沿走向長度各劃分為10個測定單元，布置12個測站，分別編號為1號～12號測站。其中，1號測站為下隅角，12號測站為上隅角，并在18103膠帶順槽、回風順槽布置2個測站，編號分別為I號、Ⅱ號。本次考察中，由于上、下隅角處的風流不穩定、斷面變化較大，因此這2個測點僅作為參考點，18103工作面測站布置示意圖，如圖3所示。

圖3 工作面測站布置示意圖

根據井下采煤工作面的實際回采情況，最終確定每個測站對應的采煤工作面液壓支架情況，即測站位置，見表1所示。

表1 測站位置表

3.2 測點布置

在采煤工作面2號測站-11號測站中，從煤壁至采空區均勻布置5個測點，分別為1#煤壁頂測點、2#煤壁底測點、3#支柱前測點、4#支架走道測點、5#支架后尾溜測點，測點布置如圖4所示。

1#、2#、3#、4#、5#—瓦斯體積分數測點;h—工作面高度；b—工作面寬度

1#測點和2#測點位于煤壁與采面空間的臨界位置，瓦斯在此充分混合，包括煤壁瓦斯涌出、割煤時的落煤瓦斯涌出(生產班時)及采空區瓦斯涌出。由于瓦斯密度相比空氣小的特性，測定1#測點和2#測點的瓦斯平均體積分數，可反映該單元采面的自然瓦斯涌出量(該數值在檢修班和生產班會有所不同)。3#測點和4#測點位于采煤工作面的中部瓦斯涌出空間，各部分瓦斯涌出在此初步匯合，這2個測點瓦斯含量變化差異較大，僅作為參考測點。5#測點位于采空區與采面空間的交匯位置，由于支架阻擋，測定支架后的瓦斯含量和涌出量可計算采面和采空區的交換瓦斯涌出量。隨漏風的正負變化，采空區瓦斯涌出在采面空間也呈現出不同的變化趨勢。

在測量各測點瓦斯含量的同時，為實現瓦斯涌出量的量化分析，還需對不同單元進風和回風斷面的各個測站的風量大小進行測定。

3.3 測定方法

根據單元測定法原理，對18103工作面每個斷面的1#-5#測點的瓦斯含量、風速、斷面尺寸進行了實測，其中檢修班測定3次，生產班測定4次。膠帶順槽測站所測風量為進風總量，回風順槽測站所測風量為回風總量。測定工具主要為測距儀、礦用機械風速表、光干涉式瓦斯測定儀，分別測定設計位置的斷面尺寸、風速和瓦斯含量。

4 風量結果分析

根據所測數據、單元體瓦斯、風量模型及瓦斯、風量平衡方程，計算每個單元的采空區漏風量Q漏、采空區瓦斯涌出量q漏、煤壁及落煤的瓦斯涌出量q面。分析U型通風采煤工作面風流場和瓦斯場的運移規律[7-8]。風量可按式(2)計算，計算后可得每個測定單元體的漏風量。采煤工作面漏風情況如表2所示，采煤工作面測定單元漏風分布特征如圖5所示。由表2和圖5可知,采煤工作面漏風區域的分布特征[9-10]。在本次觀測過程中，工作面下隅角漏風嚴重，測定的最大值為1 383 m3/min，平均值為1 066 m3/min。同時在6、8、11、12單元范圍內采煤工作面往支架后方采空區存在明顯漏風現象，測定的最大值為711 m3/min，平均值為211 m3/min。在2和7單元范圍內采煤工作面往支架后方采空區漏風較少，且出現反風現象(即支架后方采空區往采煤工作面漏風)，測定的最大值為648 m3/min，平均值為243 m3/min。

圖5 采煤工作面測定單元漏風分布特征

表2 采煤工作面5次測定13個單元漏風結果(m3·min-1)

Q漏=Q出-Q進.

(2)

測點在采煤工作面不同位置處所測風量和有效風率的變化如圖6所示。由圖6可得出有效風率，即工作面采煤沿程各測點的風量占機頭主進風量的比例，從圖中可知有效風率基本保持在60%以上。經實測，回風順槽距離工作面15 m處的總回風量約3 100 m3/min，有效風率為100.3%，同時工作面各單元平均有效風率為72%，且工作面各單元漏風量之和約110 m3/min。

圖6 采煤工作面沿程各測點對應的有效風率

5 結果分析

5.1 采煤工作面瓦斯場量化分析

根據單元法原理，第i個單元的瓦斯涌出量計算公式為：

qi單=qi落+qi漏

(3)

第i個單元的煤壁及落煤的瓦斯量計算公式為：

qi落=qi出-qi進

(4)

第i個單元體流出或流進的瓦斯量計算公式為：

(5)

第i個單元的采空區漏風瓦斯量計算公式為：

qi漏=Qi漏·φi5

(6)

式中：qi單為第i個單元的瓦斯涌出量，m3/min；qi出為第i個單元流出的瓦斯量，m3/min；qi進為第i個單元流進的瓦斯量，m3/min；qi落為第i個單元煤壁及落煤瓦斯量，m3/min；qi漏為第i個單元采空區漏風瓦斯量，m3/min；qi出/i進為第i個單元體流出或流進的瓦斯量，m3/min；Qi為第i個單元體實測風量，m3/min；φi1為第i個單元體1#測點瓦斯體積分數，%；φi2為第i個單元體2#測點瓦斯體積分數，%；φi3為第i個單元體3#測點瓦斯體積分數，%；φi4為第i個單元體4#測點瓦斯體積分數，%；φi5為第i個單元體5#測點瓦斯體積分數，%；Qi漏為第i個單元體采空區漏風量，m3/min。

工作面煤壁及落煤瓦斯涌出總量為各單元體煤壁及落煤瓦斯涌出量的總和，工作面采空區瓦斯涌出總量為各單元體采空區瓦斯涌出量的總和，工作面總瓦斯涌出量為工作面煤壁及落煤瓦斯涌出總量和工作面采空區瓦斯涌出總量之和。

對18103工作面實測數據進行處理，采空區瓦斯涌出量、落煤及煤壁瓦斯涌出量和回采工作面總瓦斯涌出量的計算結果如表3所示。從表3和圖7可知，有時支架采空區往工作面漏風會帶入一部分瓦斯，有時會從工作面帶走一部分瓦斯，但是落煤及煤壁涌出量基本變化不大。

表3 18103工作面采面瓦斯涌出數據處理結果

圖7 工作面瓦斯分布特征

5.2 U型通風系統工作面瓦斯場分析

根據工作面各單元測點瓦斯體積分數進行處理。煤壁頂和煤壁底2個測點(即1#測點和2#測點)瓦斯體積分數取平均值，以分析工作面中部空間區域體積分數的流場變化。支架前和支柱間人行過道2個測點(即3#測點和4#測點)瓦斯體積分數取平均值，以分析工作面中部空間區域體積分數的流場變化。支架后5#測點以分析支架后部采空區瓦斯體積分數的流場變化。處理后的檢修班和生產班各單元采面不同空間瓦斯體積分數變化趨勢如圖8和圖9所示。

圖8 檢修班工作面傾向方向瓦斯體積分數變化趨勢

圖9 生產班工作面傾向方向瓦斯體積分數變化趨勢

從圖中可以看出，檢修班和生產班在采面前、中、后空間瓦斯體積分數流場變化有明顯差異。

1)檢修班不割煤生產時，采面100～160 m區域煤壁附近瓦斯體積分數上漲速度較快；采面100～160 m區域中部的瓦斯體積分數上漲速度相對較快；采面120～180 m區域支架后部采空區的瓦斯體積分數上漲速度較快。

2)檢修班期間，整個工作面煤壁區域、中間區域、架后采空區區域的最高瓦斯體積分數分別為0.16%、0.17%和0.28%。

3)生產班期間，整個工作面煤壁區域、中間區域、架后采空區區域的最高瓦斯體積分數分別為0.67%、0.86%和1.34%。

4)生產班期間，采面160～200 m區域煤壁瓦斯體積分數上漲速度較快，這主要是采煤割煤時落煤和新鮮煤壁瓦斯涌出較多造成的；采面100～200 m區域支架后部采空區的瓦斯體積分數上漲速度較快，主要是由于架后放煤瓦斯涌出增多造成的，且支架后部為微風空間，風排瓦斯能力較小[11-12]。

6 結論及建議

6.1 結論

1)工作面采用U型通風，大致符合一源一匯裂隙區域流場分布特征，存在明顯漏風現象，工作面平均有效風率為72%。

2)根據采面漏風區域的分布特征，在前40 m范圍內采煤工作面往支架后方采空區漏風嚴重，漏風量大；在40～180 m范圍內采煤工作面往支架后方采空區漏風很少，且出現反風現象(即支架后方采空區往采煤工作面漏風)，同時靠近上隅角20 m區域由于使用了風障也出現一定程度的反風。

3)采面不生產時，靠近回風側中部和尾部的煤壁、支架后部的瓦斯體積分數較大。

4)采面生產時，生產落煤和新鮮煤壁瓦斯涌出較多，采面靠近回風側尾部煤壁瓦斯體積分數較高。

5)采面生產時，受支架后部放煤瓦斯涌出增多、風排瓦斯能力小的影響，采面靠近回風側中部和尾部架后采空區的瓦斯體積分數較大。

6.2 建議

1)建議在采煤工作面上、下隅角采取封堵措施，可壘黃土袋墻或其他快速密閉材料，減少采空區漏風，降低漏風從采空區帶到工作面作業空間的瓦斯量。

2)合理配置采煤工作面的供風量，在保證采煤工作面瓦斯含量不超限的情況下，降低采煤工作面的配風量，縮小工作面采空區漏風流場，減少影響范圍。

3)加強采空區和鄰近層的瓦斯抽采，可采用在工作面回風側頂板裂隙帶布置高抽巷或大直徑頂板走向長鉆孔，配合采空區埋管抽采的方法加大抽采量，對采煤工作面瓦斯治理有非常好的效果。