“三軟”煤層煤巷工作面瓦斯涌出規(guī)律分析

摘要：在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過對(duì)掘進(jìn)后的巷道進(jìn)行煤壁及落煤的瓦斯涌出量的準(zhǔn)確、有效的計(jì)算，有針對(duì)性的對(duì)預(yù)掘巷道的煤層瓦斯賦存情況及已掘巷道的落煤及煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行定量分析研究，旨在探索在對(duì)該煤層煤巷掘進(jìn)工作時(shí)，其工作面瓦斯涌出的相關(guān)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：瓦斯參數(shù) 三軟 瓦斯涌出 煤層 工作面 定量分析

中圖分類號(hào)：TD713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（c）-0099-02

裴溝煤礦具有50年發(fā)展歷史的國有煤礦，礦井核定生產(chǎn)能力2.05Mt/a，主采煤層為二煤。裴溝礦31131上巷在掘進(jìn)過程中瓦斯絕對(duì)涌出量達(dá)3.5 m3/min以上，配風(fēng)量達(dá)750 m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫恢碧幱?.4%左右，由于該處的煤層松軟極不穩(wěn)定，并給鉆孔施工造成困難，形不成有效的瓦斯釋放空間和瓦斯通道，其抽放的效果比較差，并在施工過程中多次出現(xiàn)了逼近瓦斯超限的預(yù)警現(xiàn)象，故此，探索該煤層煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出的相關(guān)規(guī)律，這對(duì)煤礦企業(yè)礦井的高效、安全生產(chǎn)，極具現(xiàn)實(shí)意義。

由于裴溝礦屬于典型的豫西“三軟”煤層，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層內(nèi)瓦斯賦存及涌出機(jī)理呈現(xiàn)出多樣化特征。本文按照理論與實(shí)際工作相結(jié)合的基本思路，得出礦井巷道掘進(jìn)期間的瓦斯涌出的一般性規(guī)律。

1 礦井瓦斯涌出機(jī)理

一般來說，掘進(jìn)煤壁瓦斯和掘進(jìn)落煤瓦斯幾乎涵蓋了礦井掘進(jìn)區(qū)瓦斯的所有來源，二者的涌出強(qiáng)度可以作為掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量的決定性因素。煤層內(nèi)部呈現(xiàn)的多孔隙以及不同程度的裂隙結(jié)構(gòu)為氣體流通提供了極為方便的通道條件。在對(duì)巷道掘進(jìn)過程中，如果在巷道周圍煤層內(nèi)的瓦斯壓力平衡狀態(tài)持續(xù)遭到破壞之后，其瓦斯壓力將會(huì)重新進(jìn)行分布，煤層內(nèi)瓦斯會(huì)呈出現(xiàn)滲透性增加從而形成了卸壓帶。煤體內(nèi)部到煤壁間由于存在著不同程度的瓦斯壓力梯度，這就造成了瓦斯涌出強(qiáng)度伴隨著煤壁暴露時(shí)間的不斷延長而降低，這也就是說，煤壁瓦斯涌出的強(qiáng)度就是暴露時(shí)間的函數(shù)。

1.1 巷道掘進(jìn)工作面的風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)

在對(duì)巷道掘進(jìn)工作中，此期間會(huì)因多種因素導(dǎo)致風(fēng)流的多向性及其不穩(wěn)定性，最終引發(fā)了瓦斯涌出時(shí)也呈現(xiàn)出不均勻性。故此，我們?cè)趯?duì)掘進(jìn)工作面瓦斯具體分布情況全面考察時(shí)，充分利用現(xiàn)代的監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出施以詳細(xì)、大量的定點(diǎn)與不定點(diǎn)以及多探頭的連續(xù)性監(jiān)測。與此同時(shí)，我們還全面考慮到了受到風(fēng)流影響以及相關(guān)瓦斯來源等因素的客觀影響，把掘進(jìn)工作面向外大致分為三種：（1）風(fēng)流不穩(wěn)定區(qū)；（2）風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)；（3）折返區(qū)。掘進(jìn)工作面瓦斯的最主要是來自距掘進(jìn)工作面5m內(nèi)的區(qū)域。當(dāng)落煤或是新暴露的煤壁有大量瓦斯被釋放出來時(shí)，該區(qū)域內(nèi)風(fēng)筒吹出風(fēng)流在突然遇到煤壁的時(shí)候會(huì)發(fā)生迅速折返情況；而在距工作面5～10m左右的區(qū)域內(nèi)，則是新煤壁且暴露時(shí)間短，故此，仍會(huì)有大量的瓦斯被釋放出來；而10m之外的風(fēng)流瓦斯則明顯呈現(xiàn)出趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，即便其在擴(kuò)散后也呈現(xiàn)出相對(duì)均勻的分布。由此可以合理推斷出，此段瓦斯量最大，基本上匯集了整個(gè)工作面的瓦斯，對(duì)此段的瓦斯測量、預(yù)防事故的發(fā)生尤為重要，需要重點(diǎn)關(guān)注。

1.2 煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度測定

我們?yōu)榱藴?zhǔn)確地計(jì)算和確定煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與時(shí)間的所對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，并且利用煤壁的瓦斯涌出強(qiáng)度通過實(shí)測來進(jìn)行研究，其測定步驟：

（1）沿掘進(jìn)方向布置A，B，C和D四個(gè)測站，其中D測站距工作面迎頭50～100m左右，C測站距工作面迎頭150～200m左右，B測站距工作面迎頭250～300m左右，D測站距回風(fēng)口3～5m左右。全面對(duì)各巷道斷面積進(jìn)行測定，并科學(xué)、合理、有效地確定各相鄰測站之間各個(gè)暴露煤壁面積及暴露時(shí)間的平均值，并加以詳細(xì)測算。

（2）定時(shí)對(duì)各相鄰測站的瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)量進(jìn)行測定。

當(dāng)巷道高度h>平均煤厚時(shí)，單位面積煤壁瓦斯涌出量可用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

（1）

1.3 整理數(shù)據(jù)，建立經(jīng)驗(yàn)公式

我們?cè)谕ㄟ^上述方法得到各測站的單位面積上的煤壁瓦斯涌出量、巷道斷面積以及相關(guān)的巷道掘進(jìn)時(shí)間等數(shù)據(jù)。并充分地對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、合理的處理與分析，并將分析結(jié)果進(jìn)行匯總（表1）。

該礦的瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時(shí)間呈現(xiàn)出一種近似為雙曲線關(guān)系，而復(fù)對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中則呈現(xiàn)出線性關(guān)系，具體表示見公式：

（2）

再將（1）～（2）公式化成線性方程：

（3）

q2和t為各測站的測定值。

我們則通過對(duì)數(shù)據(jù)處理之后所得出的曲線算得n對(duì)測定值，并將其全部代入（1）～（3）公式，則可以得到n個(gè)測定方程：

（4）

（5）

m為正數(shù)。

將（4）公式與（5）公式聯(lián)立求解，運(yùn)用最小二乘法，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入雙曲線回歸，計(jì)算各回歸相關(guān)系數(shù)大小的標(biāo)準(zhǔn)差。q0=4.943m3/（m2·d），α=0.6581，煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度可表示為：

（6）

1.4 全面分析巷道長度、暴露時(shí)間、煤壁瓦斯涌出三者之間的關(guān)聯(lián)

實(shí)際工作中，煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，它會(huì)受到時(shí)間的影響，即隨時(shí)間延長而降低，這就可以證明出，煤壁瓦斯排放過程在理論上講雖然是無限的，而實(shí)際卻是在其暴露了一段時(shí)間之后，且掘進(jìn)長度達(dá)到了極限值時(shí)，巷道內(nèi)的瓦斯涌出量也會(huì)保持在一個(gè)最大穩(wěn)定值。即大部分存于巷道煤體內(nèi)瓦斯將會(huì)在煤壁暴露后幾個(gè)月之內(nèi)涌出。見表2。

通過計(jì)算得出，煤壁瓦斯極限涌出量的80%以上，是被1個(gè)月的掘進(jìn)巷道瓦斯涌出總量所占據(jù)。在實(shí)際的掘進(jìn)工作中，巷道暴露3～4個(gè)月時(shí)，在掘進(jìn)175～245m左右，巷道煤壁瓦斯涌出量事實(shí)上已經(jīng)基本達(dá)到最大極限值，既使再繼續(xù)增加巷道長度時(shí)，其總體的煤壁瓦斯涌出量卻呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。其掘進(jìn)極限長度Lmax由下式確定：

（7）

其中t代表90～120 d，v為月平均掘進(jìn)速度。

2 效果評(píng)估

（1）煤壁瓦斯涌出量

（8）

Q1-1—煤壁瓦斯涌出量；D—暴露煤面的周邊長度；D=2m0，m0為開采厚度，這里m0取煤厚平均值5.1m；V—平均掘進(jìn)速度；L—巷道長度；q0—初始瓦斯涌出速度。

（9）

其中：a—常數(shù)，取0.026；X—煤層瓦斯含量；Vdaf—煤的揮發(fā)分。

（2）煤巷落煤瓦斯涌出量

（10）

Q1-2—掘進(jìn)煤巷落煤瓦斯涌出量；S—掘進(jìn)煤巷斷面積；V—巷道平均掘進(jìn)速度；ρ—煤的密度；X—煤的原始瓦斯含量；Xc—煤的殘存瓦斯含量。

m3/t （11）

—純煤瓦斯殘存量；A—煤中灰分含量；W—煤中水分含量。

掘進(jìn)煤巷的瓦斯涌出總量，則可得出：

（12）

通過所搜集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明：巷道絕對(duì)瓦斯涌出量與我們理論推算值相符。

3 結(jié)語

本文依據(jù)礦井瓦斯涌出機(jī)理，根據(jù)掘進(jìn)工作面風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)、煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度測定以及通過測定數(shù)據(jù)的整理和經(jīng)驗(yàn)公式的建立和巷道長度、暴露時(shí)間與煤壁瓦斯涌出的關(guān)系幾個(gè)方面，分析得出關(guān)于煤巷工作面掘進(jìn)過程中的相應(yīng)的瓦斯涌出規(guī)律。通過在實(shí)際工作中的效果考察，全面印證了其規(guī)律分析的正確性，并取得了較好的效果。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們通過對(duì)掘進(jìn)后的巷道進(jìn)行煤壁及落煤的瓦斯涌出量計(jì)算，在瓦斯增高區(qū)域有針對(duì)性的對(duì)預(yù)掘巷道的煤層瓦斯賦存情況及已掘巷道的落煤及煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行定量分析研究，提前采取防突措施，不僅降低了瓦斯無預(yù)兆超限發(fā)生幾率，還可以統(tǒng)籌安排降低瓦斯措施和掘進(jìn)施工的時(shí)間關(guān)系，科學(xué)、合理、有效安排，全面提高了礦井生產(chǎn)率。

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