安陽地區(qū)綜放工作面瓦斯涌出及流動(dòng)規(guī)律分析

尹大州 王振宇

摘要：綜放工作面瓦斯涌出及流動(dòng)規(guī)律研究結(jié)合綜放工作面的作業(yè)情況，對(duì)工作面、采空區(qū)的瓦斯涌出及流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，為綜放工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯抽放提供了科學(xué)的理論基礎(chǔ)，對(duì)提高采空區(qū)和上隅角瓦斯抽采效果起到了很好的促進(jìn)作用，具有極好的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：瓦斯涌出；綜放工作面；流動(dòng)規(guī)律；游離瓦斯；吸附瓦斯

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）08-0098-02

1 概述

綜采放頂煤工作面的瓦斯主要來源于工作面頂煤。綜采放頂煤工作面的頂煤厚度往往是工作面采煤機(jī)割煤厚度的2倍以上，加之工作面上下順槽的預(yù)抽鉆孔主要布置在煤層的中底部，使綜放工作面的頂煤成為瓦斯的主要賦存源。綜采放頂煤工作面存在兩個(gè)地應(yīng)力的卸壓區(qū)：煤壁前方0～5m、工作面支架上方。在卸壓區(qū)內(nèi)，煤層的層狀裂隙得到了擴(kuò)張，煤層吸附瓦斯解吸后，沿層狀裂隙向工作面采空區(qū)運(yùn)移，然后從采空區(qū)通過放煤口以及工作面的上隅角涌向工作面，造成工作面瓦斯超限。

2 可行性研究

綜放工作面采空區(qū)治理是制約工作面安全、高效回采的關(guān)鍵因素，綜放工作面瓦斯涌出及流動(dòng)規(guī)律研究是對(duì)綜放工作面瓦斯涌出的途徑、采空區(qū)的瓦斯賦存狀態(tài)和涌出規(guī)律進(jìn)行比較詳細(xì)的分析，為更加科學(xué)地制定采空區(qū)瓦斯抽放措施提供了理論基礎(chǔ)。

3 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容

3.1 綜放工作面瓦斯涌出的途徑

瓦斯在煤層中的賦存狀態(tài)有兩種：一種是游離狀態(tài)，另一種是吸附狀態(tài)。瓦斯含量中絕大多數(shù)為吸附瓦斯量，吸附的瓦斯量約占煤層瓦斯含量的80%～90%。綜放工作面的瓦斯涌出形式屬于普通涌出，即瓦斯從采落的煤炭及煤層的暴露面上，通過細(xì)小的孔隙緩慢而長時(shí)間地涌出，首先是游離瓦斯，而后是部分解吸的吸附瓦斯。

沿工作面推進(jìn)方向，頂煤裂隙發(fā)育和破壞程度可分為4個(gè)破壞區(qū)，自煤壁前方至采空區(qū)方向依次為完整區(qū)、破壞發(fā)展區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和垮落破碎區(qū)。綜放工作面瓦斯涌出的途徑有以下4種：

3.1.1 工作面采落煤炭。工作面采落的煤炭在落煤時(shí)瓦斯涌出速度最大，然后涌出速度逐漸減小，除了煤體內(nèi)殘存瓦斯量以外，煤體內(nèi)絕大多數(shù)瓦斯涌入了工作面空間或工作面風(fēng)流中去。

3.1.2 工作面煤壁。工作面煤壁前方煤體內(nèi)的瓦斯在煤體內(nèi)瓦斯壓力的作用下，向工作面煤壁運(yùn)移，然后自工作面煤壁緩慢涌出，這種涌出可以視為瓦斯單向均勻涌出。

3.1.3 頂部煤炭瓦斯涌向工作面空間。頂部煤炭瓦斯涌向綜放工作面空間有兩個(gè)途徑：一個(gè)是支架卸壓及支架上方煤體水平位造成的支架前端頂煤與煤壁之間的裂隙，一個(gè)是支架上方煤體在工作面空間的裸露面積。由于綜放工作面支架的支撐強(qiáng)度比較富裕，工作面推進(jìn)速度較快，以及在實(shí)際生產(chǎn)中，支架不斷補(bǔ)液，支架前端頂煤與煤壁之間的裂隙并不十分發(fā)育。由于綜放工作面支架幾乎全部掩護(hù)頂部煤體，支架上方煤體在工作面空間的裸露面積很小。因此，頂部煤炭瓦斯涌向工作面空間的瓦斯量較小。

3.1.4 頂部煤炭瓦斯涌向工作面采空區(qū)空間。沿工作面推進(jìn)方向，自煤壁前方到綜放支架頂煤，受采動(dòng)影響，煤體的地應(yīng)力依次可分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、卸壓區(qū)；而在卸壓區(qū)內(nèi)，頂煤裂隙發(fā)育和破壞程度可分為破壞發(fā)展區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和垮落破碎區(qū)；即在煤壁前方的卸壓區(qū)內(nèi)，煤體開始出現(xiàn)破壞，裂隙開始發(fā)育，而在支架上方，由于支架移架等反復(fù)在作用，煤體的裂隙進(jìn)一步發(fā)育，直到進(jìn)入放煤區(qū)，煤體得到充分的破壞。因此，自煤壁前方到綜放支架頂煤放煤區(qū)，煤體瓦斯涌出、吸附瓦斯解吸的速度在逐漸加快，煤體內(nèi)瓦斯運(yùn)移的阻礙在減小，透氣性在增加。所以，加強(qiáng)對(duì)頂部煤體涌向采空區(qū)的瓦斯的抽采和治理，是治理綜放工作面瓦斯的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2 綜放工作面采空區(qū)的瓦斯流動(dòng)

頂部煤體瓦斯通過頂煤裂隙涌向工作面采空區(qū)，然后向采空區(qū)上部漂移。由于綜放工作面開采工藝的特點(diǎn)，使綜放工作面比同采高分層開采工作面的直接頂厚度厚、冒落帶高度高，也造成裂隙帶的層位較高。同時(shí)由于頂煤的滯后放出，當(dāng)直接頂厚度較大時(shí)，易在上位直接頂中形成某種“半拱”式結(jié)構(gòu)。因此，綜放工作面采空區(qū)瓦斯積聚的位置較同采高分層采工作面高，所以，綜放工作面采空區(qū)瓦斯的流動(dòng)受工作面風(fēng)流流動(dòng)的影響較小，隨風(fēng)流帶到工作面空間的瓦斯量較小。綜放工作面采空區(qū)瓦斯主要受工作面上、下安全出口的負(fù)壓差的作用，在采空區(qū)上部沿切頂線附近向上順槽方向漂移，并從工作面上隅角涌出，因此，綜放工作面采空區(qū)瓦斯涌向工作面空間的范圍較小、較集中。

3.3 綜放工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯的賦存形態(tài)

在頂板垮落法管理頂板的工作面采空區(qū)，上覆蓋層自下向上一次分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。

對(duì)于綜放工作面采空區(qū)而言，由于綜放工作面實(shí)際采高很高，冒落帶高度增加，裂隙帶上移，也就造成了上部巖層“應(yīng)力拱”位置上移。而綜放工作面的斜長一般都在150m以上，加上上覆蓋巖層移動(dòng)的垮落角的因素，很難在上下區(qū)段煤體之間的采空區(qū)形成永久的應(yīng)力拱，而是隨著上覆蓋巖層的移動(dòng)，在采空區(qū)中部形成一個(gè)“重新壓實(shí)區(qū)”，隨著綜放工作面的不斷回采，采空區(qū)的范圍不斷增加，重新壓實(shí)區(qū)也不斷地向工作面推采方向擴(kuò)大。重新壓實(shí)區(qū)在采空區(qū)呈條帶分布。

在工作面切眼到中心壓實(shí)區(qū)之間，由于上覆蓋巖層仍在活動(dòng)中，頂板裂隙發(fā)育，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力屬于減壓區(qū)范圍；在上下相鄰區(qū)段煤體與采空區(qū)重新壓實(shí)區(qū)之間，由于相鄰區(qū)段煤體的支撐作用，使相鄰區(qū)段煤體與重新壓實(shí)區(qū)之間的上覆蓋巖層形成應(yīng)力拱，在這一區(qū)域內(nèi)，頂板裂隙大量存在，成為工作面采空區(qū)瓦斯大量積聚的地區(qū)。這兩個(gè)減壓區(qū)環(huán)繞著重新壓實(shí)區(qū)的周圍，被學(xué)術(shù)界稱為瓦斯富集的O形圈。

在O形圈內(nèi)，由于上覆蓋巖層存在大量的裂隙或者空隙，積聚著大量的高濃度瓦斯，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，瓦斯的流動(dòng)性較好，抽放這一區(qū)域內(nèi)的瓦斯，效果好、影響范圍大。淮南礦區(qū)的研究和實(shí)踐證明，相鄰區(qū)段煤體到重新壓實(shí)區(qū)的瓦斯富集區(qū)的寬度，一般為20～30m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

基于上述理論分析，在主焦煤礦22101工作面下順槽設(shè)計(jì)了相鄰高位鉆場(chǎng)，取得了良好效果。單孔平均流量為0.482m3/min，工作面回采期間上隅角的瓦斯?jié)舛染?.7%以下，均沒有出現(xiàn)瓦斯超限的情況。

5 取得的經(jīng)濟(jì)及安全效益

（1）本課題對(duì)綜放工作面瓦斯涌出的途徑、采空區(qū)的瓦斯賦存狀態(tài)和涌出規(guī)律進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，為更加科學(xué)地制定采空區(qū)瓦斯抽放措施提供了理論基礎(chǔ)。

（2）結(jié)合綜放工作面瓦斯涌出和流動(dòng)規(guī)律，在主焦煤礦22101工作面下順槽設(shè)計(jì)了相鄰高位鉆場(chǎng)，單孔平均流量為0.482m3/min，工作面回采期間上隅角的瓦斯?jié)舛染?.7%以下，均沒有出現(xiàn)瓦斯超限的情況。

作者簡介：尹大州（1987—），男，河南夏邑人，供職于安陽鑫龍煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，研究方向：礦井通風(fēng)安全；王振宇（1985—），男，河南永城人，安陽鑫龍煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：科技創(chuàng)新管理。

（責(zé)任編輯：吳 濤）