高瓦斯煤層綜放工作面瓦斯運移規(guī)律實測研究

張延斌，秦子晗，于新河，幺洪武，尹立軍

(1.遼源礦業(yè)集團公司，吉林遼源136201; 2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013; 3.吉林省龍家堡礦業(yè)有限責任公司，吉林長春130000)

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高瓦斯煤層綜放工作面瓦斯運移規(guī)律實測研究

張延斌1，秦子晗2，于新河3，幺洪武3，尹立軍3

(1.遼源礦業(yè)集團公司，吉林遼源136201; 2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013; 3.吉林省龍家堡礦業(yè)有限責任公司，吉林長春130000)

［摘要］以某礦S2205綜放工作面為例，通過長期現(xiàn)場觀測并結(jié)合數(shù)值模擬對綜放工作面的瓦斯涌出規(guī)律進行研究，得到S2205工作面瓦斯涌出量的不同來源及各自所占比例，其中采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出量約占到工作面風排瓦斯涌出量的48.1%。同時對開采初期和正?；夭善陂g的瓦斯涌出變化情況進行了統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出量的變化與工作面礦壓顯現(xiàn)有著直接的聯(lián)系，基本頂?shù)目迓湓斐晒ぷ髅媲胺矫后w裂隙擴大和增加，并擠壓采空區(qū)而導致瓦斯涌入工作面，造成工作面瓦斯涌出量的增大甚至超限。通過對綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律的分析，可以為高瓦斯綜放工作面的瓦斯防治提供指導依據(jù)。

［關鍵詞］綜放開采;瓦斯運移規(guī)律;瓦斯涌出量

［引用格式］張延斌，秦子晗，于新河，等.高瓦斯煤層綜放工作面瓦斯運移規(guī)律實測研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 81－84，94.

綜放開采因其高產(chǎn)高效、生產(chǎn)集中、成本低等優(yōu)點已經(jīng)在我國得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。但是綜放開采技術(shù)存在一些安全方面的問題，特別是在一些高瓦斯礦井中，隨著采深的進一步加大，煤層瓦斯含量增加，受瓦斯的影響也越來越嚴重，同時工作面開采強度的不斷加大，也使工作面面臨瓦斯超限和積聚的問題［1－2］。

綜放開采時必然引起采場應力變化與重新分布，使得綜放工作面不同區(qū)域與空間內(nèi)煤巖體發(fā)生變形、位移、破壞，從而影響著工作面不同區(qū)域與空間的瓦斯賦存狀況及運移特征［3－4］。因此，弄清和掌握工作面巖層變形、移動、破壞規(guī)律以及采動對瓦斯涌出規(guī)律的影響，對于研究高瓦斯厚煤層綜放工作面不同空間與區(qū)域的瓦斯分布規(guī)律是非常必要的。本文以某礦S2205綜放工作面為研究對象，對高強度開采條件下高瓦斯厚煤層工作面的瓦斯涌出量的組成成分進行分析，并針對開采過程中礦山壓力顯現(xiàn)與瓦斯涌出規(guī)律的關系進行了研究，為厚煤層和高瓦斯條件下選擇合適的開采工藝、治理工作面瓦斯超限和防治煤與瓦斯突出提供理論依據(jù)。

1　工程概況

S2205工作面所屬某礦設計生產(chǎn)能力6.0Mt/a，主采3號煤層，平均煤厚為5.99m，煤層賦存穩(wěn)定，夾矸0～3層，一般1層，厚0.27m，屬結(jié)構(gòu)簡單至較簡單煤層。直接頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為中砂巖，直接底為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細粒砂巖。

根據(jù)3號煤層甲烷含量等值線圖，經(jīng)計算該礦的相對瓦斯涌出量為12m3/t，屬高瓦斯礦井。S2205工作面位于井田南翼，采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法。工作面切眼傾斜長265.1m，煤層平均厚度5.37m，工作面采高(3.2±0.1) m，循環(huán)進度0.8m，頂煤平均厚度2.17m。工作面采用“兩進兩回”的通風系統(tǒng)，即膠帶巷和進風巷進風，回風巷和瓦排巷回風，在瓦排巷和回風巷間每隔50m掘一貫眼，工作面推進至貫眼時將其打開，用于增加風排瓦斯能力。工作面布置情況見圖1。

圖1　S2205工作面采掘平面布置

2　S2205工作面瓦斯來源分析

2.1綜放工作面瓦斯來源組成

根據(jù)現(xiàn)場開采條件及瓦斯在煤巖層賦存情況，一般情況下在綜放工作面中，其瓦斯主要來源有:開采的本煤層和鄰近的其他煤層［5］。而根據(jù)S2205工作面地質(zhì)資料，3號煤層上下沒有其他煤層存在，因此涌出瓦斯來源主要來自本煤層開采，具體組成包括以下3個方面。

(1)工作面煤壁瓦斯涌出在開采過程中，由于采煤機割煤，使得不斷有新煤壁被揭露出來，而賦存于煤體內(nèi)的瓦斯便會解吸釋放，隨著煤壁的暴露而涌入采場空間。另一方面，由于工作面回采造成頂板的垮落，產(chǎn)生的頂板壓力作用于工作面頂煤和前方煤體，使其發(fā)生破壞卸壓，透氣性增加。隨著工作面不斷推進，瓦斯沿著煤體內(nèi)產(chǎn)生的裂隙不斷涌入工作面，表現(xiàn)為工作面持續(xù)穩(wěn)定的瓦斯涌出量。

(2)采放落煤的瓦斯涌出主要來自兩部分，一部分是由于煤壁采落的煤炭呈松散狀態(tài)，其中的游離瓦斯和部分吸附瓦斯隨風流逸散;另一部分在頂煤冒放時，由于頂煤冒落，其中的瓦斯會在較短的時間內(nèi)釋放出來，從而表現(xiàn)為在放煤口附近的瓦斯瞬間涌出。

(3)采空區(qū)遺煤的瓦斯涌出采空區(qū)內(nèi)的瓦斯是工作面瓦斯涌出量的重要組成部分。由于S2205工作面采用綜放工藝，采空區(qū)內(nèi)不可避免地存在大量遺煤，其中的瓦斯隨著時間延續(xù)持續(xù)釋放，并有部分瓦斯隨著風流或頂板下沉擠壓而進入工作面，從而引起工作面瓦斯涌出量增加。

2.2 S2205工作面瓦斯涌出量成分分析

2.2.1采空區(qū)內(nèi)風流運移模擬

S2205工作面采用“兩進兩回”的通風系統(tǒng)，其中進風巷通過輔助切眼與瓦斯巷相連，運輸巷通過工作面與回風巷和瓦排巷相連。針對上述情況，采用COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真軟件進行分析，并根據(jù)工作面地質(zhì)采礦條件、煤層賦存情況、工作面回采工藝及參數(shù)、通風方式，將數(shù)值模擬模型進行簡化，見圖2。

圖2　S2205工作面巷道風速模型

數(shù)值仿真軟件利用采空冒落區(qū)的氣體流場方程建立采空區(qū)數(shù)值模型，并進行計算。圖3為S2205工作面采空區(qū)內(nèi)的風流矢量圖。

圖3　S2205工作面采空區(qū)風流矢量

從圖3看出，在靠近工作面端頭附近，由于支架及煤壁的支承作用，上方頂板不能及時垮落，很容易形成支撐空間，因此，有大量的新風從進風巷漏入采空區(qū)。漏入采空區(qū)內(nèi)的風流對瓦斯進行稀釋、混合后，又在通風負壓作用下，從工作面上隅角及尾巷流出，這是造成工作面附近采空區(qū)的瓦斯?jié)舛容^低，而上隅角瓦斯?jié)舛雀叩闹苯釉?。在距采面較遠的采空區(qū)內(nèi)，瓦斯由于受壓差的作用，一部分會向風流中轉(zhuǎn)移，直到進入回風及尾巷被風流帶走。從風流在工作面的運移情況來看，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯對整體工作面的瓦斯涌出有著重要影響。

2.2.2 S2205工作面瓦斯涌出量成分估算

S2205工作面采空區(qū)由于無法進入，而瓦斯涌出又十分復雜，因此無法直接測量其瓦斯涌出量，只能采用間接法預測、推算采空區(qū)的瓦斯涌出量。在對S2205工作面的長期監(jiān)測過程中，在2月12日至2月20日期間，工作面停產(chǎn)放假，工作面沒有新暴露煤壁和采放落煤的瓦斯涌出，因此此時的瓦斯涌出量最接近采空區(qū)瓦斯的涌出量。該時段的瓦斯涌出量如圖4所示，其中在工作面瓦斯涌出量中包括了瓦斯抽采系統(tǒng)中的抽采部分，每天的瓦斯抽采量基本不變，大約為10m3/min。

圖4　工作面瓦斯涌出量與產(chǎn)煤量關系曲線

在計算過程中，選取停產(chǎn)5d以后的瓦斯涌出量，因為此時揭露的煤壁已暴露較長時間，煤體內(nèi)瓦斯已基本釋放，此時巷道兩幫煤體內(nèi)的瓦斯涌出量可忽略不計。因此，此時的瓦斯涌出量基本可以認定為采空區(qū)的瓦斯涌出量。通過數(shù)據(jù)分析，停產(chǎn)5d后，工作面的瓦斯涌出總量降到了29.3m3/ min，去掉瓦斯抽采部分，得到此時的風排瓦斯量19.3m3/min。根據(jù)前述分析，此時可認為該數(shù)值近似為采空區(qū)的瓦斯涌出量19.3m3/min。根據(jù)停產(chǎn)前正?；夭晒ぷ髅娴耐咚蛊骄砍隽繛?0.1m3/ min，由此可以推斷，采空區(qū)瓦斯涌出量約占整個工作面瓦斯涌出量38.5%。如果去掉工作面瓦斯抽采的部分，則采空區(qū)瓦斯涌出量占到工作面風排瓦斯量的48.1%。

通過計算工作面停產(chǎn)時期瓦斯涌出量的減少值，即可得到由于新揭煤壁和采放落煤產(chǎn)生的瓦斯涌出量，取停產(chǎn)后第5天瓦斯涌出量與停產(chǎn)前10d的平均瓦斯涌出量進行計算，瓦斯涌出量減少了20.8m3/min，減少量可以近似認為由工作面新揭煤壁和采放落煤產(chǎn)生的瓦斯涌出量，該部分約占工作面風排瓦斯量的51.9%。

上述方法利用工作面停產(chǎn)期間及停產(chǎn)前后的瓦斯涌出量進行對比分析，可以近似得到綜放工作面瓦斯涌出量各部分所占的比例，對以后的瓦斯防治工作有一定的指導作用。

3　S2205工作面瓦斯涌出規(guī)律分析

為研究綜放工作面的瓦斯涌出規(guī)律，從S2205工作面開始回采時即開始對瓦斯涌出量進行實時監(jiān)測，根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合回采過程中工作面支架工作阻力變化情況，對綜放工作面回采過程中的瓦斯涌出情況進行了研究。

3.1開采初期巷道瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

開采初期的觀測從S2205工作面開始回采至初次來壓結(jié)束，期間工作面推進55m，觀測期間，該工作面經(jīng)歷了初次放頂和基本頂初次來壓2個階段，工作面的瓦斯?jié)舛茸兓€如圖5所示。

圖5　開采初期瓦斯?jié)舛惹€

從圖5中可以看出，在工作面初采期間，工作面瓦斯?jié)舛扔兄黠@變化。在12月12日，回風巷和瓦排巷的瓦斯?jié)舛冗_到了0.8%，為當時的最高值;而在12月22日時，S2205工作面回風巷的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)了第2個峰值，接近1%。從工作面回采的現(xiàn)場情況來看，在該階段，瓦斯?jié)舛鹊淖兓c工作面頂板垮落情況及來壓情況有著密切聯(lián)系。

工作面自切眼開始推進后，隨著推采距離的增加，頂煤與直接頂開始出現(xiàn)垮落、破壞，采場圍巖受到采動影響，產(chǎn)生了剪切及拉伸破壞。伴隨著頂煤卸壓破壞，賦存在本煤層中的瓦斯從中解吸出來，并沿著采動引起的頂煤裂隙通道向工作面涌入，造成回風巷上隅角瓦斯?jié)舛壬仙?，形成瓦斯涌出量的?次高峰。當工作面推進到一定距離后，隨著頂煤冒落和直接頂巖層的垮落，基本頂巖梁懸頂長度達到了極限垮距，工作面前方煤體的采動影響范圍及程度也進一步擴大，而頂煤中的裂隙也更加發(fā)育，工作面煤壁前方煤體卸壓范圍進一步增大，造成賦存其中的瓦斯大量涌入回采空間，另外，基本頂斷裂過程中將產(chǎn)生動壓載荷，加劇了煤體中吸附瓦斯的進一步解吸，同時，動載對頂煤及采空區(qū)造成擠壓，使得其中的大量游離瓦斯沿裂隙通道向工作面涌入，形成了工作面瓦斯涌出量的第2次高峰。在該階段，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍欢冗_到了1.0%，造成斷電閉鎖。

3.2回采期間工作面瓦斯涌出規(guī)律

根據(jù)前述分析發(fā)現(xiàn)，煤體內(nèi)瓦斯的解吸與頂板活動規(guī)律相互關聯(lián)。通過對S2205工作面絕對瓦斯涌出量的長期統(tǒng)計，并將其與工作面支架的工作阻力對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，瓦斯絕對涌出量與工作面礦山壓力呈明顯的相關關系，圖6是工作面絕對瓦斯涌出量與支架工作阻力及推進度的關系。

根據(jù)圖6并結(jié)合現(xiàn)場情況分析發(fā)現(xiàn)，在12月 20日前后，基本頂初次來壓，來壓后工作面風排瓦斯涌出量由32.1m3/min增加到38.5m3/min，初次來壓時絕對瓦斯涌出量與來壓前相比增加了近20%。

圖6　工作面絕對瓦斯涌出量與支架工作阻力及推進度的關系

根據(jù)頂板垮落規(guī)律并結(jié)合瓦斯涌出數(shù)據(jù)分析，工作面回采過程中，當直接頂初次垮落時，瓦斯涌出量有一個上升的趨勢，這是由于頂煤中裂隙場中裂隙張開，為瓦斯解吸及滲流提供了良好的條件，當直接頂初次垮落之后，瓦斯涌出量有所降低;之后隨著工作面不斷推進和開采空間范圍的增大，采場中裂隙場逐漸發(fā)育，瓦斯涌出量也隨之增大，在初次來壓時達到最高，之后又有下降趨勢。從總體來看，在開采初期瓦斯涌出量隨著工作面的推進而不斷增加，最后趨于穩(wěn)定。

初次來壓后，工作面每向前推進一定距離后，絕對瓦斯涌出量有增大的趨勢，其距離與工作面1倍周期來壓步距基本相當。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，來壓前工作面風排瓦斯量平均為35.0m3/min，來壓后平均值達到45.2m3/min，來壓后絕對瓦斯涌出量是來壓前的1.3倍。由前面分析并結(jié)合圖6可知，工作面在推進過程中，瓦斯涌出量呈現(xiàn)周期性變化的特點:在工作面來壓前，瓦斯涌出量呈相對減小的趨勢，來壓結(jié)束后，瓦斯涌出量大幅度增加，瓦斯涌出量時間周期與工作面來壓周期基本相等，瓦斯涌出量峰值時間一般滯后于采場壓力峰值1d。

瓦斯涌出量發(fā)生變化的主要原因是頂板周期來壓期間，工作面前方煤體受力增加，裂隙和空隙受壓閉合，煤體透氣性變差，瓦斯運移通道受阻，從而造成涌出量相對降低。在基本頂周期性垮斷后，使得工作面前方煤體受力降低，原有裂隙開始張開擴大，由此使煤體內(nèi)瓦斯逸散。同時由于頂板回轉(zhuǎn)下沉，使得采空區(qū)部分壓實，從而使瓦斯驅(qū)趕至工作面，進一步造成工作面來壓期間瓦斯涌出量增加。

5　結(jié)論

(1) S2205綜放工作面的瓦斯涌出量主要由3部分組成:新揭煤壁、采放落煤和采空區(qū)遺煤。其

中，新揭煤壁和采放落煤的瓦斯涌出量約占風排瓦斯總量的51.9%。而采空區(qū)內(nèi)隨風流進入采場的瓦斯約占工作面風排瓦斯總量的48.1%。

(2)綜放開采初次來壓前，頂煤和直接頂初次垮落后，工作面瓦斯涌出量達到開采初期的最高值，即第1次高峰。隨著工作面繼續(xù)回采，基本頂巖梁懸頂長度達到極限跨距時，斷裂破壞產(chǎn)生初次來壓，進而對頂煤及采空區(qū)產(chǎn)生擠壓，使得瓦斯涌出量急劇增加，形成了工作面瓦斯?jié)舛鹊牡?次高峰。

(3)瓦斯的絕對涌出量與采場礦山壓力有明顯的對應關系，瓦斯涌出量與頂板周期來壓基本同步，呈周期性變化，其瓦斯涌出量峰值滯后于采場壓力峰值1d左右，來壓后絕對瓦斯涌出量達到來壓前的1.3倍。由此說明綜放面瓦斯涌出量的快速增加是礦山壓力的一種顯現(xiàn)特征，實際生產(chǎn)中可根據(jù)頂板周期來壓情況進行瓦斯涌出的預測。

(4)針對S2205工作面瓦斯來源及涌出特點，應當針對煤體內(nèi)賦存瓦斯和采空區(qū)瓦斯進行重點防治，通過采取采前預抽和采空區(qū)抽采，同時采取提高綜放工作面的采出率、減少采空區(qū)遺煤等方法，可以大大降低工作面瓦斯涌出量。

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［責任編輯:施紅霞］

Site Measurement of Methane Migration in Full-mechanized Caving Mining
Face in Coal-seam with High Methane Content

ZHANG Yan-bin1，QIN Zi-han2，YU Xin-he3，YAO Hong-wu3，YIN Li-jun3

(1.Liaoyuan Mining Group，Liaoyuan 136201，China;
2.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;
3.Jilin Longjiapu Mining Co.，Ltd.，Changchun 130000，China)

Abstract:By long-term site measurement and numerical simulation，methane gushing rule of S2205 mining face was researched.Different sources of methane and respective proportion was obtained.Methane gushing amount from gob occupied 48.1% of methane gushing amount by ventilation.On the basis of statistical analysis of methane gushing variation in initial mining phrase and normal mining phrase，it was found that variation of methane gushing amount was directly related with underground pressure behavior.Basic roof caving made coal fissure in advance of mining face evolve and extrude gob，which resulted in increasing of methane gushing amount and even exceeding limit.Analyzing methane gushing rule of full-mechanized caving mining face could provide reference for methane prevention.

Keywords:full-mechanized caving mining; methane migration rule; methane gushing amount

［作者簡介］張延斌(1967－)，男，吉林遼源人，高級工程師，主要從事煤礦安全開采技術(shù)工作。

［基金項目］中國煤炭科工集團有限公司科技項目科技創(chuàng)新基金青年基金(2014QN035) ;天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部青年創(chuàng)新基金(KCSJ－QNCX－2014－09)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.023

［收稿日期］2014－12－08

［中圖分類號］TD712.52

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0081-04