水平分段綜放開(kāi)采工作面瓦斯涌出及分布特征

劉　軍，孫秉成，黃中峰

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400030；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830027)

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水平分段綜放開(kāi)采工作面瓦斯涌出及分布特征

劉軍1，2，孫秉成3，黃中峰1，2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400030；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830027)

摘要：為了深化急傾斜特厚煤層水平分段綜放工作面瓦斯災(zāi)害理論和技術(shù)，分析總結(jié)了工作面瓦斯涌出來(lái)源，實(shí)測(cè)了工作面瓦斯?jié)舛确植?，利用分源法與估算法對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出量進(jìn)行了計(jì)算，得到了瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅骈L(zhǎng)度和垂直斷面方向的分布規(guī)律。研究表明：工作面瓦斯?jié)舛妊仫L(fēng)流方向逐漸增大，沿工作面走向斷面分布不均，受采空區(qū)瓦斯涌出、瓦斯抽采及通風(fēng)影響，采空區(qū)側(cè)的瓦斯?jié)舛雀哂诿罕趥?cè)，考慮瓦斯抽采影響，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的85.08%。因此，建議工作面在開(kāi)采過(guò)程中，采用采空區(qū)、鄰近層抽采及下部煤體卸壓攔截抽采的綜合措施防治瓦斯災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：水平分段；綜放工作面；瓦斯涌出；瓦斯分布

瓦斯災(zāi)害是影響煤礦企業(yè)高產(chǎn)、高效的主要災(zāi)害之一[1]。盡管近些年我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)取得顯著進(jìn)步，但瓦斯災(zāi)害仍是煤炭企業(yè)需解決的重大難題。瓦斯抽采是有效解決瓦斯災(zāi)害的重要措施，而瓦斯涌出來(lái)源、瓦斯涌出、分布規(guī)律則是進(jìn)行瓦斯抽采設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，是瓦斯災(zāi)害“治本”工作的重要基礎(chǔ)[2]。由于國(guó)內(nèi)大部分急傾斜特厚煤層開(kāi)采礦井以前開(kāi)采深度較淺，礦井瓦斯涌出量相對(duì)較小，隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯災(zāi)害正逐漸成為影響我國(guó)急傾斜特厚煤層開(kāi)采礦井安全、高效生產(chǎn)的重要影響因素。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)急傾斜特厚煤層水平分段工作面瓦斯災(zāi)害治理基礎(chǔ)理論及技術(shù)的相關(guān)研究相對(duì)缺少，直接制約了該類(lèi)開(kāi)采礦井的瓦斯災(zāi)害治理工作的開(kāi)展。煤層群開(kāi)采工作面瓦斯涌出分為開(kāi)采層和鄰近層(包括圍巖)瓦斯涌出，開(kāi)采層瓦斯涌出包括工作面落煤和煤壁涌出。然而針對(duì)急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采工作面，由于煤層賦存和工作面布置方式的特殊性，其瓦斯涌出規(guī)律以及瓦斯涌出來(lái)源與一般工作面有所區(qū)別。目前，對(duì)近水平、緩傾斜開(kāi)采工作面[3-4]瓦斯涌出分布規(guī)律研究較多，但對(duì)水平分段開(kāi)采工作面瓦斯分布研究尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。為了更加合理、有效治理該類(lèi)工作面瓦斯災(zāi)害，做到有的放矢，需對(duì)該類(lèi)工作面進(jìn)行瓦斯來(lái)源以及瓦斯涌出分布構(gòu)成分析，為該類(lèi)工作面的綜合措施治理瓦斯災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

1工作面概況

烏東煤礦位于烏魯木齊東北部，礦井主采43#、45#煤層，均為易自燃煤層，煤層平均厚度分別為27.06m和19.7m，煤層傾角43～51°，平均45°。主采層與鄰近層情況見(jiàn)表1。

表1　主采層和鄰近層情況

+575m水平45#西綜采工作面埋深約200m，工作面水平布置，平均長(zhǎng)度30.6m，階段高度為25m，回采長(zhǎng)度1124m。工作面上部位已回采工作面采空區(qū)，下部為實(shí)體煤，兩側(cè)為煤層頂?shù)装?，煤層頂、底板分別為泥鈣質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。工作面采用水平分段走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤開(kāi)采，采3.5m，放21.5m，采煤機(jī)截深0.8m，放煤步距1.6m，采用全部垮落法管理頂板和U型抽出式通風(fēng)，煤層瓦斯含量為5.21m3/t?；夭芍耙巡贾庙槍娱L(zhǎng)鉆孔對(duì)工作面煤體進(jìn)行預(yù)抽，預(yù)抽后殘余瓦斯含量最大值為4.66m3/t，平均為2.78m3/t。回采過(guò)程中采取頂板走向高位鉆孔和采空區(qū)埋管抽采措施進(jìn)行工作面瓦斯治理。

2水平分層綜放面瓦斯涌出來(lái)源分析

根據(jù)急傾斜特厚煤層水平分段工作面布置方式及回采工藝特點(diǎn)，工作面瓦斯涌出來(lái)源可歸結(jié)為以下幾方面。

1)開(kāi)采分段煤壁瓦斯涌出。開(kāi)采分段煤壁包括切割煤壁、頂、底部暴露煤體。隨著工作面不斷推進(jìn)，其開(kāi)采分段新鮮煤壁不斷暴露，新暴露煤壁的吸附瓦斯快速解吸對(duì)游離瓦斯進(jìn)行補(bǔ)充和原有煤體中游離瓦斯源源不斷涌向工作面。同時(shí)，受煤層采動(dòng)影響，開(kāi)采分層回采工作面前方形成“橫三區(qū)”[5]。在應(yīng)力降低區(qū)，煤體受到采動(dòng)應(yīng)力作用發(fā)生破壞，產(chǎn)生大量采動(dòng)裂隙，在工作面通風(fēng)負(fù)壓與煤體瓦斯壓力的壓差的作用下，區(qū)內(nèi)瓦斯經(jīng)孔、裂隙涌向工作面。

2)落煤瓦斯涌出。在工作面生產(chǎn)過(guò)程中，割煤機(jī)的外力作用使煤體產(chǎn)生破壞，破壞后的煤體暴露的表面積成倍增加，割落煤體在未運(yùn)輸出工作面之前，煤體中含有游離瓦斯將涌向工作面，煤體中的吸附瓦斯也會(huì)迅速解吸產(chǎn)生游離瓦斯涌向工作面。

3)頂煤瓦斯涌出。研究表明急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采工作面回采后會(huì)形成“跨層拱”結(jié)構(gòu)[6-7]，該結(jié)構(gòu)不利于頂煤垮落，會(huì)降低工作面回采率，常對(duì)頂煤進(jìn)行超前松動(dòng)爆破措施。超前預(yù)后，工作面上覆煤體產(chǎn)生大量的人造裂隙，受放煤和工作面負(fù)壓影響，賦含在上部煤體中的瓦斯會(huì)經(jīng)裂隙和支架間隙涌向工作面。

4)鄰近層瓦斯涌出。受工作面開(kāi)采影響，在工作面上方仍會(huì)形成“豎三帶”，而煤層底板產(chǎn)生膨脹變形，形成采動(dòng)煤巖裂隙，鄰近層中的高壓瓦斯會(huì)經(jīng)采動(dòng)形成的優(yōu)勢(shì)瓦斯通道流入采掘空間[8]。

5)下部卸壓瓦斯涌出。由于分段開(kāi)采，工作面空間應(yīng)力突然釋放，致使開(kāi)采分段下部一定范圍的煤層受采動(dòng)影響，煤體應(yīng)力狀態(tài)由受壓轉(zhuǎn)為受拉，產(chǎn)生膨脹變形，形成離層裂隙和豎向裂隙，為下部高壓瓦斯涌向工作面提供流動(dòng)通道，從而使下部煤體瓦斯一部分涌向工作面，另外大部分涌向采空區(qū)[9]，通過(guò)采空區(qū)進(jìn)入工作面。

6)采空區(qū)瓦斯涌出。由于綜放開(kāi)采，且采放比較大，工作面回采率與常用的綜合機(jī)械化采煤方法相比較低。采空區(qū)存在大量的遺煤，遺煤中的吸附瓦斯會(huì)解吸形成游離瓦斯，加上原有的游離瓦斯在通風(fēng)負(fù)壓作用下，通過(guò)架間和回風(fēng)隅角涌向工作面，造成架間和回風(fēng)隅角處瓦斯積聚。

7)老空區(qū)瓦斯涌出。工作面上部為已封閉的回采工作面采空區(qū)，封閉采空區(qū)中積聚瓦斯在工作面開(kāi)采和通風(fēng)負(fù)壓影響下涌向回采工作面[10]。

通過(guò)對(duì)急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采工作面瓦斯涌出源的分析發(fā)現(xiàn)開(kāi)采分段遺煤、下部卸壓煤體以及鄰近層、圍巖瓦斯會(huì)造成采空區(qū)大量瓦斯積聚。因此，該類(lèi)工作面應(yīng)該在煤層預(yù)抽的基礎(chǔ)上，進(jìn)行采取采空區(qū)、鄰近層以及對(duì)下部煤體卸壓瓦斯攔截抽采措施。

3工作面瓦斯涌出分布及構(gòu)成

3.1工作面瓦斯涌出測(cè)定

單元法是測(cè)定工作面瓦斯涌出分布的常用方法[11-13]，根據(jù)單元法原理和測(cè)定步驟對(duì)工作面瓦斯分布進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。測(cè)定過(guò)程共計(jì)布置5個(gè)測(cè)站，其中回采工作面布置了3個(gè)測(cè)站，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷各布置1個(gè)測(cè)站，測(cè)站布置如圖1所示，工作面上每一個(gè)測(cè)站在沿工作面走向斷面上布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

測(cè)定每個(gè)斷面的瓦斯?jié)舛菴1、C2、C3、C4和進(jìn)出單元斷面的進(jìn)出風(fēng)量Qin、Qout。每天檢修班測(cè)定工作面瓦斯分布，連續(xù)測(cè)定3個(gè)檢修班，每班測(cè)定3次。最后根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的平均瓦斯?jié)舛群推骄L(fēng)量，實(shí)測(cè)記錄見(jiàn)表2。

3.2沿工作面長(zhǎng)度方向瓦斯?jié)舛确植?/p>

工作面水平方向瓦斯分布見(jiàn)圖3。工作面共計(jì)15副支架，從北巷至南巷依次從1～15編號(hào)，北巷為回風(fēng)巷，南巷為進(jìn)風(fēng)巷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到工作面瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅骘L(fēng)流方向分布規(guī)律：整體上距回風(fēng)巷距離越小，瓦斯?jié)舛仍酱?；煤壁、前溜及人行道測(cè)點(diǎn)測(cè)得瓦斯?jié)舛染S距離進(jìn)風(fēng)巷距離增大而近似均勻增大，而支架尾部瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅嬷胁康缴嫌缃堑姆秶@著增大，特別是在靠近上隅角5m左右的范圍迅速增大(上隅角瓦斯?jié)舛仍?.3%左右)。分析原因發(fā)現(xiàn)由于工作面長(zhǎng)度較小且采用U型通風(fēng)，在距離進(jìn)風(fēng)巷較短的范圍內(nèi)瓦斯并不會(huì)聚集，瓦斯?jié)舛茸兓⒉幻黠@；而受綜放開(kāi)采方法限制，采空區(qū)存在大量遺煤，在壓差作用下采空區(qū)瓦斯大量涌向上隅角附近區(qū)域(尚未采取措施時(shí)，上隅角最大瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)0.8%左右)。

圖1　測(cè)站布置圖

圖2　測(cè)點(diǎn)布置圖

測(cè)站編號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛?%支架尾部人行道前溜煤壁風(fēng)速/(m/s)斷面/m2風(fēng)量/(m3/min)1進(jìn)風(fēng)巷0.051.3011.10865.800213架0.060.050.050.061.0812.92837.21638架0.080.060.050.071.0312.92797.68042架0.130.070.060.061.0212.92790.7045回風(fēng)巷0.141.2013.00803.400

圖3　工作面水平方向瓦斯分布

3.3工作面沿煤層走向斷面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

工作面不同測(cè)站斷面上瓦斯?jié)舛确植既鐖D4所示，從圖4中可以看出沿著煤層走向斷面上瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)拋物線(類(lèi)似馬鞍形)分布，即工作面煤壁側(cè)和采空區(qū)側(cè)的瓦斯?jié)舛容^大，而工作面中部對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛容^小，前溜上方處的瓦斯?jié)舛茸钚?。在靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)，煤壁的瓦斯?jié)舛扰c支架尾部的瓦斯基本一致，而在中部瓦斯?jié)舛容^小，說(shuō)明采空區(qū)瓦斯涌出量占有相當(dāng)量；在工作面中部斷面上煤壁至前溜瓦斯?jié)舛葴p小明顯，而支架尾部瓦斯?jié)舛却笥诿罕谕咚節(jié)舛?，由此說(shuō)明不僅煤壁、工作面頂、底煤瓦斯涌出，采空區(qū)瓦斯同樣也在涌向工作面空間；而在工作面靠近回風(fēng)巷側(cè)區(qū)域，支架尾部瓦斯?jié)舛让黠@大于其他測(cè)站的同一位置，說(shuō)明采空區(qū)瓦斯大量涌向隅角附近區(qū)域。

3.4采空區(qū)涌出量

從工作面瓦斯分布測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯涌出較大，有必要進(jìn)一步對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出進(jìn)行量化分析。因采空區(qū)無(wú)法深入且瓦斯涌出復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法直接測(cè)量其瓦斯涌出量，因此，常采用間接法分析瓦斯涌出。采空區(qū)瓦斯涌出量計(jì)算一般有分源計(jì)算法、用老頂跨落前后回風(fēng)瓦斯涌出量的變化來(lái)估算、作圖法估算法和當(dāng)采空區(qū)抽放量較大條件下的涌出量估算方法[14]。受急傾斜煤層開(kāi)采結(jié)構(gòu)影響，老頂?shù)某醮蝸?lái)壓并不容易判定[15]，所以不選用老頂垮落前后的瓦斯涌出量的變化來(lái)估算采空區(qū)瓦斯涌出量，而是采用分源計(jì)算法和采空區(qū)瓦斯抽采較大情況的估算方法進(jìn)行工作面采空區(qū)涌出量分析。

1)分源法計(jì)算采空區(qū)瓦斯涌出比例。利用瓦斯、風(fēng)量平衡方程，計(jì)算每個(gè)單元的漏風(fēng)量、瓦斯涌出量。圖5為計(jì)算示意圖。

圖4　工作面斷面瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖5　瓦斯和風(fēng)量平衡計(jì)算示意圖

計(jì)算單元采空區(qū)漏風(fēng)量、瓦斯涌出量及工作面煤壁及采落煤炭的瓦斯涌出量，計(jì)算式見(jiàn)式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：Qin為流入單元的風(fēng)量，m3/min；Qout為流入和流出單元的風(fēng)量，m3/min；Q1為從采空區(qū)流入(出)本單元的漏風(fēng)量，m3/min；qgoaf為是從采空區(qū)涌入本單元的瓦斯量，m3/min；qface為本單元內(nèi)煤壁、頂、底部煤層瓦斯涌出量，m3/min；C1為漏風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?；Cin、Cout分別為流進(jìn)和流出單元風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?。

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到：在不考慮抽采措施情況下，采空區(qū)涌出量為0.05m3/min，煤壁(包含頂、底)及落煤瓦斯涌出量為0.66m3/min。即：在不考慮采空區(qū)抽采的情況下，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的7.02%，煤壁及落煤的瓦斯涌出占工作面瓦斯涌出總量的92.98%。實(shí)際上，工作面采取了抽采措施，根據(jù)測(cè)定日期對(duì)抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得到高位鉆孔抽采和采空區(qū)埋管抽采的抽采量分別為1.60m3/min和6.60m3/min，若考慮采空區(qū)抽采對(duì)瓦斯涌出量的影響，將采空區(qū)抽采量計(jì)入瓦斯涌出量中，則采空區(qū)瓦斯涌出量為8.25m3/min，整個(gè)工作面瓦斯涌出量為8.91m3/min?？傻玫讲煽諈^(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的92.59%，來(lái)自煤壁以及工作面頂、底煤層瓦斯占7.41%。

2)采空區(qū)瓦斯抽采量大的估算方法。研究表明當(dāng)采空區(qū)抽采量較大時(shí)，可采用式(4)計(jì)算采空區(qū)瓦斯涌出量[15]。

(4)

式中：R為采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總涌出量的比例，%；Q1為采空區(qū)(含鄰近層、下部煤體)瓦斯抽采量，m3/min；Q為工作面瓦斯涌出量(包括抽采量)，m3/min。

根據(jù)抽采數(shù)據(jù)和風(fēng)排瓦斯量數(shù)據(jù)得到，采空區(qū)抽采量為8.20m3/min，風(fēng)排瓦斯量為2.37m3/min，因此采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的77.58%。

綜合兩種方法，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出總量的77.58%～92.59%，二者均值為85.08%。由此說(shuō)明，經(jīng)歷煤層預(yù)抽之后，高瓦斯急傾斜特厚煤層水平分段工作面瓦斯涌出主要是采空區(qū)瓦斯涌出(包括圍巖)，在工作面回采過(guò)程中進(jìn)行采空區(qū)抽采措施，鄰近層、下部煤體抽采是瓦斯災(zāi)害治理的關(guān)鍵。但對(duì)于易自燃煤層采取采空區(qū)抽采和卸壓瓦斯攔截抽采措施時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)CO、C2H4、C2H6等標(biāo)志氣體的監(jiān)測(cè)，做好防火工作，且盡量采用低負(fù)壓抽采。

4結(jié)論

1)急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)從進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷逐漸增大。

2)回采工作面沿煤層走向斷面上，采空區(qū)和工作面煤壁瓦斯?jié)舛容^大，而斷面中部瓦斯?jié)舛容^小。

3)在靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)，煤壁瓦斯?jié)舛扰c采空區(qū)瓦斯?jié)舛然疽恢?，而在靠近回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)大于其他測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛龋f(shuō)明采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量較大比例。

4)采空區(qū)瓦斯涌出占整個(gè)工作面瓦斯涌出的85%左右。采空區(qū)瓦斯災(zāi)害治理應(yīng)該看作為預(yù)抽后瓦斯災(zāi)害治理重點(diǎn)，應(yīng)有效采取采空區(qū)瓦斯抽采及下部煤體卸壓瓦斯攔截抽采措施。

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收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：神華集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助(編號(hào)：SHJT-15-09)

作者簡(jiǎn)介：劉軍(1988-)，男，碩士，2013年畢業(yè)于煤炭科學(xué)研究總院重慶分院，主要從事瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治技術(shù)研究。E-mail：liujunhebei2006@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)07-0097-05

Study on the gas emission and distribution at the horizontal stratification fully mechanized working face

LIU Jun1，2，SUN Bing-cheng3，HUANG Zhong-feng1，2

(1.Chongqing Research Institute，China Coal Technology Engineering Group,Chongqing 400030，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting & Controlling or Emergency Technology，Chongqing 400030，China；3.Wudong Coal Mine,Shenhua Xinjiang Energy Co.,Ltd,Urumqi 830027，China)

Abstract:In order to further study the theory and technology of gas disaster at the horizontal section of steeply inclined thick coal seam，analyzing and making summary of the working surface gas gushing source，calculating gas concentration distribution at the working surface，measuring the gas emission quantity at mined out area by the method of source and estimation，obtaining the gas concentration distribution law along the length of the working surface and the direction of the vertical section.The research shows that the gas concentration at the working face increases gradually along the airflow direction，uneven distribution along the working surface vertical section，the gas concentration at the mined out area higher than coal wall with the effect of mined out gas emission，gas drainage and airflow.Considering the effect of gas drainage，The amount of gas emission in the mined out area accounts for 85.08% of the gas emission at the working face.Therefore，comprehensive measures are suggested to prevent gas disasters by the mining method of the mine out area and adjacent layer or lower coal pressure reduction during mining process.

Key words：horizontal stratification；fully mechanized working face；gas emission；gas distribution