小莊礦40309工作面瓦斯涌出規(guī)律及影響因素分析

夏海斌，郭林生，林建成，郭魏虎，李 可，付航航，孔祥國(guó)，孫萬杰

(1.陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；2.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 713500；3.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

瓦斯災(zāi)害是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著井下人員的生命和礦井設(shè)施的安全[1]。礦井瓦斯涌出規(guī)律分析是瓦斯防治技術(shù)中的不可缺少的重要環(huán)節(jié)。由于瓦斯涌出影響因素較多，主要表現(xiàn)在煤層深度、厚度和構(gòu)造等地質(zhì)賦存條件[1-2]，回采方法、通風(fēng)方法和回采速度等生產(chǎn)技術(shù)條件，因此，各個(gè)礦區(qū)瓦斯涌出規(guī)律不盡相同，給瓦斯防治帶來了困難。

針對(duì)地質(zhì)賦存條件對(duì)瓦斯涌出規(guī)律的影響，藺亞兵等[2]研究發(fā)現(xiàn)隨著采深增加，煤層開采厚度越大，褶曲翼部?jī)A角越大，工作面瓦斯涌出量越大，斷層附近游離瓦斯較多是引起瓦斯涌出增加的主要原因；劉軍[3]發(fā)現(xiàn)煤層傾角對(duì)工作面回采瓦斯涌出具有顯著影響，尤其是急傾斜煤層，通過現(xiàn)場(chǎng)分析開采過程中瓦斯涌出規(guī)律，提出了急傾斜特厚煤層水平分段開采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法。近年來，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，沖刷帶對(duì)工作面瓦斯異常涌出有明顯影響，藺亞兵等[4]通過對(duì)陜西胡家河煤礦和山西新景煤礦地質(zhì)分析，研究了同生沖刷帶和和后生沖刷帶對(duì)煤層瓦斯賦存的影響，并闡釋了對(duì)后續(xù)瓦斯涌出的危險(xiǎn)性。

關(guān)于生產(chǎn)技術(shù)條件對(duì)工作面瓦斯涌出的影響，也取得了較多成果。工作面配風(fēng)量的合理選擇，直接影響工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，賈廷貴等[5]通過Fluent數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)Y型通風(fēng)可有效緩解工作面上隅角瓦斯的涌出，在配風(fēng)量一定范圍內(nèi)，上隅角瓦斯涌出量隨著配風(fēng)量增加而減??；趙燦等[6]以晉煤集團(tuán)寺河礦5301工作面為研究對(duì)象，建立了偏Y型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)計(jì)算模型，研究了回采工作面采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)分布特點(diǎn)，得出偏Y型通風(fēng)方式可有效解決采空區(qū)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷瓦斯超限難題；高亮等[7]研究發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)速度和生產(chǎn)強(qiáng)度也是影響瓦斯涌出量的重要因素，而且發(fā)現(xiàn)礦壓來壓和顯現(xiàn)會(huì)造成瓦斯涌出有明顯的異常；何福勝等[8]研究大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)一步證實(shí)了礦壓對(duì)瓦斯涌出特征的影響。

小莊礦40309工作面為綜放工作面，采高較大，回采過程中瓦斯涌出較大。為了動(dòng)態(tài)掌握40309工作面瓦斯涌出規(guī)律，防止瓦斯災(zāi)害，本文以40309工作面為研究對(duì)象，分析了工作面回采過程中的絕對(duì)瓦斯涌出量和相對(duì)瓦斯涌出量隨時(shí)間變化規(guī)律，分析了日產(chǎn)量和日推進(jìn)度對(duì)工作面瓦斯涌出特征的影響，并研究了風(fēng)排瓦斯量和抽采瓦斯量與瓦斯涌出總量之間的關(guān)系。該研究有助于40309工作面瓦斯超限管理和災(zāi)害防治。

1 礦井概況

小莊礦位于咸陽市彬縣義門鎮(zhèn)鴨河灣村，為高瓦斯礦井，礦井通風(fēng)方式為中央分列式。礦井主采4#煤層位于延安組第一段的中部，可采厚度為0.80～35.22 m，平均為18.01 m，厚度較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角小于5°。40309綜放工作面位于小莊礦井田三盤區(qū)，走向長(zhǎng)2 977 m，寬195 m，面積603 525 m2。工作面內(nèi)煤層賦存連續(xù)完整，掘進(jìn)過程中未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構(gòu)造，順槽掘進(jìn)過程中在運(yùn)順揭露小型斷層2條，距切眼分別為1 455 m、2 098 m，回順揭露裂隙1條，距切眼1 395 m，對(duì)工作面回采影響均不大；煤層形態(tài)西部呈單斜構(gòu)造，東部呈近水平狀態(tài)，地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，工作面回采期間具有弱沖擊地壓危險(xiǎn)。40309綜放工作面采用后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。 煤層開采平均厚度10 m，其中，割煤高度3.5 m，放煤厚度平均6.5 m，采放比為1∶1.86。工作面設(shè)計(jì)四條巷道，分別為膠帶輸送機(jī)順槽、回風(fēng)順槽、泄水巷及高位瓦斯抽放巷。工作面布置如圖1所示。

2 40309綜放工作面瓦斯涌出構(gòu)成比例分析

2.1 工作面瓦斯涌出

為了掌握40309工作面的瓦斯涌出情況，統(tǒng)計(jì)了2019年5月25日至2019年8月14日期間的瓦斯涌出量(包括風(fēng)排瓦斯量和瓦斯涌出量)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，40309工作面回采期間最大瓦斯涌出量為35.4 m3/min，最小瓦斯涌出量為21.6 m3/min，平均瓦斯涌出量為28.7 m3/min。

2.2 開采層瓦斯涌出

工作面生產(chǎn)初期，工作面瓦斯的主要來源為開采層，鄰近層與采空區(qū)瓦斯涌出很小，可以忽略不計(jì)。工作面瓦斯來源主要為煤壁與落煤。工作面不生產(chǎn)時(shí)，瓦斯涌出來源為煤壁；工作面生產(chǎn)時(shí)，瓦斯涌出來源為煤壁和落煤；兩者之差為落煤的瓦斯涌出量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄：2019年3月17日至2019年3月18日以及2019年4月6日至2019年4月7日期間沒有進(jìn)行生產(chǎn)，該段瓦斯涌出量為煤壁瓦斯涌出量，平均值為5.65 m3/min；2019年3月24日至2019年3月25日以及2019年4月8日至2019年4月9日期間進(jìn)行回采作業(yè)，該段瓦斯涌出量作為落煤與煤壁瓦斯涌出量之和，平均值為7.67 m3/min；二者之差即為落煤瓦斯涌出量，約2.02 m3/min。

2.3 鄰近層瓦斯涌出

工作面老頂初次垮落前，鄰近層瓦斯涌出量很小，可以認(rèn)為該部分為0；工作面老頂初次垮落后，采空區(qū)上方裂隙開始發(fā)育，鄰近層瓦斯迅速涌出，使所測(cè)工作面瓦斯涌出量增加。因此，老頂垮落前后工作面瓦斯涌出量的差值即為鄰近層瓦斯涌出量。40309工作面于2019年3月12日推進(jìn)至38 m時(shí)老頂初次來壓，此后周期來壓步距平均約為27 m。經(jīng)查詢，2019年3月11日工作面瓦斯涌出量與2019年3月12日工作面瓦斯涌出量差值為16.41 m3/min(檢修班數(shù)據(jù))，即鄰近層瓦斯涌出量近似為16.41 m3/min。

2.4 采空區(qū)瓦斯涌出量

采空區(qū)瓦斯涌出量主要包括采空區(qū)遺煤瓦斯涌出量與鄰近層瓦斯涌出量。開切眼最初形成時(shí)，采空區(qū)尚未形成，工作面瓦斯涌出量?jī)H包括煤壁瓦斯涌出；在工作面開始回采后、老頂初次來壓之前的時(shí)間段內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)鄰近層瓦斯涌出量很小，因此此段時(shí)間測(cè)得工作面瓦斯涌出量與切眼形成時(shí)的瓦斯涌出量差值即為采空區(qū)瓦斯含量。經(jīng)查詢，采空區(qū)瓦斯含量近似為2.83 m3/min(檢修班數(shù)據(jù))。

40309綜放工作面瓦斯涌出構(gòu)成情況見表1。 其中，開采層涌出占工作面總涌出量的35.48%，鄰近層占工作面涌出量的64.52%。

表1 工作面涌出來源數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet of working face outflow source

3 40309綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律

3.1 絕對(duì)瓦斯涌出量

2019年5月25日至2019年8月14日，小莊礦40309工作面瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：該工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨工作面回采整體呈降低趨勢(shì)，絕對(duì)瓦斯涌出量21.6～35.4 m3/min，平均28.7 m3/min。在工作面回采初期，絕對(duì)瓦斯涌出量較大，約35 m3/min，隨著工作面回采，絕對(duì)瓦斯涌出量急劇下降，在2019年5月29日到2019年6月17日期間，絕對(duì)瓦斯涌出量相對(duì)較低且變化較小，6月17日后，絕對(duì)瓦斯涌出量出現(xiàn)短期增加，當(dāng)絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到32.5 m3/min后，其隨著時(shí)間推移而逐漸穩(wěn)步降低。40309工作面瓦斯涌出規(guī)律表明綜放工作面初采時(shí)期，大面積煤體新近暴露，解吸釋放瓦斯較多，隨著工作面回采，各系統(tǒng)逐漸運(yùn)行穩(wěn)定，瓦斯涌出量逐漸減小。因此，在高瓦斯工作面回采初期，需嚴(yán)格瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，加強(qiáng)瓦斯排放，確保工作面安全順利推進(jìn)。

3.2 相對(duì)瓦斯涌出量

基于絕對(duì)瓦斯涌出量和日產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析了40309工作面相對(duì)瓦斯涌出量隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖3所示。在2019年5月25日至2019年8月14日期間，40309工作面相對(duì)瓦斯涌出量變化范圍較小，基本維持在1.58～4.11 m3/t，平均2.63 m3/t。該現(xiàn)象表明絕對(duì)瓦斯涌出量與日產(chǎn)量有明顯的關(guān)系，日產(chǎn)量越大，絕對(duì)瓦斯涌出量越大，通過日產(chǎn)量將工作面絕對(duì)瓦斯涌出量歸一化，相對(duì)瓦斯涌出量可以衡量煤體瓦斯含量的大小及瓦斯放散程度。

4 40309工作面瓦斯涌出影響因素

4.1 絕對(duì)瓦斯涌出量影響因素分析

為了進(jìn)一步確定40309工作面瓦斯涌出規(guī)律，研究了日產(chǎn)量、日推進(jìn)度和風(fēng)排瓦斯量對(duì)絕對(duì)瓦斯涌出量的影響，見圖4。由圖4(a)可知，40309工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨著日產(chǎn)量的增加而增加，由于日產(chǎn)量增加使得新暴露的煤體增加，采空區(qū)遺煤也相對(duì)增加，造成絕對(duì)瓦斯涌出量增大，在工作面回采初期，需嚴(yán)格控制工作面產(chǎn)量，防止瓦斯超限。由圖4(b)可知，40309工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨著日推進(jìn)度增加而增大，主要是因?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)速度的增加使得本煤層涌出瓦斯量較多；另外，工作面推進(jìn)速度的快慢直接影響到圍巖的移動(dòng)和變形，當(dāng)推進(jìn)速度加快時(shí)，圍巖變形相對(duì)減小，相應(yīng)地減少了圍巖的瓦斯涌出量，但由于本煤層瓦斯涌出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圍巖瓦斯涌出量，表現(xiàn)為絕對(duì)瓦斯涌出量隨日推進(jìn)度的增加而增大。由圖4(c)可知，40309工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨風(fēng)排瓦斯量的增加而增加，40309工作面瓦斯主要通過高位鉆孔、煤層順層鉆孔和上隅角插管進(jìn)行抽放，剩余的瓦斯通過風(fēng)排解決，因此，當(dāng)絕對(duì)瓦斯涌出量增加時(shí)，各抽采系統(tǒng)能力保持不變的情況下，風(fēng)排瓦斯量將增加。因此，在工作面回采過程中，為了嚴(yán)格控制瓦斯涌出量，防止瓦斯超限，根據(jù)工作面生產(chǎn)計(jì)劃適當(dāng)減小日產(chǎn)量和放慢推進(jìn)速度，并通過增加抽采負(fù)壓和分源抽采措施來提升抽采系統(tǒng)能力，從而減小風(fēng)排負(fù)擔(dān)，保障工作面安全生產(chǎn)。

圖2 絕對(duì)瓦斯涌出量隨時(shí)間的變化Fig.2 Absolute gas emission changes with time

圖3 相對(duì)瓦斯涌出量隨時(shí)間的變化
Fig.3 Relative gas emission changes with time

圖4 工作面絕對(duì)瓦斯涌出量與各生產(chǎn)因素的關(guān)系Fig.4 Relationship between absolute gas emission of working face and various production factors

4.2 相對(duì)瓦斯涌出量影響因素分析

40309綜放工作面相對(duì)瓦斯涌出量隨日產(chǎn)量、日推進(jìn)度和風(fēng)排瓦斯量變化如圖5所示。 由圖5(a)可知，40309工作面相對(duì)瓦斯涌出量隨日產(chǎn)量呈指數(shù)衰減，擬合關(guān)系為q=9.7e-0.07A，表明控制日產(chǎn)量是減小瓦斯涌出量的有效途徑之一。由圖5(b)可知，40309工作面相對(duì)瓦斯涌出量隨日推進(jìn)度的增加而減小，日推進(jìn)度越大，日產(chǎn)量相對(duì)越大，由于煤層厚度變化和構(gòu)造等因素會(huì)略有影響，因此，日推進(jìn)度的增加也會(huì)造成瓦斯涌出量減小。由圖5(c)可知，隨著風(fēng)排瓦斯量的增加，40309工作面相對(duì)瓦斯涌出量減小。

圖5 工作面相對(duì)瓦斯涌出量與各生產(chǎn)因素的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative gas emission of working face and various production factors

5 結(jié) 論

1) 小莊礦40309工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨工作面回采整體呈降低趨勢(shì)，絕對(duì)瓦斯涌出量維持在21.6～35.4 m3/min；相對(duì)瓦斯涌出量隨工作面回采變化較小，基本維持在1.58～4.11 m3/t。

2) 工作面瓦斯涌出總量平均值為26.91 m3/min，其中,煤壁涌出5.65 m3/min、落煤涌出2.02 m3/min、采空區(qū)涌出2.83 m3/min，鄰近層涌出16.41 m3/min。本煤層涌出量占工作面總涌出量的39.01%，鄰近層涌出量占工作面總涌出量的60.99%。

3) 40309綜放工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨日產(chǎn)量增加而明顯增大，隨日推進(jìn)度和風(fēng)排瓦斯量略呈增加趨勢(shì)。因此，控制日產(chǎn)量和日推進(jìn)度等生產(chǎn)條件，并加大瓦斯抽采系統(tǒng)抽采能力是減小工作面絕對(duì)瓦斯涌出量和防止瓦斯超限的基本措施。

4) 40309綜放工作面相對(duì)瓦斯涌出量隨日產(chǎn)量呈指數(shù)衰減，隨日推進(jìn)度和風(fēng)排瓦斯量增加而降低。