近距離煤層群一次采全高工作面瓦斯涌出源精準(zhǔn)分析

張 鐳，崔 聰

(1.云南煤化工集團(tuán)有限公司，云南省昆明市，650231；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

長(zhǎng)嶺煤礦位于云南省昭通市東南部，隸屬云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣。礦井可采煤層有4層，主采煤層C5b，次要可采煤層C5a、C6a和C6c。煤層傾角2°～10°，大多在8°以下，煤層間距2～5 m。長(zhǎng)嶺煤礦目前屬高瓦斯礦井，煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，主要瓦斯抽采方式是本煤層及采空區(qū)瓦斯抽采，但抽采效果不理想，瓦斯治理存在的直觀表現(xiàn)為：回采工作面回采過(guò)程中瓦斯涌出量較大，日常生產(chǎn)過(guò)程中回風(fēng)巷及上隅角超限嚴(yán)重，周期來(lái)壓期間更為明顯。

回采工作面瓦斯超限一直制約著煤礦安全高效生產(chǎn)，是瓦斯治理的瓶頸所在[1-2]，為實(shí)現(xiàn)礦井的長(zhǎng)治久安和高效生產(chǎn)，需構(gòu)建以區(qū)域性立體抽采為主，安全可靠的通風(fēng)方式和通風(fēng)系統(tǒng)為輔的瓦斯治理技術(shù)體系。通過(guò)有效抽采，降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，降低回采工作面瓦斯?jié)舛龋_保采掘作業(yè)的安全高效。隨著煤炭開(kāi)采深度和開(kāi)采水平的延伸，回風(fēng)巷及上隅角超限問(wèn)題將日益嚴(yán)重。因此，消除瓦斯災(zāi)害對(duì)生產(chǎn)的威脅迫在眉睫，分析回采工作面瓦斯涌出規(guī)律是回采工作面瓦斯治理的重中之重。

范滿長(zhǎng)、桑聰?shù)萚3-5]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)學(xué)計(jì)算模型相結(jié)合的研究方法，得到煤壁及采落煤瓦斯涌出量占綜采工作面瓦斯涌出總量比例；崔洪慶[6-7]基于采煤工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包含的各源瓦斯涌出信息，建立絕對(duì)瓦斯涌出量分源計(jì)算方法；趙長(zhǎng)春[8]研究了超長(zhǎng)綜放面本煤層瓦斯涌出量和生產(chǎn)能力之間、鄰近層瓦斯涌出量和推進(jìn)速度之間的關(guān)系式；林青[9]對(duì)采煤工作面的瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行考察，分析總結(jié)了多重保護(hù)層開(kāi)采高瓦斯綜采面瓦斯涌出規(guī)律；楊茂林[10]通過(guò)數(shù)值模擬分析了采空區(qū)流場(chǎng)和瓦斯?jié)舛确植继卣?，綜合分析了工作面地質(zhì)、開(kāi)采條件對(duì)瓦斯涌出的影響。

目前回采工作面瓦斯涌出研究相對(duì)比較片面，針對(duì)近距離煤層群采全高工作面瓦斯涌出源的分析較少，筆者將針對(duì)長(zhǎng)嶺煤礦生產(chǎn)條件和瓦斯治理工作的難題，開(kāi)展回采工作面瓦斯涌出量、開(kāi)采層瓦斯涌出量、鄰近層瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律及鄰近工作面漏風(fēng)規(guī)律研究工作。通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)回采工作面瓦斯涌出量及分布規(guī)律，為瓦斯治理和抽采工程的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并通過(guò)瓦斯來(lái)源分析確定瓦斯治理方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)。

1 工作面煤體與采空區(qū)瓦斯涌出測(cè)定方法

以長(zhǎng)嶺煤礦C5b煤層152105回采工作面為研究對(duì)象，工作面長(zhǎng)度為227 m。將152105工作面沿傾斜方向劃分為5個(gè)區(qū)域，6個(gè)測(cè)試截面，如圖1所示。對(duì)每個(gè)巷道測(cè)試截面的面積進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)測(cè)試截面布置工作面走向方向測(cè)點(diǎn)3組。將測(cè)試截面劃分為4個(gè)測(cè)試區(qū)域，其中區(qū)域1貼近煤壁，區(qū)域2設(shè)置在巷道中部，區(qū)域3貼近采空區(qū)支架，區(qū)域4設(shè)置在采空區(qū)內(nèi)部，每個(gè)區(qū)域測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在測(cè)試區(qū)域中部，測(cè)點(diǎn)4位于采空區(qū)淺部，由工作面深入采空區(qū)0.3 m，如圖2所示。

圖1 152105工作面水平區(qū)域

圖2 152105工作面垂直區(qū)域測(cè)試區(qū)域及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)瓦斯平衡方程與風(fēng)量平衡方程，計(jì)算每個(gè)區(qū)域的采空區(qū)漏風(fēng)量、采空區(qū)瓦斯涌出量、本煤層回采工作面的瓦斯涌出量。

(1)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及瓦斯涌出公式計(jì)算可得不同時(shí)期采空區(qū)與工作面煤體瓦斯涌出量及涌出比例，見(jiàn)表1。

表1 工作面瓦斯涌出來(lái)源分布

計(jì)算結(jié)果表明，檢修期間煤壁涌出量占工作面涌出總量的36.45%，而生產(chǎn)期間回采工作面煤體瓦斯涌出量占工作面涌出總量的55.24%。因?yàn)樯a(chǎn)期間采煤機(jī)不斷割煤生產(chǎn)，瓦斯不斷從煤壁及落煤中涌出，所以生產(chǎn)班期間回采工作面煤體瓦斯涌出量大于檢修班期間回采工作面煤體瓦斯涌出量。周期來(lái)壓期間采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面涌出總量的56.88%，生產(chǎn)期間采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面涌出總量的44.76%；周期來(lái)壓后，上覆巖層垮落，采空區(qū)內(nèi)部瓦斯受到擠壓，在擠壓氣流作用下，大量瓦斯涌入采煤工作面，所以周期來(lái)壓期間的采空區(qū)瓦斯涌出量大于生產(chǎn)班期間采空區(qū)瓦斯涌出量。

2 工作面落煤與煤壁瓦斯涌出規(guī)律

采集長(zhǎng)嶺煤礦C5b煤層152105煤樣，送至煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司實(shí)驗(yàn)室測(cè)定C5b煤層的瓦斯解吸規(guī)律。實(shí)驗(yàn)室研究了120 min內(nèi)1 MPa條件下長(zhǎng)嶺煤礦煤樣，得到瓦斯解吸量與時(shí)間的關(guān)系，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，分別采用巴雷爾、烏斯基諾夫、孫重旭及對(duì)數(shù)公式進(jìn)行擬合，數(shù)據(jù)表明孫重旭式更符合長(zhǎng)嶺煤礦煤體放散特性。

圖3 長(zhǎng)嶺煤礦C5b煤層瓦斯放散結(jié)果及擬合度

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算不同粒徑落煤的瓦斯動(dòng)態(tài)涌出特點(diǎn)，根據(jù)C5b煤層落煤的粒徑分布，研究C5b煤層落煤瓦斯涌出規(guī)律。取長(zhǎng)嶺煤礦生產(chǎn)班期間的平均每分鐘產(chǎn)量為2.6 t；根據(jù)孫重旭式與擴(kuò)散因子的相關(guān)關(guān)系，取擴(kuò)散系數(shù)D為7.3×10-10m2/s；落煤在采煤工作面中停留的時(shí)間為10 min；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，長(zhǎng)嶺煤礦C5b煤層的平均粒徑分布：煤體粒徑0～2 mm，占比7%；煤體粒徑2～10 mm，占比31%；煤體粒徑10～50 mm及以上，占比62%。取基質(zhì)煤體尺度為50 mm，當(dāng)煤體塊度大于50 mm時(shí)，以基質(zhì)煤體尺度為準(zhǔn)。

根據(jù)上述條件，對(duì)不同粒徑煤體(假設(shè)為正方體)進(jìn)行落煤瓦斯涌出量模擬，其在10 min時(shí)的瓦斯含量示意云圖見(jiàn)圖4。

圖4 C5b煤層不同粒徑落煤10 min后瓦斯含量

結(jié)合不同粒徑落煤的占比與總的落煤量，對(duì)煤體瓦斯含量進(jìn)行積分，可以求出不同粒徑煤體在0～600 s內(nèi)不同時(shí)間段的瓦斯涌出量，如圖5所示。前期0～2 mm的較細(xì)煤粒，其瓦斯快速涌出，100 s 之后，煤粒內(nèi)瓦斯基本解吸完成，后期增加的瓦斯涌出量較小，瓦斯涌出量占整體落煤瓦斯涌出量的47%；2～10 mm煤粒在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)均呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，瓦斯涌出量占整體落煤瓦斯涌出量的45%；10～50 mm煤的比例雖然最大，但其瓦斯涌出量最小，瓦斯涌出量占整體落煤瓦斯涌出量的8%。

圖5 不同粒徑落煤的瓦斯涌出量變化趨勢(shì)

根據(jù)表1所測(cè)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)期間與周期來(lái)壓期間工作面煤體瓦斯涌出量取5.65 m3/min，結(jié)合不同粒徑落煤的質(zhì)量與單位涌出量，對(duì)落煤涌出量進(jìn)行積分可得落煤瓦斯涌出量為3.8 m3/min。綜上分析，落煤占整個(gè)工作面煤體瓦斯涌出量的67.26%，回采工作面落煤占整個(gè)工作面煤體瓦斯涌出量的32.74%。

3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律測(cè)試與研究

隨著回采工作面的推進(jìn)，分別沿回風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)巷底板外側(cè)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和研究152105回采工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一根束管(PE-ZKW/8*1)，在檢測(cè)端(抽氣端)并齊。測(cè)點(diǎn)1～6的束管在鋪設(shè)過(guò)程中使用3寸鋼管作為保護(hù)套管，鋼管之間用法蘭盤對(duì)接，用螺栓固定，具體埋管連接如圖6所示。

圖6 C5b煤層工作面采空區(qū)埋管連接示意圖

根據(jù)測(cè)定結(jié)果分析采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 回風(fēng)巷采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

圖8 進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

回風(fēng)巷束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：測(cè)點(diǎn)距工作面距離為0～20 m，采空區(qū)濃度隨著測(cè)點(diǎn)距工作面距離增加逐漸增大，測(cè)點(diǎn)距離工作面20 m時(shí)，瓦斯?jié)舛冗_(dá)8.4%，測(cè)點(diǎn)距離工作面30 m時(shí)，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值15.8%，隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面大于30 m以后，瓦斯?jié)舛入S著測(cè)點(diǎn)距離工作面距離的增加不斷增大或逐漸減小，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為40 m以后，瓦斯?jié)舛刃∮?%；進(jìn)風(fēng)巷束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：測(cè)點(diǎn)距工作面距離為0～30 m，采空區(qū)瓦斯?jié)舛葹?%；測(cè)點(diǎn)距工作面31 m時(shí)瓦斯?jié)舛葹?.4%；測(cè)點(diǎn)距工作面50 m左右，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值1.2%。測(cè)點(diǎn)距工作面距離為30～50 m距離范圍內(nèi)，采空區(qū)濃度隨著測(cè)點(diǎn)距離工作面距離的增加逐漸增大，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛仁苓M(jìn)入采空區(qū)的新鮮風(fēng)流影響，整體瓦斯?jié)舛群艿?。根?jù)測(cè)定結(jié)果得到不同距離瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，為未來(lái)指導(dǎo)采空區(qū)瓦斯抽采埋管長(zhǎng)度提供了合理依據(jù)。

4 鄰近層采前采后瓦斯含量測(cè)試及涌出量分析

采空區(qū)瓦斯主要來(lái)源有回采丟煤瓦斯涌出、鄰近層瓦斯涌出及未采分層瓦斯涌出。這幾部分瓦斯隨著采場(chǎng)內(nèi)的煤層、巖層的變形或垮落而卸壓，按各自的規(guī)律涌入采空區(qū)，混合到一起。由于C5b煤層開(kāi)采方式為一次采全高，回采工作面采空區(qū)瓦斯主要來(lái)源于鄰近層。因此，確定采空區(qū)總瓦斯量需要開(kāi)展鄰近層瓦斯含量測(cè)定工作，通過(guò)鄰近層采前采后瓦斯含量變化，計(jì)算鄰近層涌入采空區(qū)的瓦斯總量，進(jìn)而得到采空區(qū)瓦斯涌出量(涌入工作面)占采空區(qū)瓦斯總量的比例，為瓦斯治理方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。各煤層煤樣瓦斯含量匯總情況詳見(jiàn)表2。

表2 煤樣瓦斯含量匯總表

根據(jù)煤-矸打鉆進(jìn)尺距離，得到鄰近煤層實(shí)際的煤層厚度，實(shí)際打鉆過(guò)程中，上鄰近層C5a煤層施工穿層鉆孔時(shí)煤層進(jìn)尺0.19 m，下鄰近層C6a煤層施工穿層鉆孔時(shí)煤層進(jìn)尺1.95 m，下鄰近層C6c煤層施工穿層鉆孔時(shí)煤層進(jìn)尺1.10 m，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。實(shí)際進(jìn)尺鉆桿數(shù)據(jù)表明152105回采工作面鄰近層C5a煤層實(shí)際厚度更薄，鄰近層C6a、C6c煤層實(shí)際厚度更厚。

表3 實(shí)際鄰近層鉆桿進(jìn)尺數(shù)匯總表

根據(jù)鄰近層煤層厚度計(jì)算鄰近層煤層瓦斯卸壓量，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Q鄰——鄰近層瓦斯涌出量，m3/min；

W含——第i鄰近層原始瓦斯含量，m3/t；

W殘——第i鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；

Ayi——第i鄰近層受日平均推進(jìn)影響的卸壓量，t。

將數(shù)據(jù)代入式(2),計(jì)算出C5b煤層開(kāi)采時(shí)鄰近層的絕對(duì)瓦斯涌出量，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算表

結(jié)果表明：上鄰近層C5a煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為1.05 m3/min，下鄰近層C6a、C6c煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為7.02、2.16 m3/min，鄰近層絕對(duì)瓦斯涌出量總計(jì)10.23 m3/min。下鄰近層C6a煤層瓦斯涌出量占鄰近層瓦斯總涌出量68.62%，而C5a煤層瓦斯涌出量占鄰近層總涌出量10.26%，下鄰近C6a煤層涌入采空區(qū)的瓦斯量占主要部分。

5 152105鄰近工作面漏風(fēng)規(guī)律測(cè)試與研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)向C5b煤層152105回采工作面鄰近采空區(qū)注入示蹤氣體，實(shí)測(cè)C5b煤層152105回風(fēng)巷的示蹤氣體顯現(xiàn)特征，進(jìn)而確定152104回采工作面采空區(qū)瓦斯是否存在透過(guò)152104機(jī)巷煤壁涌入152105回風(fēng)巷與采空區(qū)的可能性，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行理論分析與數(shù)據(jù)擬合，分析鄰近采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。

為了確定152105工作面與采空區(qū)之間的漏風(fēng)情況，根據(jù)礦井通風(fēng)測(cè)試資料，對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)可能漏風(fēng)的地點(diǎn)進(jìn)行全面檢查分析，查找可能進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的漏風(fēng)通道，以便準(zhǔn)確確定釋放地點(diǎn)和取樣地點(diǎn)。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)圖，最終選擇在03小口釋放SF6，測(cè)試過(guò)程中將氣體檢漏儀的感應(yīng)探頭緊貼煤壁，具體位置如圖9所示。

圖9 152105工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

測(cè)量地點(diǎn)選擇在152104運(yùn)輸巷與152105回風(fēng)巷之間的煤壁進(jìn)行全面檢測(cè)，測(cè)試過(guò)程中將氣體檢漏儀的感應(yīng)探頭緊貼煤壁。

152105工作面回風(fēng)巷采用示蹤氣體法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，釋放時(shí)間為09點(diǎn)30分，釋放地點(diǎn)為03小口，釋放初始?jí)毫?.01 MPa。檢測(cè)位置分別從巷道入口位置開(kāi)始，每隔5 m進(jìn)行一次測(cè)試，并記錄每次測(cè)試的時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度以及距離巷道出口的距離。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果和氣體泄漏儀對(duì)于152105工作面回風(fēng)巷的報(bào)警信號(hào)強(qiáng)度匯總，繪制信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度圖如圖10所示，從圖10可以直觀地看出152105工作面回風(fēng)巷距工作面10、65、110 m處漏風(fēng)較為嚴(yán)重，50～80 m處漏風(fēng)較為密集。

圖10 152105回風(fēng)巷信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度

SF6漏風(fēng)風(fēng)速可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：Vmin——最小漏風(fēng)風(fēng)速，m/min；

Lmin——漏風(fēng)源與漏風(fēng)匯之間最短的漏風(fēng)距離，m；

t——從SF6釋放到氣體檢測(cè)到SF6所經(jīng)歷的時(shí)間，min。

SF6漏風(fēng)量的計(jì)算：

(4)

式中：Qair——漏風(fēng)量，m3/min；

n——接收點(diǎn)個(gè)數(shù)；

Li——接收點(diǎn)距釋放點(diǎn)的距離，m；

ti——釋放時(shí)間至接收點(diǎn)初次收到SF6的累計(jì)時(shí)間，min；

Si——接收點(diǎn)密閉墻斷面積，m2。

開(kāi)采煤層采空區(qū)瓦斯涌出量:

q0=Qair·C

(5)

式中：q0——采空區(qū)瓦斯涌出量m3/min；

C——采空區(qū)瓦斯涌出濃度，%；

現(xiàn)場(chǎng)漏風(fēng)源與漏風(fēng)匯之間最短距離為240 m，檢測(cè)到SF6的時(shí)間為12點(diǎn)10分，共計(jì)160 min，接收斷面面積為6 m2，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定采空區(qū)瓦斯?jié)舛葹?0%，綜上計(jì)算鄰近工作面老空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量為0.9 m3/min，涌出量相對(duì)較小。

6 結(jié)論

(1)生產(chǎn)期間本煤層瓦斯涌出量占比大于50%，周期來(lái)壓期間采空區(qū)瓦斯涌出量占比大于50%，在下一步工作中應(yīng)加強(qiáng)本煤層預(yù)抽與采空區(qū)瓦斯治理工作。

(2)長(zhǎng)嶺煤礦落煤瓦斯解吸具有初始解吸量大、解吸速度快的特征，在保證煤礦安全生產(chǎn)的前提下，盡可能提高落煤運(yùn)輸速率，減少落煤在工作面放散的瓦斯量。

(3)采空區(qū)內(nèi)部距離工作面位置20～40 m處，瓦斯?jié)舛容^高，是理論分析的最佳埋管位置。

(4)長(zhǎng)嶺煤礦采空區(qū)瓦斯主要來(lái)源于鄰近層，對(duì)于152105工作面來(lái)說(shuō)，下鄰近層C6a煤層瓦斯涌出量占鄰近層總瓦斯涌出量68.62%，隨著開(kāi)采條件、地質(zhì)條件不斷變化，應(yīng)階段性對(duì)鄰近煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，掌握鄰近層瓦斯涌出量變化規(guī)律。

(5)盡管152104采空區(qū)至152105回采工作面風(fēng)差為逆向，鄰近采空區(qū)瓦斯也會(huì)通過(guò)擴(kuò)散的方式少量涌入152015回采工作面，在下一步工作中應(yīng)考慮采用煤壁噴漿等方式加強(qiáng)煤壁的密封性。