采煤工作面頂抽巷抽采氣體來源及范圍測定

李 丹

（挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

同忻礦C3-5#層8309 綜放工作面煤層相對瓦斯涌出量為2.45 m3/t，因放頂煤開采強度大，瓦斯絕對涌出量較大，最大絕對瓦斯涌出量為22.53 m3/min。工作面設(shè)計采用頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯，但抽采瓦斯?jié)舛绕?，?.3%～0.6%，略高于回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計抽采濃度。為了探明緣由，需要對頂抽巷實際抽采影響范圍及抽采氣體來源進(jìn)行測試與分析，決定采用SF6示蹤氣體技術(shù)開展相關(guān)研究。

1 工程概況

同忻礦C3-5#層8309綜放工作面走向長2844 m，傾向長200 m，平均煤厚14.09 m，平均傾角9°。工作面西部為礦井邊界煤柱，東部為盤區(qū)大巷，北部為實煤區(qū)，南部為8307 綜放工作面采空區(qū)。工作面為三巷布置，分別是2309 進(jìn)風(fēng)巷、5309 回風(fēng)巷、8309 頂抽巷，通風(fēng)方式為“U+I”型。8309 綜放工作面風(fēng)量由同忻礦三盤區(qū)主扇擔(dān)負(fù)，工作面回風(fēng)直接進(jìn)入三盤區(qū)回風(fēng)大巷后由三盤區(qū)回風(fēng)立井排出地面，沿途無采掘工作面。

2 頂抽巷抽采氣體來源及范圍測試

2. 1 測試原理

SF6示蹤氣體測定技術(shù)是通過釋放SF6示蹤氣體并使用SF6檢測儀檢出的技術(shù)。本次測試采用連續(xù)定量釋放法，即在回采工作面、上隅角、采空區(qū)等區(qū)域連續(xù)釋放高濃度SF6氣體，然后瓦斯抽采系統(tǒng)排氣側(cè)采取氣樣[1]，通過分析氣樣中是否含有SF6具體確定抽采影響范圍和抽采氣體來源構(gòu)成。工作面測點分布如圖1。

圖1 工作面測點分布總圖

2.2 測試方案

檢測人員分為3 組，分別為地面泵站接收組、5309 回風(fēng)巷接收組、8309 工作面釋放組。各組人員到達(dá)指定位置后，檢查儀器是否正常，準(zhǔn)備完畢后，地面與井下人員通過電話聯(lián)系，校對時間，約定釋放時間，井下接收組與釋放組通過人工傳話聯(lián)系。同時做好數(shù)據(jù)記錄，包括釋放時間、接收時間、釋放量。

2.3 數(shù)據(jù)測試及分析

檢測人員利用SF6示蹤技術(shù)對8309 頂抽巷抽采氣體來源進(jìn)行19 次測試，為了方便說明將8309 工作面人為劃分為6 大部分，分別為前運輸機(jī)至煤壁（簡稱前部）、工作面支架部分（簡稱中部）、后運輸機(jī)至采空區(qū)直接頂垮落巖石（簡稱后部）、工作面采空區(qū)、上部采空區(qū)、鄰近采空區(qū)。

（1）工作面前部測試

工作面前部釋放位置為支架前擺梁距煤壁1 m處，如圖2，地面泵站接收到示蹤氣體。前部屬于工作面主風(fēng)流，前部風(fēng)流直接經(jīng)工作面進(jìn)入回風(fēng)巷，理論上不存在前部風(fēng)流繞至工作面后部被頂抽巷抽采的可能性[2-3]?？梢酝茰y工作面前部頂煤存在與頂抽巷溝通通道。初步分析原因如下：工作面割煤擾動使得上部頂煤部分松動卸壓，產(chǎn)生少量裂隙，與上部頂抽巷小范圍溝通；放煤工藝使后部頂煤垮落，工作面前部頂煤整體性進(jìn)一步受到破壞，產(chǎn)生更多裂隙，與上部頂抽巷進(jìn)一步溝通；放煤結(jié)束后工作支架需要完成卸壓下降、移動支架、接頂承壓三個步驟，綜采支架的卸壓下降使得原本承壓頂煤突然卸壓，煤體間彈性受到破壞，以塑性破碎狀下降，喪失整體性，與頂抽巷產(chǎn)生大量縫隙溝通。雖然隨后支架再次接頂承壓，部分煤體縫隙體積受到壓縮，但煤體塑性狀態(tài)不具有可逆性，破碎煤體縫隙難以全部壓實，而且綜采支架再次接頂承壓對頂煤整體性又造成二次破壞，產(chǎn)生新的縫隙。綜上所述，受采煤工藝影響，工作面前部存在與頂抽巷提前溝通通道，頂抽巷存在抽采工作面前部風(fēng)流現(xiàn)象。

（2）工作面中部測試

工作面中部釋放位置為綜采支架后支柱偏后0.3 m 處，如圖2 所示，地面泵站接收到示蹤氣體。中部屬于工作面次主風(fēng)流，正常情況下，中部風(fēng)流直接經(jīng)支架空隙進(jìn)入回風(fēng)巷，理論上不存在中部風(fēng)流繞至工作面后部被頂抽巷抽采的可能性，因此可以推測工作面中部頂煤存在與頂抽巷溝通通道。初步分析原因如下：放煤工藝使頂煤垮落，工作面中部頂煤整體性受到破壞，產(chǎn)生裂隙存在與頂抽巷溝通的可能性；由于該處距離綜采支架后擺梁較近，預(yù)放煤體以不規(guī)則狀垮落，該部分煤體與工作面中部頂煤斷裂線也為不規(guī)則狀態(tài)，具有與頂抽巷之間存在不規(guī)則通道的可能性；由于破碎煤體以不規(guī)則塊狀垮落，也存在該部分氣體通過破碎煤體縫隙被抽采的可能；根據(jù)工作面前部測試結(jié)果分析，工作面放煤工藝對中部頂煤也產(chǎn)生同樣影響，導(dǎo)致頂抽巷與工作面中溝通。綜上所述，受放煤工藝影響，工作面中部存在與頂抽巷溝通通道，頂抽巷存在抽采工作面中部風(fēng)流現(xiàn)象。

圖2 工作面釋放位置剖面圖

（3）工作面后部測試

工作面后部釋放位置為超過后刮板0.5 m，離地1.5 m，如圖2 所示，地面泵站接收到示蹤氣體。后部屬于工作面次風(fēng)流，正常情況下，后部風(fēng)流經(jīng)運輸機(jī)上部通道，在上隅角區(qū)域與采空漏風(fēng)風(fēng)流混合后進(jìn)入回風(fēng)巷。因同忻礦頂抽巷布置在煤層內(nèi)，存在隨放隨垮現(xiàn)象，因此可以推測工作面后部存在與頂抽巷直接溝通通道，在頂抽巷上風(fēng)側(cè)釋放示蹤氣體，存在示蹤氣體隨風(fēng)流流經(jīng)頂抽巷下方被抽采現(xiàn)象。單純依據(jù)上風(fēng)側(cè)測試結(jié)果不能直接證明示蹤氣體直接被頂抽巷抽采。在頂抽巷下風(fēng)側(cè)釋放示蹤氣體，在無頂抽巷抽采作用下，在忽略氣體擴(kuò)散作用前提下，示蹤氣體不存在逆風(fēng)流流動情況，地面泵站接收到示蹤氣體，能夠說明該氣體是受頂抽巷作用被直接抽采。綜上所述，受頂抽巷布置層位影響，工作面后部存在與頂抽巷溝通的直接通道，頂抽巷存在抽采工作面后部風(fēng)流現(xiàn)象。

（4）上、下隅角測試

工作面上、下隅角釋放位置，如圖3 所示，根據(jù)工作面風(fēng)流運動規(guī)律，進(jìn)風(fēng)巷新鮮風(fēng)流在動能作用下，部分進(jìn)入工作面采空區(qū)，在下隅角釋放的示蹤氣體隨這部分漏風(fēng)風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，隨后在工作面與采空區(qū)壓差作用下涌向工作面。在地面抽采泵站接收到示蹤氣體，說明頂抽巷能夠截流部分采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流。在5309 回風(fēng)巷接收到示蹤氣體，說明頂抽巷并未完全截流采空區(qū)氣體，部分采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流涌入回風(fēng)巷。根據(jù)工作面氣體流動規(guī)律，由于工作面上隅角區(qū)域是多股風(fēng)流交匯地，存在多重流場，是工作面最容易引起瓦斯集聚的場所，也是工作面瓦斯災(zāi)害防治最難解決的區(qū)域，瓦斯治理措施能否有效降低上隅角瓦斯?jié)舛龋窃u判該措施是否有效的最直觀評價指標(biāo)。在工作面上隅角釋放，在地面抽采泵站接收到示蹤氣體，說明頂抽巷能夠抽采上隅角氣體，能夠攔截部分采空區(qū)瓦斯，對降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛燃肮ぷ髅嫱咚怪卫砥鸬揭欢ㄐЧ?，但總體來看同忻礦頂抽巷抽采瓦斯?jié)舛容^低，推測抽采效果一般。結(jié)合同忻礦頂抽巷布置位置，說明目前條件下，頂抽巷抽采影響范圍大于20 m。

圖3 上、下隅角測點分布及漏風(fēng)通道示意圖

（5）上部采空區(qū)氣體下泄測試

上部采空區(qū)測試釋放位置在5309 回風(fēng)巷采位120 m 處的上部采空區(qū)放水孔，如圖4 所示。

圖4 上部采空區(qū)釋放剖面示意圖

經(jīng)檢測人員考察，該處探水孔當(dāng)時處于封堵狀態(tài)，測試前打開探水孔閥門，無積水、雜物流出，利用瓦斯便攜儀進(jìn)行測試，便攜儀無變化。后采用壓風(fēng)裝置進(jìn)行透孔作業(yè)，透孔時間約為15 min，孔內(nèi)氣體釋放后再次利用瓦斯便攜儀測試，瓦斯?jié)舛妊杆偕咧?%以上，基本可以判斷透孔作業(yè)有效。隨后對該鉆孔釋放示蹤氣體，釋放時間約為10 min。為防止示蹤氣體集聚鉆孔內(nèi)部未進(jìn)入上部采空區(qū)，利用壓風(fēng)裝置進(jìn)行助推，隨后井下接收點接收到示蹤氣體。根據(jù)工作面上隅角區(qū)域測試結(jié)果，頂抽巷抽采影響范圍已影響到上隅角區(qū)域，而井下接收點為回風(fēng)巷距離工作面10 m 處，可以推測示蹤氣體應(yīng)經(jīng)上隅角流入回風(fēng)巷。因此可以推斷：頂抽巷抽采氣體組分含有上部采空區(qū)下泄氣體。

（6）鄰近采空區(qū)氣體測試

8307 工作面初采期間施工了地面鉆孔，因此檢測人員利用地面鉆孔向8307 采空區(qū)釋放示蹤氣體，在5309 回風(fēng)巷采位100 m 處進(jìn)行接收，觀測8307工作面采空區(qū)氣體在8309 回采期間是否涌向工作面。測試時工作面采位在70 m，經(jīng)檢測人員現(xiàn)場檢測，確認(rèn)接收到SF6信號。根據(jù)回采工作面礦山壓力規(guī)律及采場覆巖移動規(guī)律，8309 工作面回采至70 m 處時，存在本工作面采空區(qū)與鄰近采空區(qū)溝通現(xiàn)象，存在鄰近采空區(qū)氣體通過工作面采空區(qū)涌向回風(fēng)巷的可能性。結(jié)合上部采空區(qū)氣體下泄測試結(jié)果，也存在8309 工作面采空區(qū)與上部采空區(qū)溝通后示蹤氣體通過上部采空區(qū)涌出工作面回風(fēng)巷的可能性。結(jié)合8309 上隅角測試結(jié)果可以推斷：當(dāng)8309 工作面推進(jìn)至鄰空段70 m 后，8309 頂抽巷抽采氣體組分應(yīng)含有鄰近采空區(qū)氣體，即8309 工作面采空區(qū)與8307 工作面采空區(qū)存在漏風(fēng)通道。

3 現(xiàn)場測定結(jié)果

通過對8309 綜放工作面頂抽巷抽采氣體來源及范圍測定，可以初步得出如下結(jié)果：

（1）8309 頂抽巷抽采氣體來源分為四部分，分別是：工作面新鮮風(fēng)流、上部采空區(qū)氣體、鄰近采空區(qū)氣體、本工作面采空區(qū)氣體。除了工作面新鮮風(fēng)流外均為高瓦斯?jié)舛葰怏w。

（2）8309 工作面頂抽巷抽采影響范圍約20 m。

（3）8309 工作面頂抽巷存在抽采工作面新鮮風(fēng)流情況，主要通道為工作面前運輸機(jī)上部煤體裂隙、綜采支架中部煤體裂隙、后運輸機(jī)上部縫隙。

（4） 8309 工作面推進(jìn)至采位70 m 后，本工作面采空區(qū)與相鄰8307 采空區(qū)存在漏風(fēng)通道。

4 結(jié)語

同忻礦8309 綜放工作面SF6示蹤氣體測定結(jié)果表明，造成頂抽巷瓦斯?jié)舛绕偷脑蛑饕枪ぷ髅娲罅啃迈r風(fēng)流通過頂煤裂隙進(jìn)入了頂抽巷，要加強工作面頂板管理，控制放煤工藝，避免過度放煤，確保支架前后柱初撐力合格，減少因工作面頂煤破碎而形成的漏風(fēng)通道，從而杜絕工作面新鮮風(fēng)流直接進(jìn)入頂抽巷致使頂抽巷抽排瓦斯效果減弱。