礦井綜放開采工作面瓦斯涌出來源與分布規(guī)律分析

侯文梓

（山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

瓦斯是制約礦井生產(chǎn)安全的因素之一，掌握回采工作面瓦斯涌出規(guī)律可有效指導(dǎo)后續(xù)瓦斯治理工作開展[1-2]。礦井瓦斯賦存與煤厚、埋深、圍巖巖性以及構(gòu)造等因素相關(guān)，同時(shí)采面回采速度、采煤工藝及通風(fēng)方法也會(huì)影響瓦斯涌出[3-5]。根據(jù)有關(guān)研究成果，現(xiàn)階段生產(chǎn)礦井中約有68%以上回采工作面存在瓦斯涌出量大的問題[6]。眾多的研究學(xué)者對(duì)采面瓦斯涌出進(jìn)行研究，但由于不同礦井間煤層賦存條件、瓦斯含量以及回采速度等差異，導(dǎo)致采面間瓦斯涌出以及分布規(guī)律存在一定差異[7]。為此，文中以山西某礦31101綜放開采工作面為工程實(shí)例，采用現(xiàn)場實(shí)測方法對(duì)采面瓦斯涌出來源以及分布規(guī)律進(jìn)行探討。

1 工程概況

山西某礦為360萬t/年的大型現(xiàn)代化礦井，31101綜放工作面開采為3采區(qū)首采工作面，采面開采的11號(hào)煤層厚度介于3.7~7.3 m，均值6.27 m，傾角5°，煤層埋深深度平均320 m?，F(xiàn)場實(shí)測11號(hào)煤層瓦斯含量為4.75~6.35 m3/t，瓦斯壓力在0.57MPa，煤層透氣性系數(shù)0.061~0.147 m2/（MPa2·d）。31103綜放開采工作面設(shè)計(jì)傾斜長度為242m，推進(jìn)長度1150m，采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，回采巷道斷面均為5.0 m×3.5 m，具體采面巷道布置如圖1所示。31101主運(yùn)巷、輔運(yùn)巷均進(jìn)為進(jìn)風(fēng)巷，31103輔運(yùn)巷用以回風(fēng)，其中31101主運(yùn)巷與31103輔運(yùn)巷間留設(shè)有20 m寬保護(hù)煤柱。

圖1 采面巷道布置示意圖

2 11號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測

根據(jù)已有資料并結(jié)合礦井采掘期間煤層瓦斯含量測定結(jié)果，對(duì)11號(hào)煤層瓦斯含量隨埋深變化情況進(jìn)行預(yù)測，具體結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可得煤層原始瓦斯含量與埋深間本構(gòu)關(guān)系，具體為：W=0.197H-1.109。式中：W為瓦斯含量；H為埋深。

圖2 煤層原始瓦斯與埋藏深度間耦合曲線

從上述本構(gòu)關(guān)系可以看出，隨著埋深增加，11號(hào)煤層瓦斯含量呈逐漸遞增趨勢，埋深增加100 m，瓦斯含量增大約1.97 m3。

3 采面瓦斯涌出來源

3.1 本煤層瓦斯涌出

工作面在回采初期瓦斯涌出主要來源于本煤層，采空區(qū)以及鄰近層瓦斯涌出量較低，可忽略不計(jì)。本煤層瓦斯涌出在停采時(shí)主要來源于煤壁，正常生產(chǎn)時(shí)來源為煤壁及落煤。在對(duì)采面瓦斯涌出進(jìn)現(xiàn)場檢測期間發(fā)現(xiàn)，采面正?；夭善陂g瓦斯涌出量平均為7.67m3/min，停采期間瓦斯涌出量為5.65 m3/min，因此確定工作面正常回采期間落煤瓦斯涌出量約為2.02 m3/min。

3.2 采空區(qū)瓦斯涌出

在采面開始回采時(shí)由于采空區(qū)尚未形成，因此不會(huì)有采空區(qū)瓦斯涌出；當(dāng)采面推進(jìn)至初次來壓步距前，鄰近層瓦斯涌出量可忽略不計(jì)，采面瓦斯涌出主要為本煤層瓦斯以及采空區(qū)瓦斯。在采面初次來壓前，采面瓦斯涌出量約為12.5 m3/min，初采期間采面瓦斯涌出量平均為7.67 m3/min，因此確定采空區(qū)瓦斯涌出量為2.83 m3/min。

3.3 鄰近層瓦斯涌出

工作面在初采期間由于頂板未垮落、頂板裂隙不發(fā)育，鄰近層向回采空間內(nèi)涌出瓦斯基本為0；隨著采面推進(jìn)距離增加，頂板裂隙高度以及程度不斷增加，鄰近層瓦斯通過裂隙向回采空間不斷涌出，因此可將采面基本頂初次來壓前后采面瓦斯涌出差作為鄰近層瓦斯涌出量。現(xiàn)場礦壓監(jiān)測發(fā)現(xiàn)基本頂初次來壓步距約為28 m，基本頂垮落后采面瓦斯涌出量13.91 m3/min，瓦斯涌出量較初次來壓前（12.5 m3/min）增加約16.41 m3/min。因此，可判定采面鄰近層瓦斯涌出量約為16.41 m3/min。

通過上述檢測發(fā)現(xiàn)，采面煤壁、落煤、采空區(qū)以及鄰近層瓦斯涌出占比分別為21.0%、7.5%、10.5%、61.0%，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 采面瓦斯涌出來源統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 采面瓦斯分布規(guī)律

在采面切眼內(nèi)進(jìn)風(fēng)巷20 m位置開始布置第一測點(diǎn)，此后間隔25 m布置一排測點(diǎn)，共計(jì)布置8排測點(diǎn)，每排測站包含5個(gè)測點(diǎn)，對(duì)采面切眼內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r進(jìn)行測定。采面切眼內(nèi)每排測點(diǎn)分布情況如圖3所示。

圖3 切眼內(nèi)每排測點(diǎn)分布示意圖

測點(diǎn)濃度測定從3月5號(hào)開始至3月20號(hào)結(jié)束，3月8號(hào)、3月12號(hào)以及3月16號(hào)具體瓦斯?jié)舛葴y定結(jié)果如圖4所示。

從圖4看出，在采面切眼傾向方向上，隨著測點(diǎn)與回風(fēng)巷間距縮小，測點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎饾u增加，增加曲線基本呈線性；在切眼傾向方向上，1號(hào)—4號(hào)測點(diǎn)間（即液壓支架支柱前后區(qū)間）各個(gè)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓淮螅?號(hào)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛蕊@著增加（立柱后~放煤點(diǎn)），瓦斯?jié)舛葴y定值均在安全范圍內(nèi)。

圖4 瓦斯?jié)舛葴y定結(jié)果

5 結(jié)論

1）31101綜工作面回采期間瓦斯來源為煤壁、落煤、采空區(qū)以及鄰近層，瓦斯涌出量均值為13.64 m3/min，其中煤壁、落煤、采空區(qū)以及鄰近層瓦斯涌出量分別為5.65 m3/min、2.02 m3/min、0.93 m3/min、0.72 m3/min，占比分別為41.42%、14.81%、35.41%、8.36%。采面本煤層瓦斯涌出占采面瓦斯涌出的主導(dǎo)地位，主要是由于采面開采強(qiáng)度高導(dǎo)致；采空區(qū)瓦斯涌出占次要地位，但是整體涌出量較高，容易導(dǎo)致回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷等位置瓦斯超限。

2）對(duì)采面切眼內(nèi)瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)切眼內(nèi)回風(fēng)上隅角、液壓支架面立柱后到放煤點(diǎn)瓦斯?jié)舛日w較高。在后續(xù)采面回采過程中可通過采空區(qū)埋管、施工高位瓦斯抽采鉆孔等方式降低采空區(qū)以及鄰近層瓦斯涌出。