高強(qiáng)度開采工作面瓦斯涌出規(guī)律及防治技術(shù)研究＊

趙 帥 付茂政 代華明

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

高強(qiáng)度開采工作面瓦斯涌出規(guī)律及防治技術(shù)研究＊

趙 帥1，2付茂政3代華明1，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

為探明塔山煤礦山4＃煤層8101工作面的瓦斯來源及涌出規(guī)律，以解決該工作面自開采以來出現(xiàn)的瓦斯頻繁超限情況，經(jīng)測(cè)定，該工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量約為7.6872 m3／min，其中，煤壁及割落煤涌出瓦斯量最大為7.0137m3／min，約占工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量的90%，且位于50＃～105＃支架之內(nèi)的瓦斯涌出量最大，應(yīng)著重治理。針對(duì)該情況，預(yù)采用工作面煤壁“淺孔快速、高效、強(qiáng)化抽采卸壓瓦斯”技術(shù)。

單元法 瓦斯來源 瓦斯涌出量 瓦斯抽采

塔山煤礦8101工作面為綜采高強(qiáng)度工作面，平均日產(chǎn)量為6243.3t，位于山4＃煤層盤曲巷道東部、東翼盤曲巷的南部，為山4＃煤層的首采工作面。該工作面自2011年7月21日開始生產(chǎn)，目前已推進(jìn)348m。工作面開采初期，瓦斯涌出量較小，但自2011年9月15號(hào)工作面推進(jìn)至175m時(shí)，工作面開始出現(xiàn)瓦斯超限，9月15日、16日和17日，工作面回風(fēng)瓦斯均出現(xiàn)瓦斯超限報(bào)警現(xiàn)象，最大濃度1.2%，隨后開采中工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛扔忻黠@的增加，平均保持在0.4%左右。塔山礦先后對(duì)工作面瓦斯超限進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)割煤速度、煤層硅化煤條帶的存在、鄰近層瓦斯的涌出等對(duì)工作面瓦斯超限有直接影響，但其根本原因尚未查清。在前期治理中先后采取了增大工作面風(fēng)量、降低割煤速度以及采空區(qū)頭尾封堵等措施，收效甚微且嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，并未從根本上解決超限的難題。本文的主要目地是為探明山4＃煤層8101工作面瓦斯的來源及涌出規(guī)律，為后期瓦斯治理提供理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)。

1 單元法工作面瓦斯涌出量及其分布規(guī)律實(shí)際測(cè)定

回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖1。從圖1來看，瓦斯超限（0.5%）發(fā)生頻率極高，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，因此，瓦斯治理勢(shì)在必。

1.1 單元法測(cè)定工作面瓦斯涌出的原理

將工作面分成若干個(gè)單元，測(cè)定每個(gè)單元的瓦斯涌出量大小和進(jìn)出斷面瓦斯?jié)舛?，然后進(jìn)行累加合成分析，可得出整個(gè)工作面的不同瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小和工作面的瓦斯?jié)舛确植?，這種方法稱為瓦斯單元測(cè)定法。

圖1 回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由于山4＃煤層8101綜采工作面較長(zhǎng)（228 m），本次測(cè)試將工作面劃分為13個(gè)單元。單元?jiǎng)澐智闆r見圖2，采煤工作面測(cè)點(diǎn)布置見圖3。每個(gè)單元斷面按圖3所示的位置布置測(cè)點(diǎn)，分布測(cè)定每個(gè)斷面的瓦斯?jié)舛菴1、C2、C3、C4（也可在斷面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)）和進(jìn)出單元斷面的進(jìn)出風(fēng)量Qin、Qout。

圖2 單元?jiǎng)澐质疽鈭D

圖4為瓦斯平衡和風(fēng)量平衡的計(jì)算示意圖，根據(jù)每個(gè)單元所應(yīng)遵循的瓦斯平衡方程、風(fēng)量平衡方程：

式中：Qin、Qout——流入和流出單元的風(fēng)量，m3／min；

Q1——從采空區(qū)流入本單元的漏風(fēng)量，m3／min；

qgoaf——從采空區(qū)涌入本單元的瓦斯量，m3／min；

qface——本單元內(nèi)煤壁、頂?shù)装寮安陕涿禾康耐咚褂砍隽浚琺3／min；

c1——漏風(fēng)流中（支架尾部）的瓦斯?jié)舛龋?；

cout、cin——分別為流出和流入本單元風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?。

可計(jì)算出每個(gè)單元中采空區(qū)的漏風(fēng)量和采空區(qū)的瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭瓦斯涌出量。

圖3 采煤工作面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4 瓦斯平衡和風(fēng)量平衡計(jì)算示意圖

1.2 單元法測(cè)定工作面瓦斯涌出源的步驟

（1）將每個(gè)工作面沿傾斜長(zhǎng)度劃分為13個(gè)單元、共計(jì)14個(gè)斷面，使用目前常用的瓦檢儀、風(fēng)速表及米尺進(jìn)行瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速及斷面尺寸的測(cè)定。

（2）測(cè)定每個(gè)單元的進(jìn)風(fēng)量和出風(fēng)量大小。

（3）測(cè)定每個(gè)單元進(jìn)風(fēng)斷面和回風(fēng)斷面由煤壁至采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛取?/p>

（4）根據(jù)瓦斯平衡方程、風(fēng)量平衡方程，計(jì)算每個(gè)單元的采空區(qū)漏風(fēng)量、采空區(qū)瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭的瓦斯涌出量。

2 工作面單元法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果分析

山4＃煤層三盤區(qū)8101工作面為兩巷布置，見圖5。2101巷為帶式輸送機(jī)巷道、5101巷為輔助運(yùn)輸巷道。分別測(cè)定每個(gè)單元中的特定尺寸（見圖3），其中，煤厚H變化幅度在2.9～3.1m，煤壁到擋板的距離L1為2.7m，擋板到支架尾部的距離L2為1.7m，根據(jù)所測(cè)的斷面特征尺寸，求出每個(gè)單元的斷面面積。按圖3所示，測(cè)定每個(gè)單元4個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速及風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋詈髮⑺脭?shù)據(jù)帶入公式，得出瓦斯涌出規(guī)律。

連續(xù)測(cè)定2個(gè)循環(huán)（即采煤班、檢修班各測(cè)兩次），然后根據(jù)實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)，分析工作面瓦斯的涌出規(guī)律。

2.1 工作面傾向方向瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（測(cè)點(diǎn)2），得到沿工作面傾斜方向的瓦斯?jié)舛确植?，見圖6。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，工作面瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)逐漸增大。其中從40?！?05＃支架位置的風(fēng)流瓦斯?jié)舛妊杆僭黾樱砻髟摲秶鷥?nèi)存在較大的瓦斯涌出源；105＃支架至回風(fēng)上隅角范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛扔兴鶞p低，表明采空區(qū)向工作面的漏風(fēng)對(duì)來流瓦斯有所稀釋（實(shí)測(cè)表明上隅角瓦斯?jié)舛纫恢陛^低，大約在0.13%～0.16%之間）。

圖6 8101工作面傾向方向瓦斯?jié)舛确植迹y(cè)點(diǎn)2）

2.2 煤壁瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的分布規(guī)律

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（測(cè)點(diǎn)1）所得到煤壁瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A斜方向的分布規(guī)律見圖7。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，工作面煤壁瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)的范圍內(nèi)存在兩個(gè)顯著的峰值，分別為45?！?5＃支架間的1號(hào)峰以及85＃～110＃支架間的2號(hào)峰，其中以2號(hào)峰的強(qiáng)度最大。表明煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度在工作面傾向方向上存在兩個(gè)較強(qiáng)的涌出源，在45?！?5＃支架的范圍和85＃～110＃支架的范圍內(nèi)。此結(jié)果與工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律對(duì)應(yīng)完好，表明測(cè)試規(guī)律基本準(zhǔn)確。

圖7 煤壁瓦斯?jié)舛妊貎A向的分布規(guī)律（測(cè)點(diǎn)1）

2.3 支架尾部及底板瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的變化規(guī)律

支架尾部瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的分布規(guī)律見圖8，底板處瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的分布規(guī)律見圖9。從圖8、圖9可知，采空區(qū)涌出瓦斯?jié)舛纫约翱拷装逄幫咚節(jié)舛染^低，其中底板涌出氣體在靠近回風(fēng)側(cè)稍有增加，其峰值濃度不超過0.18%。該結(jié)果表明：由于山4＃煤層8101工作面為沿煤層頂?shù)装暹M(jìn)行開采，采空區(qū)遺煤少，瓦斯釋放量較低；工作面不存在上下臨近層瓦斯的涌出或者說鄰近層瓦斯的涌出基本可以忽略。

圖8 支架尾部瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的分布規(guī)律（測(cè)點(diǎn)3）

2.4 煤壁及落煤瓦斯涌出量沿工作面傾向的變化規(guī)律

從圖6、圖7、圖8、圖9的分析結(jié)果來看，工作面的瓦斯涌出主要為煤壁及割落煤所釋放的瓦斯，綜合各測(cè)試單元內(nèi)的瓦斯平衡、風(fēng)量平衡可得煤壁及落煤所造成的絕對(duì)瓦斯涌出量以及其沿工作面傾向方向上的分布規(guī)律，見圖10。從結(jié)果可知，檢修期間瓦斯的總涌出量為5.6192m3／min，其中煤壁及機(jī)道內(nèi)由煤壁垮落的遺煤所涌出瓦斯總量約為4.4013m3／min，對(duì)應(yīng)回風(fēng)風(fēng)量3046m3／min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.19%，煤壁瓦斯涌出占78%。兩個(gè)采煤班測(cè)試期間，日平均煤炭產(chǎn)量約為4998t／d，兩次測(cè)試中最大絕對(duì)瓦斯涌出總量約為7.6872 m3／min，對(duì)應(yīng)回風(fēng)風(fēng)量3291m3／min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.24%，煤壁及割落煤涌出瓦斯量最大7.0137m3／min，約占工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量的90%左右。由此可知，對(duì)于山4＃煤層8101工作面來講，煤壁及落煤瓦斯釋放是工作面瓦斯涌出的主要源頭。

圖9 底板處瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的分布規(guī)律（測(cè)點(diǎn)4）

此外，由涌出量沿工作面傾向的分布規(guī)律可知，采煤期間，煤壁及割落煤瓦斯涌出量較大的位置在50?！?05＃支架之間，且兩次測(cè)試結(jié)果基本類同。因此，煤壁及落煤瓦斯涌出治理的關(guān)鍵在50?！?05＃支架的位置。

圖10 煤壁及落煤瓦斯涌出量沿工作面傾向的分布規(guī)律

3 工作面瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)分析

8101工作面風(fēng)量、風(fēng)排瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濃度、風(fēng)排瓦斯量、工作面瓦斯涌出總量及工作面月平均日產(chǎn)量等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析見圖11和圖12，自工作面回采至今，相對(duì)瓦斯涌出量有所增加，回采200m之前相對(duì)瓦斯涌出量平均約為1.7680m3／t，從200m處回采至今平相對(duì)瓦斯涌出量平均約為2.7106m3／t，總體可得8101工作面相對(duì)瓦斯涌出量平均約為2.2393m3／t。

工作面絕對(duì)瓦斯涌出量隨工作面日產(chǎn)量的變化情況見圖13，隨著工作面回采日產(chǎn)量的增加，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。兩個(gè)采煤班實(shí)際測(cè)試期間，日平均產(chǎn)量約為4998t／d，兩次測(cè)試中最大絕對(duì)瓦斯涌出總量約為7.6872m3／min，對(duì)應(yīng)回風(fēng)風(fēng)量3291m3／min，進(jìn)風(fēng)量2934m3／min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.24%。在工作面產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量6243.3t／d的情況時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量由原有數(shù)據(jù)推算將達(dá)到10.2301m3／min。

4 工作面煤壁“淺孔快速、高效、強(qiáng)化抽采卸壓瓦斯”技術(shù)

針對(duì)塔山煤礦8101工作面瓦斯涌出規(guī)律，預(yù)采取“淺孔快速、高效、強(qiáng)化抽采卸壓瓦斯”技術(shù)。并著重治理50?！?05＃支架之間的瓦斯。

4.1 技術(shù)原理

在集中應(yīng)力的作用下，工作面前方煤層出現(xiàn)擴(kuò)容膨脹現(xiàn)象，煤層透氣性顯著提高，為瓦斯流動(dòng)提供了有利通道，同時(shí)在集中應(yīng)力峰后區(qū)，煤層整體變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，鉆孔周圍的極限塑性區(qū)范圍急劇擴(kuò)大，這為動(dòng)壓區(qū)抽放瓦斯提供了有利條件。在工作面附近施工抽放鉆孔時(shí)，在抽放負(fù)壓的作用下，煤層瓦斯的流向發(fā)生了變化，不同狀態(tài)時(shí)煤層瓦斯的流動(dòng)狀態(tài)見圖14，由向煤壁的平行流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜚@孔的徑向流動(dòng)，從而減少了工作面的瓦斯涌出量。

圖14 不同狀態(tài)時(shí)煤層瓦斯的流動(dòng)狀態(tài)

4.2 鉆孔布置參數(shù)和抽放參數(shù)

鉆孔布置參數(shù)和抽放參數(shù)包括鉆孔深度、抽放影響半徑、抽放時(shí)間、鉆孔直徑、鉆孔抽放負(fù)壓、鉆孔布置方式、鉆孔流量變化規(guī)律等需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理布置。

一般鉆孔深度要求進(jìn)入工作面前方的塑性極限應(yīng)力區(qū)；增大鉆孔直徑可以提高鉆孔抽放量，但鉆孔直徑越大，越不利于鉆孔施工。同時(shí)，由于工作面淺孔動(dòng)壓抽放鉆孔要穿過工作面前方的卸壓區(qū)，進(jìn)入塑性極限應(yīng)力區(qū)，所以鉆孔直徑不宜超過100mm，一般建議鉆孔直徑為75～100mm較為合適。

圖15 綜采工作面卸壓區(qū)淺孔抽采示意圖

本技術(shù)實(shí)施需充分、有效利用檢修班的時(shí)間進(jìn)行工作面煤壁瓦斯的高效、強(qiáng)化抽采。

5 結(jié)論

8101工作面相對(duì)瓦斯涌出量約為2.2393m3／t，日平均產(chǎn)量約為4998t／d時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量約為7.6872m3／min，其中煤壁及割落煤涌出瓦斯量最大7.0137m3／min，約占工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量的90%；煤壁瓦斯涌出量在工作面傾向方向上的分布以50?！?05＃支架間的范圍為最大，應(yīng)當(dāng)著重治理。

［1］ 林柏泉等.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

［2］ 胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］ 鄔劍明，閆凱等.不同孔隙應(yīng)力下瓦斯吸附與解吸初速度研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（4）

［4］ 彭海濤，劉懷連，王校友.高突工作面淺孔抽放技術(shù)應(yīng)用與改進(jìn)［J］.煤礦安全，2009（9）

Rules of gas gushing at high intensive mining face and its control technology

Zhao Shuai1，2，F(xiàn)u Maozheng3，Dai Huaming1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.School of Arts and Design，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

The gas source and its gushing law at 8101mining face of No.4coal seam in Tashan Coalmine were verified to solve frequent gas exceeding limit after mining.It was found that the abstract gas emission was 7.6872m3／min，of which the maximum gas emission from the coal wall and the dropped coal was 7.0137m3／min，accounting for 90%of the abstract gas emission.Moreover，the maximum gas emission was in the region of No.50－105supports，which should be controlled as a key.In view of this，such technique as"rapid，high efficient and enhanced drainage via shallow borehole"should be adopted.

element method，methane source，gas emission，gas drainage

TD712.52

A

＊國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展（973）計(jì)劃（2011CB201205）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51074161）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（SKLCRSM08X03）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（09KF09）

趙帥（1987－），男，山東濱州人，現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事礦井瓦斯防治的研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）