牛建華

(唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063100)

回采工作面的瓦斯涌出量來自兩個(gè)部分，一是煤壁及采落煤體涌出的瓦斯，該部分瓦斯直接進(jìn)入工作面的風(fēng)流，成為不可控制并由風(fēng)流帶走的瓦斯;二是采空區(qū)涌出的瓦斯，該部分瓦斯由采空區(qū)遺煤及未采煤體、鄰近層煤層、圍巖涌出的瓦斯組成，主要從回風(fēng)隅角涌出進(jìn)入回風(fēng)流，小部分在回風(fēng)隅角形成瓦斯積聚;準(zhǔn)確掌握工作面采場及采空區(qū)的瓦斯分布規(guī)律，便于采取有針對(duì)性的瓦斯災(zāi)害防治措施，使得瓦斯災(zāi)害防治工作事半功倍［1－3］。

塔山井田位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，主要開采二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，地層總厚86.2～177.20m，平均為157.93m，共含煤15層，煤層總厚38.25 m，含煤系數(shù)24%，現(xiàn)開采石炭紀(jì)二疊系3～5#煤層，煤層平均厚度15.72m，煤塵有爆炸性危險(xiǎn)，煤層有自然發(fā)火傾向，礦井瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井。礦井采用抽出式通風(fēng)通風(fēng)方式，由盤道村回風(fēng)立井回風(fēng)(井筒直徑6.5m)，礦井生產(chǎn)初期由主、副平硐及盤道進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)量為17000 m3/min，負(fù)壓為2116 Pa;后期礦井進(jìn)風(fēng)量為21000m3/min，負(fù)壓為2810Pa。

塔山煤礦8104綜放工作面采用綜合機(jī)械化采煤，煤層開采強(qiáng)度較大(日產(chǎn)量40000～60000 t/d)，瓦斯絕對(duì)涌出量較高(絕對(duì)瓦斯涌出量為31.17～46.75 m3/min)，瓦斯災(zāi)害給該工作面的安全高效開采帶來一定威脅。為此，本研究通過布置鉆孔和埋設(shè)束管測(cè)定采空區(qū)不同位置的瓦斯?jié)舛?，分析該工作面的采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布規(guī)律，并通過在綜放面不同斷面測(cè)定瓦斯?jié)舛葋硌芯克牟蓤鰞?nèi)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。

1 試驗(yàn)工作面概況

8104綜放工作面東為8103工作面;南為1070回風(fēng)巷、皮帶巷、輔運(yùn)巷;西為8105工作面，正在掘進(jìn);北為大同～喬村鐵路及建筑物保護(hù)煤柱。工作面主要開采石炭系太原組3#號(hào)煤層，煤層可利用厚度10.31～18.42m，平均厚度13.27 m，煤層傾角2～5°，平均 3°。工作面煤層標(biāo)高為 +1010 ～+1045m，走向長度2892 m，傾斜長度207 m，面積598644m2。采用U形通風(fēng)方式，綜采放頂煤開采工藝，全陷法管理頂板，割煤高度3.5m。

3#煤層原始瓦斯壓力為0.14～0.17 MPa，煤層瓦斯含量為1.6～1.97 m3/t，平均為1.78 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為171.71～428.80 m2/MPa2·d，百米鉆孔瓦斯流量為0.015～0.0212 m3/min·hm;鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.602～0.7427d－1。5#煤層原煤瓦斯殘存量為1.17m3/t。煤層屬自燃煤層，最短發(fā)火期為60天;煤層具有煤塵爆炸的危險(xiǎn)性，爆炸指數(shù)為37%。

2 采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊卮怪狈较虻姆植家?guī)律

2.1 采空區(qū)瓦斯?jié)舛葴y(cè)試方案

根據(jù)回采工作面礦山壓力規(guī)律的研究，開采煤層隨工作面回采，在工作面周圍將形成一個(gè)采動(dòng)壓力場，采動(dòng)壓力場及其影響范圍在垂直方向上形成三個(gè)帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在水平方向上形成三個(gè)區(qū)域，即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)(見圖 1)［4－5］。

圖1 回采工作面上覆巖層沿工作面推進(jìn)方向的分區(qū)

為分析和研究采空區(qū)“三帶”內(nèi)瓦斯的濃度分布特征，采用鉆孔測(cè)定法對(duì)塔山煤礦3#煤層8104工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測(cè)定。首先在塔山煤礦8104工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置測(cè)試鉆場，鉆場布置的平面圖和剖面圖如圖2、3所示。

鉆場距工作面開切眼距離350 m，鉆場布置6個(gè)鉆孔，鉆孔開孔高度距巷道底板分別為1.6 m和2.1 m，鉆孔開孔點(diǎn)水平間距為0.6 m，鉆孔終孔間距為5 m，鉆孔終孔距回風(fēng)巷的水平距離為8～32 m，距煤層頂板的垂直距離為55 m，鉆孔長度在100～120 m，鉆孔直徑Φ94 mm，各鉆孔布置參數(shù)見表1。

圖2 8104工作面高位鉆孔平面布置圖

圖3 8104工作面高位鉆孔剖面布置圖

表1 測(cè)試鉆孔參數(shù)表

2.2 測(cè)試觀測(cè)結(jié)果

在8104工作面回風(fēng)巷預(yù)打的測(cè)試鉆孔隨工作面的推進(jìn)逐步進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，距8104工作面回風(fēng)巷右?guī)途嚯x分別8、13、18、23、28、32m。鉆孔逐6個(gè)測(cè)試鉆孔終孔點(diǎn)分布在距煤層頂板25～55 m的范圍內(nèi)，步進(jìn)入采空區(qū)高冒落區(qū)后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔逐段垮落，測(cè)試鉆孔終孔點(diǎn)的高度逐步降低，降低幅度為5 m，通過分段測(cè)定的方法，測(cè)定各鉆孔終孔點(diǎn)的瓦斯?jié)舛取?/p>

鉆孔布置在工作面采空區(qū)上方，采動(dòng)壓力場形成的裂隙空間便成為瓦斯流動(dòng)通道。通過鉆孔內(nèi)的負(fù)壓，加速了瓦斯的流動(dòng)，使頂板鉆孔能夠抽出采空區(qū)高頂中的瓦斯。塔山礦8104工作面瓦斯富集區(qū)在煤層頂板豎直向上40～60 m、回風(fēng)巷向下0～50 m的裂隙圈范圍內(nèi)。

以測(cè)定點(diǎn)與回風(fēng)巷左幫的距離為橫坐標(biāo)，以瓦斯?jié)舛葹榭v坐標(biāo)，做出煤層頂板25～55 m范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛确置媲€圖，如圖4所示。

圖4 鉆孔法所測(cè)瓦斯?jié)舛确植记€圖

從上圖中可以看出，塔山礦綜放工作面高頂25～55 m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛确植甲韵露铣试龃蟮内厔?shì)，自下而上的最小濃度為6%，最大濃度可達(dá)20%，增大速度平均為每5 m增大2.3%;自工作面回風(fēng)巷至內(nèi)錯(cuò)32 m的范圍內(nèi)，同一標(biāo)高，瓦斯分布也呈增大趨勢(shì)。

3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊刈呦虻姆植?/h2>

塔山煤礦8104綜放工作面自開采以后，在5104回風(fēng)巷布置束管，監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)氣體分布的情況。通過束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下氣體進(jìn)行連續(xù)采樣分析，準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)處氣體成份;通過采空區(qū)埋管利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)分析采空區(qū)氣體組分，可以考察采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，同時(shí)，還可以總結(jié)出大采高綜放工作面采空區(qū)內(nèi)沿推進(jìn)方向的瓦斯分布規(guī)律。本研究選取部分束管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在8104綜放工作面回風(fēng)巷1136 m處埋設(shè)的束管采集了采空區(qū)以里0～200m范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，通過對(duì)上表的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，做出沿工作面推進(jìn)方向的瓦斯?jié)舛确植记€圖，如圖5所示。

圖5 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)瓦斯?jié)舛确植记€圖

對(duì)圖5進(jìn)行分析，可以看出采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植加赏獾嚼锍试龃筅厔?shì)，且瓦斯?jié)舛鹊脑龃蟛⒉皇浅示€性分布，而是分為三個(gè)階段，這三個(gè)階段分別的工作面以里0～60 m，瓦斯?jié)舛葟?.5%增大到2.8%;60～160m范圍內(nèi)，從3.6%增大到4.6%;160 ～200 m 范圍內(nèi)，從 5.7% 增大到6.1%。以上增大趨勢(shì)與塔山煤礦測(cè)定的“三帶”范圍基本重和(塔山煤礦散熱帶最大寬度為56 m，氧化帶最大寬度為186 m)，由此可以推斷出瓦斯?jié)舛仍诖蟛筛呔C放工作面采空區(qū)的分布也呈“三帶”式分布，增大趨勢(shì)呈非線性。

4 綜放工作面采場內(nèi)瓦斯分布規(guī)律

為摸清工作面瓦斯?jié)舛确植继卣骷吧嫌缃峭咚節(jié)舛鹊淖兓?guī)律，在工作面橫向和縱向分別布置測(cè)定斷面，橫向布置10個(gè)測(cè)定斷面，其中回風(fēng)巷內(nèi)布置3個(gè)測(cè)定斷面，第1斷面距回風(fēng)巷上幫0.3m，第2斷面距回風(fēng)巷幫2.6 m，第3斷面距回風(fēng)巷下幫0.3 m;工作面內(nèi)從91支架開始，每隔5個(gè)支架布置一個(gè)測(cè)定斷面，共計(jì)7個(gè)測(cè)定斷面，第4測(cè)定斷面～第10測(cè)定斷面分別在工作面第121、116、111、106、101、96、91 支架處。每個(gè)測(cè)定斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，第1測(cè)點(diǎn)距工作面煤壁0.1 m，第2測(cè)點(diǎn)在前運(yùn)輸機(jī)道正上方，第3測(cè)點(diǎn)布置人行道內(nèi)，第4測(cè)點(diǎn)布置在后運(yùn)輸機(jī)道正上方，第5測(cè)點(diǎn)布置在距采空區(qū)冒落煤壁0.1 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)距支架頂梁0.3 m(見圖6)。

圖6 8104工作面瓦斯?jié)舛葴y(cè)點(diǎn)布置圖

1)高位抽采巷未塌通，割煤機(jī)在90號(hào)支架以前進(jìn)行采、放煤作業(yè)，10個(gè)斷面中1、2和3號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓淮螅?和5號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓秶^大，其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.2% ～0.25%之間，2號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.15% ～0.2%之間，3號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.3% ～0.4%之間，4號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.85% ～1.5%之間，5號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.15%～2.5%之間，工作面瓦斯?jié)舛确植继卣饕妶D7。

2)高位抽采巷密閉抽采(混合抽采量500m3/min)，割煤機(jī)在90號(hào)支架以前進(jìn)行采、放煤作業(yè)，10個(gè)斷面中1、2和3號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓淮螅?和5號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓^大，其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.18% ～0.2%之間，2號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.13% ～0.17%之間，3號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.2% ～0.3%之間，4號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.25% ～0.43%之間，5號(hào)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍?.38% ～0.5%之間，工作面瓦斯?jié)舛确植继卣饕妶D8。

圖7 8104工作面瓦斯?jié)舛确植继卣鲌D

圖8 8104工作面瓦斯?jié)舛确植继卣鲌D

通過以上測(cè)定結(jié)果，可以看出，大采高綜放工作的瓦斯在通風(fēng)負(fù)壓的影響下，從上部、深部集到上隅角區(qū)域內(nèi)涌出。在工作面100號(hào)支架至上隅角之間的區(qū)域是采空區(qū)瓦斯涌出集中的區(qū)域，這部分區(qū)域瓦斯涌出量約占整個(gè)工作面的10%，在實(shí)施瓦斯治理時(shí)要以這部分區(qū)域?yàn)橹饕卫韰^(qū)域。

5 結(jié)論

1)依據(jù)鉆孔法所測(cè)數(shù)據(jù)，塔山礦8104綜放工作面高頂25～55 m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛确植甲韵露铣试龃蟮内厔?shì)，最小濃度為6%，最大濃度可達(dá)20%，增大速度平均為每5 m增大2.3%;自工作面回風(fēng)巷至內(nèi)錯(cuò)32 m的范圍內(nèi)，同一標(biāo)高，瓦斯分布也呈增大趨勢(shì)。

2)依據(jù)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植加赏獾嚼锍试龃筅厔?shì)，且瓦斯?jié)舛鹊脑龃蟛⒉皇浅示€性分布，而是分為三個(gè)階段，這三個(gè)階段分別的工作面以里0～60 m，瓦斯?jié)舛葟?.5%增大到2.8%;60～160 m范圍內(nèi)，從3.6%增大到4.6%;160～200 m范圍內(nèi)，從 5.7%增大到6.1%。瓦斯?jié)舛仍诖蟛筛呔C放工作面采空區(qū)的分布也呈“三帶”式分布，增大趨勢(shì)呈非線性。

3)依據(jù)綜放面斷面測(cè)試數(shù)據(jù)，在工作面100號(hào)支架至上隅角之間的區(qū)域是采空區(qū)瓦斯涌出集中的區(qū)域，這部分區(qū)域占整個(gè)工作面的10%，在實(shí)施瓦斯治理時(shí)要以這部分區(qū)域?yàn)橹饕卫韰^(qū)域。

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