任海峰 李樹剛 姚 飛 陳明泉 趙鵬翔

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學(xué)研究生院，陜西省西安市，710054；3.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西省和順鎮(zhèn)，032700）

隨著綜采放頂煤技術(shù)的推廣應(yīng)用，礦井單產(chǎn)水平不斷提高，瓦斯涌出量也相應(yīng)大幅度增加，嚴(yán)重影響綜放面安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效優(yōu)勢的發(fā)揮。眾多學(xué)者對綜放工作面瓦斯涌出量預(yù)測從不同角度開展了大量研究，研究表明瓦斯涌出量預(yù)測準(zhǔn)確與否直接影響著工作面回采的效率與人員的安全，而要想做到準(zhǔn)確預(yù)測工作面瓦斯涌出量，對影響綜放面瓦斯涌出的主要因素的分析必不可少，因此研究工作面瓦斯涌出量與之影響因素之間的變化規(guī)律，對制定合理有效的瓦斯防治措施具有極為重要的意義。

1 工作面概況

天池煤礦401工作面走向長1435 m，傾斜長180m，采高2.6m。主采太原組15＃煤層，煤厚4.05～4.86m，平均4.5 m，傾角約3°～15°，平均7°。工作面老頂為4.9～15.82m 的中砂巖，直接頂為2.38～3.2 m 的泥巖，直接底為2.4～6.4m的鋁質(zhì)泥巖，老底為2.67～4.38 m 的粉泥巖。工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機(jī)械化回采工藝，全部冒落法管理頂板。采用放頂煤回采，采高2.6m，放煤高度最大為1.9m，采放比1∶0.73。

2 工作面瓦斯來源分析及構(gòu)成

2.1 工作面瓦斯來源分析

天池煤礦401綜放面瓦斯來源與含瓦斯煤巖層賦存狀況及開采技術(shù)條件有關(guān)，主要來自開采層和鄰近層 （含圍巖），其瓦斯涌出源分布如圖1所示。

圖1 綜放面的瓦斯涌出源

從圖1中可以看出，工作面瓦斯主要由開采層煤壁瓦斯 （q1+q2）、采放落煤瓦斯 （q3+q4）、采空區(qū)遺煤瓦斯 （q5）、鄰近煤巖層瓦斯 （q6）構(gòu)成。401綜放面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除取決于煤層瓦斯含量外，還與開采強(qiáng)度密切相關(guān)。q1～q4與工作面采、放煤量成正比；q5除與產(chǎn)量有關(guān)外，還與回采率密切相關(guān)，回采率越小，q5越大；瓦斯源q6除取決于開采強(qiáng)度外，還與鄰近層厚度及其至開采層距離、層間巖石性質(zhì)、鄰近層瓦斯原始壓力以及煤層透氣性系數(shù)等密切相關(guān)。

一般把回采工作面老頂初次冒落前的平均瓦斯涌出量認(rèn)為是本煤層的瓦斯涌出量，將老頂初次冒落后的平均瓦斯涌出增加量認(rèn)為是鄰近層的瓦斯涌出量。根據(jù)401工作面實(shí)際情況，2011年1月29日—31日，老頂來壓之前正常生產(chǎn)時瓦斯涌出量平均為24.7m3／min，來壓后一個月內(nèi)平均瓦斯涌出量約59.9m3／min，其中本煤層瓦斯涌出量約占總涌出量的41.2%，鄰近層占58.8%，其變化曲線如圖2所示。

圖2 來壓前后瓦斯涌出量變化

2.2 工作面瓦斯構(gòu)成分析

2.2.1 初采期瓦斯涌出量構(gòu)成

圖3和圖4為高抽巷未起作用之前回風(fēng)巷、尾巷排放瓦斯量及各自所占比重。由圖3 和圖4 可知，初采期間，直接頂垮落之前，回風(fēng)巷排放瓦斯量約4.25～17.97 m3／min，平均11.84 m3／min；尾巷排瓦斯量約3.3～14.23m3／min，平均5.59 m3／min。因此，回采初期直接頂垮落之前煤壁及落煤瓦斯占涌出總量的49.1%～75.6%，平均66.6%，采空區(qū)占24.4%～50.9%，平均33.4%；直接頂垮落之后，回風(fēng)巷排放瓦斯量約6.53～11.87m3／min，平均7.92m3／min，尾巷排瓦斯量約18.56～41.86 m3／min，平均28.36 m3／min，即直接頂垮落之后煤壁及落煤瓦斯占涌出總量的18.1%～34.8%，平均22.4%，采空區(qū)占65.2%～81.9%，平均77.6%。

圖3 回風(fēng)巷、尾巷初采期間瓦斯涌出變化

圖4 回風(fēng)巷、尾巷初采期間瓦斯涌出比例

2.2.2 正?；夭善谕咚褂砍鰳?gòu)成

圖5和圖6為高抽巷、尾巷、回風(fēng)巷抽排瓦斯量及各自所占比重。由圖5和圖6可知，一般采空區(qū)及鄰近層瓦斯涌出量為64.2～86.1m3／min，平均68.8 m3／min，開采層瓦斯涌出量為6.46～10.59m3／min，平均8.41m3／min；采空區(qū)瓦斯涌出量所占比例88.8%～93.3%，平均91.2%，開采層瓦斯涌出量為7.1%～11.2%，平均8.8%。

圖5 正常回采期工作面瓦斯抽采量

圖6 尾巷、高抽巷及回風(fēng)瓦斯涌出比例

3 工作面瓦斯涌出影響因素分析

3.1 瓦斯涌出量與煤炭日產(chǎn)量的關(guān)系

在401工作面正?；夭善陂g，測定了不同煤炭產(chǎn)量下的絕對與相對瓦斯涌出量，如圖7和圖8所示。觀測結(jié)果表明，總體趨勢是綜放面絕對瓦斯涌出量隨煤炭產(chǎn)量的增加而有所增大，但增長趨勢較??；相對瓦斯涌出量隨著煤炭產(chǎn)量的增大而呈負(fù)指數(shù)關(guān)系減小，具體關(guān)系如式 （1）所示：

式中：q——相對瓦斯涌出量，m3／t；

x——煤炭日產(chǎn)量，t／d。

3.2 瓦斯涌出量與配風(fēng)量的關(guān)系

2011年3 月1-8 月31 日，對401 工 作 面、回風(fēng)巷及瓦斯尾巷的瓦斯涌出量進(jìn)行了連續(xù)現(xiàn)場觀測。觀測結(jié)果表明，隨著配風(fēng)量的減少，工作面瓦斯涌出量逐漸增大，使得瓦斯涌出總量也隨之增大，而回風(fēng)巷與瓦斯尾巷的風(fēng)排瓦斯量增幅較小，甚至出現(xiàn)小幅降低，其主要原因在于風(fēng)量減小采空區(qū)透風(fēng)相應(yīng)減小，采空區(qū)深部瓦斯隨漏風(fēng)被帶入回采空間的量隨之減小，如圖9所示?？梢姾侠砼滹L(fēng)對控制采空區(qū)瓦斯涌出及工作面瓦斯涌出量具有重要作用。

圖7 絕對瓦斯涌出量與煤炭日產(chǎn)量的關(guān)系

圖8 相對瓦斯涌出量與煤炭日產(chǎn)量的關(guān)系

3.3 瓦斯涌出量與礦山壓力的關(guān)系

研究表明，瓦斯的絕對涌出量與采場礦山壓力有明顯的關(guān)系，工作面絕對瓦斯涌出量、瓦斯?jié)舛扰c推進(jìn)距離的關(guān)系如圖10 所示。由圖10 可知，2011年1 月22 日、1 月23 日 工 作 面 直 接 頂 板 垮落，絕對瓦斯涌出量由1月10日的23m3／min增加至約30.5m3／min，垮落時絕對瓦斯涌出量是之前的1.33倍；工作面在1 月29日-1 月31日老頂來壓，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔?.46%增加到0.71%，尾巷瓦斯?jié)舛扔?.27%增加到1.98%，涌出量由25.65m3／min增大到41.03m3／min，來壓時絕對瓦斯涌出量是之前的1.6倍。

初次來壓后，工作面每向前推進(jìn)一定距離，絕對瓦斯涌出量均有一突然增大現(xiàn)象，來壓前絕對瓦斯涌出量平均為70.2m3／min，來壓時均值分別為96.3m3／min，來壓時絕對瓦斯涌出量是來壓前的1.37倍。

圖9 配風(fēng)量與瓦斯涌出量關(guān)系

圖10 工作面瓦斯涌出量與推進(jìn)距關(guān)系

瓦斯涌出量在頂板周期來壓的整個過程中出現(xiàn)先減小后突然增大的變化趨勢，這是由于從上一次周期來壓結(jié)束后，煤層上方覆巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而應(yīng)力峰值在工作面前方一定范圍內(nèi)使得工作面前方煤體中裂隙及孔隙受壓而收縮，使得煤層滲透性下降，導(dǎo)致瓦斯涌出量減小，煤體中瓦斯壓力升高。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板發(fā)生周期來壓，覆巖斷裂使原本受壓的煤體卸壓，導(dǎo)致煤體中裂隙擴(kuò)張并伴有新裂隙出現(xiàn)，增大了煤體的透氣性，使一部分原本吸附在煤體中的瓦斯解吸并于與此時游離的瓦斯一同釋放，使瓦斯涌出量劇增。瓦斯涌出量的變化周期與礦山壓力的來壓步距近乎相等，由此說明綜放面瓦斯大量快速涌出是礦山壓力的一種顯現(xiàn)，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)來壓的判斷進(jìn)行瓦斯涌出的預(yù)測。

4 結(jié)論

（1）通過對工作面來壓前后瓦斯涌出量的對比分析，本煤層瓦斯涌出量約占總涌出量的41.2%，鄰近層占58.8%，回采過程中頂板垮落前采空區(qū)涌出的瓦斯在工作面瓦斯涌出總量中平均占33.4%，直接頂垮落后平均占77.6%，正常回采期間平均占91.2%。

（2）綜放面絕對瓦斯涌出量隨煤炭產(chǎn)量的增加而有所增大，相對瓦斯涌出量隨著煤炭產(chǎn)量的增大而呈負(fù)指數(shù)關(guān)系減小，同時隨著配風(fēng)量的增大，工作面瓦斯涌出量逐漸增大。

（3）正常回采過程中，直接頂垮落，工作面瓦斯涌出量是其未垮之前的1.33倍，而初次來壓后瓦斯涌出量是來壓前的1.6倍，此后隨工作面推進(jìn)一定的距離，工作面瓦斯涌出量均會出現(xiàn)周期性增大，其周期與礦山壓力的來壓步距幾乎相等。

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