趙海波　劉子坤　胡彬強　張　培

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司;2.陜西華彬煤業(yè)股份有限公司；3.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院)

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下溝礦ZF301工作面瓦斯涌出規(guī)律分析

趙海波1劉子坤2胡彬強2張培3

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司;2.陜西華彬煤業(yè)股份有限公司；3.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院)

為避免下溝煤礦ZF301工作面瓦斯災害，對構(gòu)成該工作面瓦斯的組成進行了監(jiān)測，主要包括落煤瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量和采空區(qū)瓦斯涌出量。通過對實測結(jié)果分析研究，得出了落煤和煤壁瓦斯涌出強度的計算公式及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?，為該礦工作面通風管理和制定抽采方案提供了指導。

采煤工作面瓦斯監(jiān)測瓦斯分布

礦井瓦斯災害的主要表現(xiàn)形式以爆炸、突出、窒息為主[1-2]，特別是高瓦斯礦井災害影響尤為嚴重。下溝礦301綜放工作面在回采過程中瓦斯涌出量大，嚴重影響該煤礦的正常生產(chǎn)和井下工人的生命安全。為此，必須掌握工作面瓦斯涌出規(guī)律和分布情況，從而嚴格控制工作面瓦斯涌出。

1　工作面概況

陜西華彬煤業(yè)有限公司下溝煤礦ZF301工作面位于403采區(qū)，地面標高1 050m，井下標高675～750m，北為403采區(qū)待采實煤體，南為井田邊界，東為403采區(qū)3條上山保護煤柱，西為井田邊界。走向長度2 875m,傾斜推進長度184.5m，主采煤層為4#煤，該煤層平均厚度12m，結(jié)構(gòu)單一，傾角為0°～25°,平均絕對瓦斯涌出量大于40m3/min，屬于高瓦斯煤層[3]。

2　工作面瓦斯涌出規(guī)律

工作面瓦斯主要由煤壁、落煤、采空區(qū)這三部分涌出的瓦斯構(gòu)成[4]。為充分了解該工作面瓦斯涌出規(guī)律，必須對該三部分的瓦斯涌情況進行研究。

2.1落煤時瓦斯來源及涌出規(guī)律

2.1.1落煤瓦斯來源

煤塊采下后被切割分離，煤體中游離和部分吸附瓦斯釋放，涌向回采工作面，因而落煤瓦斯涌出量與落煤煤塊粒度、滯留時間等因素有關(guān)。

2.1.2落煤瓦斯涌出規(guī)律

通過實地測量工作面瓦斯?jié)舛龋嬎懵涿簳r瓦斯涌出量。由于瓦斯涌出量與瓦斯涌出強度呈線性關(guān)系，根據(jù)相關(guān)文獻[5]，瓦斯涌出量與瓦斯涌出強度關(guān)系式為：

(1)

式中，q1為回采工作面落煤時瓦斯絕對涌出量，L/min；w0為瓦斯涌出強度，L/min；a、b為回歸系數(shù)。

根據(jù)式(1)計算出瓦斯涌出強度，其變化曲線見圖1。

圖1　落煤時瓦斯涌出強度隨時間的變化曲線

根據(jù)圖1可知，落煤時瓦斯涌出強度與煤塊的暴露時間近似為雙曲線,調(diào)整為：

(2)

式中，w1為經(jīng)過t1時間后，瓦斯涌出強度，L/min；w01為煤塊從煤壁落下1min后瓦斯涌出強度，L/min；t1為時間(t1≠0)，min;α為衰減系數(shù)。

將式(2)兩邊取對數(shù)，可得：

Lnw1=Lnw01-αLnt1.

(3)

將所得到的數(shù)據(jù)代入到式(3)中，經(jīng)線性回歸，得w01=593.58L/min,α=0.33，即

(4)

式(4)只適用于下溝礦ZF301回采工作面瓦斯涌出強度隨時間的變化，對于不同地區(qū)的不同回采工作面，應對w01、α給予適當?shù)男拚?/p>

2.2煤壁瓦斯來源及涌出規(guī)律

2.2.1煤壁瓦斯來源

2.2.2煤壁瓦斯涌出規(guī)律

利用巷道測定法可以測得煤壁瓦斯涌出量，并應用式(1)可以計算出煤壁瓦斯涌出強度，煤壁瓦斯涌出強度隨時間變化曲線如圖2。在落煤和煤壁計算瓦斯涌出強度時，回歸系數(shù)a、b取不同值。

圖2　煤壁瓦斯涌出強度隨時間的變化曲線

由圖2可以看出，煤壁瓦斯涌出強度隨時間變化可以近視看做一條曲線，將經(jīng)驗公式調(diào)整為：

(5)

式中，w2為煤壁瓦斯涌出強度，m3/d；w02為t2=1d時，瓦斯涌出強度，m3/d；t2為時間(t2≠0)，d；β為衰減系數(shù)。

將式(5)兩邊分別取對數(shù)，可得：

Lnw2=Lnw02-βLnt2.

(6)

將所得到的數(shù)據(jù)代入到式(6)中，經(jīng)線性回歸，可得w02=11.25m3/d，β=0.55 .即

巖溶含水介質(zhì)具有的高度非均質(zhì)性，導致地下水分布不均勻，地下水運動狀態(tài)復雜多變，因此在巖溶含水層中獲取水文地質(zhì)參數(shù)施工難度大、成本高。單孔抽水試驗以其實施過程簡單、成本可控、成果精度基本可靠的特點，被廣泛應用于水文地質(zhì)普查階段和初步勘查階段，用以初步查明含水層水文地質(zhì)參數(shù)。本文通過在新化縣孟公集鎮(zhèn)的泥盆系棋子橋組(D2q)灰?guī)r含水中的單孔抽水試驗，對運用單孔抽水試驗獲取巖溶含水層的水文地質(zhì)參數(shù)的計算方法及應用條件進行了探討，為在巖溶地區(qū)求取水文地質(zhì)參數(shù)提供參考。

(7)

式(7)只適用于下溝礦ZF301回采工作面煤壁瓦斯涌出強度隨時間的變化，對于不同地區(qū)的不同回采工作面，應對w02、β給予適當?shù)男拚?/p>

2.3采空區(qū)瓦斯涌出來源及規(guī)律

2.3.1采空區(qū)瓦斯涌出來源

下溝礦301工作面開采方式為綜采，采放比為1∶3。放頂煤難以控制，回收率較低，僅占63.2%，使得大量放落煤被遺留在采空區(qū)，從而釋放出大量的瓦斯。同時受礦山壓力影響，位于綜放支架附近的煤產(chǎn)生裂隙，導致瓦斯不斷向采空區(qū)涌出。

2.3.2采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紲y定

為了解采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?，?01工作面回風巷布置測定管路。測定管路應按以下要求布置：

(1)采空區(qū)縱深方向瓦斯?jié)舛确植紲y定。向采空區(qū)縱深方向每隔5m布置一個測點，約18個測點。

(2)采空區(qū)垂直方向濃度分布測定。分別在距工作面5，10m處沿距底板垂直方向每隔0.3m布置一個測點，共約12個測點。

為保證測定管路的正常工作而不被破壞，應用鐵管加以保護。

2.3.3采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植技胺治?/p>

各測點采空區(qū)瓦斯分布見圖3。

圖3　距工作面不同距離的采空區(qū)測點瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

2.3.3.1301工作面采空區(qū)縱深方向瓦斯分布特征

(1)距離工作面越近，采空區(qū)上部瓦斯?jié)舛仍降?，這是由于工作面的風流對瓦斯稀釋、運移作用而造成的。

(2)隨著采空區(qū)距工作面的距離增大，采空區(qū)上部瓦斯?jié)舛仍絹碓酱?，當距工作?5m時，瓦斯?jié)舛冗_到了最大值，為16.3%，這是由于距采空區(qū)5～25m正位于卸壓區(qū)，采空區(qū)上部煤層及圍巖向采空區(qū)大量涌出瓦斯和風流作用造成。

(3)隨后采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S著距工作面的距離增大而減小，但仍高于工作面瓦斯?jié)舛?，其原因是附近瓦斯源的減少和對流稀釋、運移該區(qū)域瓦斯。

(4)隨著測點距工作面距離的進一步增大，瓦斯涌出濃度開始有增大的趨勢，原因在于雖然瓦斯源減少，但風流對瓦斯的稀釋和運移作用減小。

2.3.3.2距底板不同垂直距離的瓦斯分布

(1)由于瓦斯密度低于空氣密度，瓦斯上浮，越靠近頂板瓦斯?jié)舛仍礁撸娇拷装逋咚節(jié)舛仍降汀?/p>

(2)在距工作面5m處，采空區(qū)瓦斯?jié)舛却怪狈植甲兓^小；在10m處時，瓦斯垂直分布變化較大。說明采空區(qū)距工作面一定距離的范圍內(nèi)，距離越大，瓦斯?jié)舛却怪狈植甲兓酱?，即越靠近工作面，風流對瓦斯的稀釋和運移作用越強，距離越遠，作用越弱。

3　回采工作面瓦斯構(gòu)成比例及控制措施

將各測試管路所得到的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)進行處理，得出下溝煤礦3采區(qū)301工作面瓦斯構(gòu)成所占的比例，如表1所示。

表1　下溝礦綜放301工作面瓦斯構(gòu)成

從表1可以看出，下溝礦綜放301工作面瓦斯主要來源于落煤，其原因是由于該工作面煤的產(chǎn)量大，推進速度塊。經(jīng)現(xiàn)場實測及計算，63.96%～73.45% 的瓦斯是在落煤25～30min涌出的。因而為降低落煤時涌出的瓦斯量，應加快煤的運輸，同時應合理控制開采速度，使得開采速度與運煤速度匹配，避免大量煤滯留時間太久；煤壁瓦斯涌出量占40.81%，也相當大，為了減少煤壁瓦斯和落煤瓦斯的涌出量，建議提前打鉆進行瓦斯預抽采；采空區(qū)瓦斯涌出量占13.91%，也不容忽略。依據(jù)現(xiàn)場條件及分析，建議采用頂板巷道抽放措施進行采空區(qū)瓦斯處理。

4　結(jié)　語

通過對301綜放工作面落煤、煤壁瓦斯的實地監(jiān)測，得出了落煤和煤壁瓦斯涌出強度的計算公式及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植肌?/p>

通過計算，得出落煤瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯涌出量及占整個工作面瓦斯的比例，建議對該三部分采取不同措施，以達到降低工作面瓦斯?jié)舛鹊哪康?，為該礦工作面通風管理和抽采方案提供科學性指導。

[1]潘霞.高瓦斯厚煤層采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學,2010.

[2]謝榮生.綜采工作面的瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯涌出量的預測[D].太原：太原理工大學,2005.

[3]候飛強.改建礦井瓦斯涌出量預測研究與應用[J].廣東化工,2014(1):19-20.

[4]張麗麗，李誠玉，李昕.采空區(qū)瓦斯涌出量的幾種計算方法[J].煤炭技術(shù),2007(8):71-72.

[5]李宗翔,題正義,趙國忱.瓦斯安全管理新指標—采空區(qū)瓦斯涌出強度[J].遼寧工程技術(shù)大學學報,2005(6)：42-46.

2016-03-09)

趙海波(1984—)，男，助理工程師，113006 遼寧省撫順市。