郝 鋼

(汾西礦業(yè)集團(tuán)宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司)

某礦所處井田內(nèi)的含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，可采煤層為山西組3#煤層和太原組15#煤層。礦井采用混合開(kāi)拓方式，布置有主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井4個(gè)井筒。全礦井劃分為2個(gè)采區(qū)，一采區(qū)采用一次采全高采煤方法，二采區(qū)采用分層開(kāi)采方式。礦井采用全部垮落法管理頂板。礦井設(shè)計(jì)采用2個(gè)水平開(kāi)采3#、15#煤層，一水平標(biāo)高596.48 m，開(kāi)采3#煤層，布置3條大巷，即中央軌道運(yùn)輸大巷、中央膠帶運(yùn)輸大巷和中央回風(fēng)大巷；二水平標(biāo)高512 m，開(kāi)采15#煤層，布置3條大巷，即膠帶運(yùn)輸大巷、軌道大巷和回風(fēng)大巷。礦井采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，通風(fēng)方式為中央分列式，其中主、副斜井和進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)?；仫L(fēng)立井安裝2臺(tái)FBCDZ-8-No26B型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。通過(guò)對(duì)3#煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定，在480 m標(biāo)高以淺無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，礦井屬于高瓦斯礦井。為進(jìn)一步指導(dǎo)該礦瓦斯治理工作，本研究對(duì)礦井瓦斯排放帶寬度計(jì)算方法進(jìn)行研究。

1 瓦斯排放帶寬度實(shí)測(cè)

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

結(jié)合礦井實(shí)際情況，選定北膠帶大巷和3103運(yùn)輸順槽作為試驗(yàn)地點(diǎn)。北膠帶大巷布置于3#煤層中，巷寬4.5 m，巷高5.0 m。根據(jù)煤層埋深資料，北膠帶大巷埋深350～401 m，煤層總厚度為4.96 m，煤層傾角為1°～8°。工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)無(wú)斷層、沖蝕帶、陷落柱及火成巖，對(duì)掘進(jìn)作業(yè)無(wú)影響。工作面基本頂為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，厚度為9.24 m；直接頂為深灰色泥巖，厚度為3.68 m；底板為灰黑色泥巖，厚度為3.0 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通風(fēng)機(jī)壓入式供風(fēng)。

3013運(yùn)輸順槽沿3#煤層頂板掘進(jìn)，巷寬4.5 m，巷高2.7 m。根據(jù)煤層埋深資料，3013運(yùn)輸順槽埋深310～335 m，煤層總厚度為4.5m，煤層傾角為1°～8°。工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)無(wú)斷層、沖蝕帶、陷落柱及火成巖，對(duì)掘進(jìn)作業(yè)無(wú)影響。工作面基本頂為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，厚度為9.16 m；直接頂為深灰色泥巖，厚度為3.73 m；底板為灰黑色泥巖，厚度為3.11 m。采用FBD-No7.1型2×37 kW局部通風(fēng)機(jī)壓入式供風(fēng)。

1.2 瓦斯排放帶寬度實(shí)測(cè)

瓦斯含量是確定排放帶寬度的重要參數(shù)之一。通過(guò)測(cè)試巷幫煤體不同暴露時(shí)間及不同深度的瓦斯含量，可以確定該處的瓦斯排放帶寬度，而后對(duì)各測(cè)點(diǎn)處的排放帶寬度數(shù)據(jù)利用1stOpt軟件進(jìn)行處理[1-4]。本研究采用CHP50M煤層瓦斯含量快速測(cè)定儀測(cè)試瓦斯含量[5-7]。根據(jù)瓦斯排放帶寬度數(shù)值模擬結(jié)果，在暴露時(shí)間達(dá)到200 d時(shí)，3103運(yùn)輸順槽瓦斯排放帶寬度約20 m，北膠帶大巷瓦斯排放帶寬度約25 m。本研究在試驗(yàn)地點(diǎn)選取不同暴露時(shí)間的煤壁，用風(fēng)煤鉆打20～25 m深順層鉆孔，每2 m測(cè)試1次瓦斯含量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

根據(jù)表1、表2及鉆孔瓦斯含量與距煤壁距離的關(guān)系可知，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)煤層瓦斯含量基本不再變化，而是小幅波動(dòng)，瓦斯含量與距煤壁距離符合Logistic增長(zhǎng)函數(shù)(圖1)。當(dāng)所測(cè)瓦斯含量與其后2個(gè)含量值相比，波動(dòng)幅度均不大于5%時(shí)，則認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入原始瓦斯帶[8-9]，瓦斯排放帶寬度見(jiàn)表3。

表1 3103運(yùn)輸順槽瓦斯含量實(shí)測(cè)結(jié)

表2 北膠帶大巷瓦斯含量實(shí)測(cè)結(jié)果

圖1 Logistic增長(zhǎng)函數(shù)

由表3可知：利用Logistic增長(zhǎng)函數(shù)確定的排放帶寬度與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，證明模擬結(jié)果具有可靠性，可作為瓦斯排放帶寬度計(jì)算公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 瓦斯排放帶寬度計(jì)算方法

瓦斯排放帶寬度影響因素主控因素有瓦斯含量、暴露時(shí)間、透氣性系數(shù)和巷道斷面積[8-9]。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知：巷幫瓦斯排放帶寬度與暴露時(shí)間、煤層的原始瓦斯含量、巷道斷面積和煤層透氣性系數(shù)均成正相關(guān)關(guān)系。本研究將回歸模型假設(shè)為

表3 瓦斯排放帶寬度實(shí)測(cè)結(jié)果

(1)

式中，L為瓦斯排放帶寬度，m；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；t為暴露時(shí)間，d；S為巷道斷面面積，m2；λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；a、b、c、d、e為正常數(shù)，本研究a=1.371，b=0.663，c=0.232，d=0.042，e=0.280。

相關(guān)性系數(shù)R=0.984 3，卡方系數(shù)為2.017 1，假設(shè)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量F=930.988，運(yùn)算結(jié)果達(dá)到收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)。由運(yùn)算結(jié)果可知，該假設(shè)模型具有較高的相關(guān)性，可以滿足實(shí)際需要。

因此，瓦斯排放帶寬度計(jì)算公式為

(2)

式(2)明確顯示了排放帶寬度與原始瓦斯含量、巷道斷面面積、煤層透氣性系數(shù)及暴露時(shí)間的關(guān)系，在已知相關(guān)參數(shù)的情況下，可以計(jì)算得出相應(yīng)的瓦斯排放帶寬度。

為檢驗(yàn)式(2)的適用性，在3103回風(fēng)順槽、3103運(yùn)輸順槽、3104進(jìn)風(fēng)順槽和北膠帶大巷分別對(duì)排放帶寬度進(jìn)行測(cè)試，并同時(shí)對(duì)以上地點(diǎn)按式(2)計(jì)算出相應(yīng)數(shù)值，結(jié)果如表4所示。由表4可知：式(2)計(jì)算的排放帶寬度與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于10%，可見(jiàn)該公式的計(jì)算精度較理想，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

某礦隨著礦井開(kāi)采深度的不斷增加以及綜掘巷道掘進(jìn)速度的增大，礦井瓦斯災(zāi)害問(wèn)題日益突出。針對(duì)綜掘工作面不同于其他掘進(jìn)工藝的特征，對(duì)該礦不同巷道、不同暴露時(shí)間、不同深度的瓦斯含量的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，提出了巷幫瓦斯排放帶寬度的計(jì)算公式。工程驗(yàn)證表明：該公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均誤差小于10%，精度較好。

表4 不同測(cè)試地點(diǎn)的排放帶寬度計(jì)算誤差統(tǒng)計(jì)