吉昌生

(山西省高平市煤炭生產(chǎn)管理中心，山西 高平 048400)

0 引言

隨著現(xiàn)代化采煤技術(shù)的發(fā)展，越來越多的掘進(jìn)工作面開始大規(guī)模使用綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)，大大提高了工作面的掘進(jìn)效率，而且配套化的綜掘技術(shù)保障了掘進(jìn)工作的安全性，從而使得煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率大為提高[1-2]。但是對(duì)于高瓦斯礦井來說，由于綜掘過程中對(duì)于煤巖應(yīng)力的擾動(dòng)作用強(qiáng)，原本煤巖中吸附態(tài)和游離態(tài)的瓦斯很容易在這種外加應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)移，使得掘進(jìn)巷道中的瓦斯量異常，這就會(huì)嚴(yán)重制約掘進(jìn)工作面的正常掘進(jìn)。因此，研究高瓦斯掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出規(guī)律對(duì)于高瓦斯礦井的正常掘進(jìn)，保證掘進(jìn)效率、提高掘進(jìn)安全性、減少瓦斯災(zāi)害事故具有十分重大的意義[3-4]。

掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量及涌出規(guī)律與掘進(jìn)面所處的地質(zhì)條件和掘進(jìn)技術(shù)有關(guān)。本文以高瓦斯礦井——余吾煤業(yè)為研究對(duì)象，通過對(duì)S5202回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中的瓦斯涌出量進(jìn)行實(shí)測(cè)來做出瓦斯涌出規(guī)律分析。

1 工作面概況

余吾煤業(yè)現(xiàn)主采3#煤層，煤層總厚為6.15～6.47 m，平均厚度為6.31 m；煤層傾角為-5°～+2°，平均為-1.5°；煤層厚度穩(wěn)定，為大部可采穩(wěn)定煤層。通過地質(zhì)綜合柱狀圖分析，3#煤層位于二疊系山西組地層的中下部，屬陸相湖泊沉積；煤層局部含0.1～0.7 m炭質(zhì)泥巖夾矸。老頂?shù)闹饕煞譃榧?xì)粒砂巖，交錯(cuò)夾泥巖及粉砂巖條帶，局部具有方解石裂隙，厚度為10.25～11.37 m，厚度較穩(wěn)定，構(gòu)成3#煤層頂板的主要部分。直接頂主要成分為泥巖，并在局部地區(qū)含少量的云母碎片，厚度為0.9～2.74 m，巖性致密但厚度較薄。直接底主要成分為深灰色泥巖，在直接底下部局部夾有0.25 m厚的細(xì)砂巖薄層，厚度在1.15～2.95 m之間分布，同樣巖性較為致密。老底主要成分為粉砂巖，夾泥巖條帶，厚度為3.16～7.43 m。

在2016年全礦的瓦斯涌出量鑒定中測(cè)得瓦斯涌出量為340.2 m3/min，鑒定為高瓦斯礦井。作為研究對(duì)象的S5202工作面設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 767 m，掘進(jìn)速度為5.4 m/d，在進(jìn)行S5202工作面的掘進(jìn)過程中，測(cè)得回風(fēng)順槽的原始瓦斯含量11.3 m3/t，在掘進(jìn)過程中面臨著嚴(yán)重的瓦斯涌出現(xiàn)象。

2 掘進(jìn)工作面瓦斯

2.1 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出特征

瓦斯來源：S5202工作面主要在3#煤層中掘進(jìn)，為單一煤層的掘進(jìn)方式，與上下部可采煤層的距離較遠(yuǎn)，因此這種單一煤層掘進(jìn)方式的工作面瓦斯涌出量來源主要為煤壁和落煤。在綜掘機(jī)不斷掘進(jìn)的過程中，大量的煤壁暴露出來，煤層內(nèi)部的瓦斯不斷通過煤壁涌入掘進(jìn)工作面，同時(shí)，在綜掘機(jī)進(jìn)行迎頭落煤的過程中，割煤所產(chǎn)生的大量裂隙成為煤體中吸附瓦斯的運(yùn)移通道，煤體中的瓦斯大量涌出，共同造成了工作面瓦斯含量的超限。

瓦斯涌出特征：與傳統(tǒng)的炮掘工作面相比[5]，采用綜掘方式的工作面瓦斯涌出量具有如下特征。①采用綜掘的方式，工作面的掘進(jìn)速度較快，割煤后的落煤能及時(shí)通過運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)出工作面，使得掘進(jìn)相同長(zhǎng)度的工作面，綜掘方式的相對(duì)瓦斯涌出量相對(duì)較小；②綜掘的割煤速度可操控性強(qiáng)，而炮掘效果受制于爆破藥的質(zhì)量、含量以及爆破地點(diǎn)的選擇，每次的爆破效果難以預(yù)知，因此綜掘方式的瓦斯涌出相對(duì)均衡；③掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出含量與掘進(jìn)工作面的長(zhǎng)度、煤體瓦斯含量、落煤大小等因素相關(guān)。

2.2 煤壁的瓦斯涌出量

煤壁瓦斯涌出系數(shù)：在進(jìn)行煤壁瓦斯涌出量分析時(shí)，采用煤壁瓦斯涌出系數(shù)qm來進(jìn)行表示，其物理意義為單位時(shí)間內(nèi)煤壁瓦斯的涌出量。為了對(duì)煤壁落煤的瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行分析，在進(jìn)行掘進(jìn)工作面實(shí)測(cè)時(shí)，選擇在檢修時(shí)段進(jìn)行瓦斯測(cè)定，此時(shí)不進(jìn)行工作面的掘進(jìn)，落煤瓦斯對(duì)于瓦斯含量的影響較小，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

測(cè)點(diǎn)布置：在距離掘進(jìn)工作面迎頭5 m處布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛群拖锏里L(fēng)速；在20～100 m范圍內(nèi)每隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，安裝相應(yīng)的傳感器裝置；隨后隨著與工作面距離的增大，測(cè)點(diǎn)布置距離也相應(yīng)增大，在100～500 m之間每隔50 m布置一個(gè)，在大于500 m的更遠(yuǎn)處每隔100 m布置一個(gè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

瓦斯涌出量分析：監(jiān)測(cè)到的瓦斯涌出量及其占比如圖1所示。通過分析各測(cè)點(diǎn)的瓦斯涌出量可以看出，在距迎頭5～100 m距離范圍內(nèi)的煤壁瓦斯涌出量增長(zhǎng)較大，在此情況下，工作面煤壁剛開始切割，大量的新的煤壁暴露出來，同時(shí)在采動(dòng)應(yīng)力的影響下，煤體及煤壁中的吸附瓦斯解吸，大量向工作面釋放出來，因此在距迎頭距離較近的區(qū)域瓦斯涌出量變化幅度較大。在100～800 m之間的瓦斯涌出量增加比較均衡，并且隨著距離的逐步增大而趨于平衡，說明在掘進(jìn)工作面后方煤壁上經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的暴露，瓦斯解吸吸附達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)了在應(yīng)力重新分布狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)由于掘進(jìn)工作面的鉆孔抽采瓦斯等措施，使得掘進(jìn)面后方的瓦斯涌出量逐漸趨于平穩(wěn)。由此可以發(fā)現(xiàn)，在工作面剛開始切割時(shí)是瓦斯處理工作最緊張的時(shí)刻，需要加強(qiáng)對(duì)工作面的瓦斯動(dòng)態(tài)監(jiān)控，嚴(yán)防超標(biāo)。

圖1 瓦斯涌出量與距離的關(guān)系圖

瓦斯運(yùn)移規(guī)律：通過各個(gè)距離段瓦斯涌出量的占比分析可以看出，①在5～40 m的煤壁瓦斯涌出量占到整個(gè)工作面煤壁瓦斯涌出量的47%以上，分析認(rèn)為在5～40 m范圍內(nèi)，瓦斯運(yùn)移還處在活躍狀態(tài)，大量的游離瓦斯通過割煤產(chǎn)生的煤壁裂隙逸散出去；②在40～200 m范圍內(nèi)瓦斯涌出量占比在逐漸減小，占29%，這可能與暴露時(shí)間變長(zhǎng)有關(guān)，瓦斯運(yùn)移越來越趨于穩(wěn)定；③在200 m以后，瓦斯含量占比基本保持不變。

瓦斯涌出強(qiáng)度：通過對(duì)瓦斯涌出強(qiáng)度與煤壁暴露時(shí)間進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間存在一定的關(guān)系，其擬合曲線如圖2所示。通過圖2可以看出，在煤壁最開始暴露的時(shí)間段內(nèi)，瓦斯涌出強(qiáng)度變化量很大，在暴露時(shí)間達(dá)到27 d時(shí)瓦斯涌出強(qiáng)度基本平穩(wěn)，隨著暴露時(shí)間的繼續(xù)增大，瓦斯涌出強(qiáng)度基本保持不變，由于瓦斯的逸散是不斷進(jìn)行的，所以瓦斯涌出強(qiáng)度只會(huì)盡可能小，不可能為0。

圖2 瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時(shí)間關(guān)系圖

關(guān)系式擬合：煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時(shí)間滿足雙曲線函數(shù)關(guān)系。

(1)

式中:qm—經(jīng)過時(shí)間t后的煤壁瓦斯涌出量，m3/min；q0m—初始時(shí)間的煤壁瓦斯涌出量，m3/min；t—巷道暴露時(shí)間，d。將式(1)兩邊進(jìn)行對(duì)數(shù)化，可得

Inqm=Inq0m-aIn(1+t)

(2)

代入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得到的關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 In(1+t)與Inqm的關(guān)系圖

通過以上的關(guān)系擬合可以發(fā)現(xiàn)，Inqm=-1.106In(1+t)-0.978，相關(guān)性系數(shù)為0.986，因此可以得出Inq0m=-0.978，a=1.106。

將以上得出的系數(shù)代入式(1)，即可得到S5202回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出強(qiáng)度qm隨暴露時(shí)間t的關(guān)系式

(3)

3 落煤瓦斯涌出量計(jì)算

落煤的瓦斯涌出量計(jì)算采用生產(chǎn)和檢修期間工作面瓦斯?jié)舛茸兓钪档姆椒ㄟM(jìn)行計(jì)算，其公式如下

Q落=Q·(c采-c停)

(4)

式中：Q落—落煤瓦斯涌出量，m3/min；Q—掘進(jìn)工作面供風(fēng)量，m3/min；C采—采掘中的瓦斯?jié)舛龋?；C停—停止掘進(jìn)的瓦斯?jié)舛龋?。

通過與煤壁瓦斯涌出量同期測(cè)定的瓦斯?jié)舛确治?，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)在巷道掘進(jìn)800 m時(shí)回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛葹?.39%，在工作面檢修時(shí)的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.35%，此時(shí)掘進(jìn)工作面的供風(fēng)總量為1 500 m3/min，由此可以計(jì)算出掘進(jìn)工作面的落煤瓦斯涌出量為0.6 m3/min。

由于在掘進(jìn)800 m時(shí)通過布置測(cè)點(diǎn)測(cè)得工作面煤壁瓦斯涌出量為6.49 m3/min，因此整個(gè)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)時(shí)的瓦斯涌出量為7.09 m3/min。

4 結(jié)論

(1)掘進(jìn)工作面與炮掘工作面相比，其相對(duì)瓦斯涌出量較小，受掘進(jìn)方式的影響，瓦斯涌出相對(duì)均衡。

(2)掘進(jìn)工作面煤壁瓦斯涌出量隨著煤壁在掘進(jìn)過程中暴露時(shí)間的增大而呈非線性減小，在距工作面越近的地段瓦斯涌出強(qiáng)度越大，是需要進(jìn)行瓦斯防治的重點(diǎn)，隨著距掘進(jìn)面距離的增大，瓦斯涌出強(qiáng)度逐漸減小并趨于平穩(wěn)。

(3)在單一煤層開采條件下的掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量與煤壁和落煤瓦斯有關(guān)，根據(jù)在余吾煤業(yè)S5202工作面的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在掘進(jìn)過程中煤壁瓦斯涌出量占比為91.54%，落煤的瓦斯涌出占比為8.46%，在掘進(jìn)時(shí)的瓦斯預(yù)防主要是針對(duì)煤壁瓦斯，因此可以采取在煤壁上打鉆孔的方式進(jìn)行瓦斯抽采以減小瓦斯危害。

(4)通過以余吾煤業(yè)高瓦斯掘進(jìn)工作面瓦斯涌出規(guī)律的分析，可為高瓦斯礦井工作面掘進(jìn)過程中的瓦斯防治提供指導(dǎo)。