徐國(guó)帥，李 杰，任發(fā)科

（1.大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司 劉家梁煤礦，山西 原平034100；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

瓦斯事故是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，防治瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的主要任務(wù)之一。采煤工作面作為礦井瓦斯的主要涌出區(qū)域，其瓦斯防治效果直接影響煤礦安全生產(chǎn)，為保障采煤工作面的瓦斯防治效果，需要采取針對(duì)性瓦斯治理措施，而采煤工作面的瓦斯分布特征直接影響其瓦斯防治措施的選擇。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于采煤工作面瓦斯分布特征進(jìn)行了大量研究。董海波等人[1]，在對(duì)采煤工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布測(cè)定及分析的基礎(chǔ)之上，利用最小二乘法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面瓦斯分布的重建；楊勝?gòu)?qiáng)、汪峰等人[2]，利用單元法對(duì)工作面的熱濕源分布狀態(tài)進(jìn)行了研究；杜春寧等人[3]，通過(guò)利用插值法對(duì)綜放工作面瓦斯分布場(chǎng)的變化特征進(jìn)行可視化研究；楊勝?gòu)?qiáng)等人[4-5]利用單元法對(duì)工作面的瓦斯分布進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)積聚瓦斯提出相應(yīng)治理方法；高建良等人[6]，利用計(jì)算機(jī)模擬的方法，對(duì)掘進(jìn)巷道中不同風(fēng)量及瓦斯涌出量情況下的瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行了研究。但上述研究主要是對(duì)工作面沿進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷方向上的二維瓦斯分布特征研究，而對(duì)整個(gè)通風(fēng)斷面上的三維瓦斯分布特征研究較少?；诖?，將利用單元法和Matlab數(shù)值軟件，將工作面劃分為一定數(shù)量的測(cè)定單元，并在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上構(gòu)建各測(cè)定單元的三維瓦斯分布圖，通過(guò)分析各測(cè)定單元的瓦斯分布特征來(lái)研究整個(gè)工作面的瓦斯分布特征，并對(duì)其構(gòu)成原因進(jìn)行分析。

1 工作面瓦斯分布影響因素

影響工作面瓦斯分布的因素主要包括：工作面風(fēng)流、采煤工藝、采空區(qū)瓦斯、瓦斯物理特性等[7-10]。

工作面風(fēng)流能夠?qū)ぷ髅嫱咚巩a(chǎn)生稀釋作用，并作為載體將其帶離工作面。但是在不同風(fēng)流狀態(tài)下，其對(duì)工作面瓦斯分布的影響也不同。當(dāng)工作面風(fēng)量逐漸增大時(shí)，其稀釋瓦斯能力也隨之增大；但是當(dāng)風(fēng)流受外界影響在某處產(chǎn)生渦流時(shí)，該處將會(huì)產(chǎn)生瓦斯積聚現(xiàn)象。

不同的采煤工藝，其瓦斯涌出特征不同，因此對(duì)工作面瓦斯分布影響也不同。例如綜放工作面，受其放煤時(shí)瓦斯極易集中涌出的影響，放煤時(shí)工作面瓦斯極易出現(xiàn)突然升高，甚至超限的現(xiàn)象。

采空區(qū)瓦斯對(duì)工作面瓦斯分布的影響主要表現(xiàn)在其能夠在風(fēng)流作用下涌入工作面，增大工作面瓦斯涌出量。一般情況下，靠近回風(fēng)巷一側(cè)，工作面傾向長(zhǎng)度1/3范圍為采空區(qū)瓦斯匯入工作面風(fēng)流的主要區(qū)域。瓦斯密度小于空氣密度，并且其擴(kuò)散速度大于空氣，受其物理特性的影響，瓦斯易于上浮積聚。因此，瓦斯更容易在工作面上隅角、巷道隅角及頂板冒落處等地點(diǎn)積聚。

2 測(cè)定方法及插值方法

2.1 測(cè)定方法

準(zhǔn)確反映整個(gè)工作面的瓦斯分布特征需要測(cè)定大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，受工作面現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)定。為此，沿進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷方向，可以利用單元法將整個(gè)工作面劃分為若干個(gè)測(cè)定單元，其劃分?jǐn)?shù)量主要根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)條件（工作面傾向長(zhǎng)度、工作面漏風(fēng)情況等）而定，并在每個(gè)測(cè)定單元內(nèi)布置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能覆蓋整個(gè)測(cè)定單元的通風(fēng)斷面；通過(guò)測(cè)定各個(gè)測(cè)點(diǎn)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)來(lái)分析各個(gè)測(cè)定單元的瓦斯分布特征，然后通過(guò)整合各測(cè)定單元的方法來(lái)研究整個(gè)工作面的瓦斯分布特征。

2.2 插值方法

對(duì)于每個(gè)測(cè)定單元而言，其各測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不可能完全相等，因此，其在三維空間上的呈現(xiàn)應(yīng)該是1個(gè)曲面；同時(shí)，考慮到無(wú)法對(duì)每個(gè)測(cè)定單元內(nèi)的所有點(diǎn)進(jìn)行瓦斯體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)，因此需要在已檢測(cè)數(shù)值的基礎(chǔ)之上，利用Matlab曲面插值的方法對(duì)未檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算[11-15]。Matlab中常用的曲面插值函數(shù)有Triscatteredinterp，interp2，griddata等。其中，griddata插值函數(shù)可以對(duì)三維曲面和四維的超平面進(jìn)行插值，該函數(shù)共包含‘nearest’、‘linear’、‘cubic’、‘V4’4種插值方法。其中，‘nearest’為最鄰近插值法，‘linear’是以三角形為基礎(chǔ)的線(xiàn)性插值法，‘cubic’是以三角形為基礎(chǔ)的三次方程插值法，‘V4’為4點(diǎn)樣條插值法。為選擇合適的插值方法，以1組測(cè)定單元的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)比較4種插值方法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖來(lái)確定最合適的差值方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄表見(jiàn)表1，不同插值法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖如圖1（圖中x軸為工作面煤壁至采空區(qū)方向，y軸為垂直煤層底板向上方向）。

表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Field m easured data record

從圖1可以看出，由最鄰近插值法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖存在嚴(yán)重的突變，無(wú)法真實(shí)反映實(shí)際瓦斯分布特征；由線(xiàn)性插值法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖存在明顯的線(xiàn)性轉(zhuǎn)折缺陷，曲面光滑性較差；由三次插值法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖具有較好的連續(xù)性，但是在光滑性上存在一定的欠缺；由樣條插值法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖光滑性最好。因此，擇樣條插值法來(lái)構(gòu)建各測(cè)定單元的三維瓦斯分布圖。

圖1 不同插值法構(gòu)建的三維瓦斯分布圖Fig.1 Three dimensional gas distribution map constructed by different interpolation methods

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工作面概況及測(cè)點(diǎn)布置

劉家梁礦5136綜放工作面主采5號(hào)煤層，走向長(zhǎng)度為1 141 m，可采走向長(zhǎng)度為792 m，傾向長(zhǎng)度為130 m，平均煤厚為9.2 m。該工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，為上行通風(fēng)方式，采用長(zhǎng)壁后退式放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，循環(huán)進(jìn)度0.6 m，割煤高度2.3 m，回采率為90%。當(dāng)前工作面采用底抽巷預(yù)抽煤層瓦斯+頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯綜合瓦斯治理措施。

根據(jù)5136綜放工作面實(shí)際情況，將該工作面沿傾向劃分為12個(gè)測(cè)定單元。其中，為充分考察回風(fēng)巷與工作面交接處及上隅角附近的瓦斯分布特征，在工作面靠近回風(fēng)巷30 m范圍內(nèi)，測(cè)定單元?jiǎng)澐直容^密集，工作面測(cè)定單元?jiǎng)澐謭D如圖2。另外，為了能夠真實(shí)、詳細(xì)地反映每個(gè)測(cè)定單元的瓦斯分布特征，在每個(gè)測(cè)定單元內(nèi)布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of measuring points

3.2 測(cè)定結(jié)果

3.2.1 各測(cè)定單元瓦斯分布特征

在不同生產(chǎn)條件下，對(duì)5136綜放工作面每個(gè)測(cè)定單元內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行多次測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在不同生產(chǎn)條件下，前11個(gè)測(cè)定單元的瓦斯分布特征基本相同，而第12單元的瓦斯分布特征不同于前11個(gè)測(cè)定單元。為此，僅將具有代表性的檢測(cè)結(jié)果列出并進(jìn)行分析，現(xiàn)以第2、第5、第8、第11、第12測(cè)定單元檢測(cè)結(jié)果為例說(shuō)明不同生產(chǎn)條件下各測(cè)定單元的瓦斯分布特征。第2、第5、第8、第11單元非生產(chǎn)條件下和生產(chǎn)條件下三維瓦斯分布圖如圖4和圖5，第12單元三維瓦斯分布特征如圖6。需要說(shuō)明的是本次生產(chǎn)條件下檢測(cè)時(shí)，采煤機(jī)在第4單元與第5單元之間進(jìn)行采煤作業(yè)。

圖4 第2、第5、第8、第11單元非生產(chǎn)條件下三維瓦斯分布圖Fig.4 Three dimensional gas distribution map of each unit under non-production conditions

圖5 第2、第5、第8、第11單元生產(chǎn)條件下三維瓦斯分布圖Fig.5 Three dimensional gas distribution map of each unit under production conditions

從圖4和5可以看出，不同生產(chǎn)條件下，相同測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)差異較大。受割煤及放煤等因素的影響，生產(chǎn)條件下各測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯高于非生產(chǎn)條件。但是，沿工作面煤壁至采空區(qū)方向，在進(jìn)風(fēng)巷上幫至回風(fēng)巷下幫這段工作面區(qū)間內(nèi)，不同生產(chǎn)條件下，各測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)先下降后上升的“U”型變化趨勢(shì)，其原因在于工作面中心處風(fēng)流速度較大，稀釋瓦斯能力較強(qiáng)，能夠快速稀釋落煤及煤壁釋放的瓦斯，因此該處測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)最低；靠近采空區(qū)一側(cè)的測(cè)點(diǎn)，由于工作面液壓支架對(duì)風(fēng)流的阻力較大，且風(fēng)流多處于紊流狀態(tài)，稀釋瓦斯能力較弱，因此該側(cè)測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大；工作面煤壁一側(cè)各測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的原因主要在于煤壁能夠不斷地釋放瓦斯。

從圖6可以看出，受割煤及放煤等因素的影響，生產(chǎn)條件下該單元各測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非生產(chǎn)條件。但是不同生產(chǎn)條件下，該單元整體瓦斯分布特征卻基本相同，均表現(xiàn)出右上角測(cè)點(diǎn)（上隅角區(qū)域）瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大，其余測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較小且相差不大的特征。形成這種瓦斯分布特征的原因在于采空區(qū)靠近上隅角附近存在1個(gè)低壓中心，該區(qū)域氣體流速較低，甚至處于渦流狀態(tài)，風(fēng)流中的瓦斯易于在該區(qū)域積聚，且難以進(jìn)入到主風(fēng)流中，故該區(qū)域測(cè)點(diǎn)及相鄰測(cè)點(diǎn)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大，而其他測(cè)點(diǎn)基本都處于主風(fēng)流中，在風(fēng)流的稀釋作用下，其瓦斯體積分?jǐn)?shù)較小[16-19]。

圖6 第12單元三維瓦斯分布特征Fig.6 Three dimensional gas distribution characteristics of unit 12

3.2.2 工作面瓦斯分布特征

工作面三維瓦斯分布圖如圖7。

為說(shuō)明整個(gè)工作面的瓦斯分布特征，以進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷方向?yàn)閤軸，煤壁至采空區(qū)方向?yàn)閥軸，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為z軸構(gòu)建整個(gè)工作面的三維瓦斯分布圖。其中，測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)按照下述方法選取：各測(cè)定單元內(nèi)共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿煤壁至采空區(qū)方向共4列測(cè)點(diǎn)，因此，在繪制整個(gè)工作面的三維瓦斯分布圖時(shí)，該方向上選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，其值為同列3個(gè)測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的平均值，如煤壁側(cè)測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)取值為測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)12瓦斯體積分?jǐn)?shù)的平均值。

從圖7可以看出，沿進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷方向，非生產(chǎn)條件下，工作面整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì)，并且前期增長(zhǎng)速度比較緩慢，后期增長(zhǎng)速度較快，其原因在于前期風(fēng)流主要以進(jìn)入采空區(qū)為主，而后期主要以采空區(qū)風(fēng)流匯入工作面主風(fēng)流為主，這時(shí)風(fēng)流會(huì)將采空區(qū)內(nèi)瓦斯帶入到工作面主風(fēng)流中，因此該階段工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)較快，特別是在第7單元之后，工作面整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化速度明顯加快。生產(chǎn)條件下，工作面整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律與非生產(chǎn)條件下的不同之處主要在于采煤機(jī)前后相鄰兩測(cè)定單元的瓦斯體積分?jǐn)?shù)存在突變。生產(chǎn)條件下，采煤機(jī)（第4單元之后）與進(jìn)風(fēng)巷之間這段距離，其整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)大小及變化趨勢(shì)與非生產(chǎn)條件下相差很小，說(shuō)明運(yùn)煤工序?qū)ぷ髅嫱咚贵w積分?jǐn)?shù)影響有限；受割煤及放煤的影響，采煤機(jī)前后兩相鄰測(cè)定單元的瓦斯體積分?jǐn)?shù)會(huì)發(fā)生突變，而采煤機(jī)之后的各測(cè)定單元，其整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與非生產(chǎn)條件下基本相同，呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，且同樣表現(xiàn)出在第7單元之后，工作面整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)上升速度加快，說(shuō)明該單元至回風(fēng)巷20 m左右范圍為采空區(qū)風(fēng)流匯入工作面風(fēng)流的主要區(qū)域，即采空區(qū)瓦斯涌出到工作面的主要區(qū)域。

圖7 工作面三維瓦斯分布圖Fig.7 Three dimensional gas distribution map of working face

4結(jié)論

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用Matlab數(shù)值軟件中g(shù)riddata曲面插值函數(shù)，樣條插值法相對(duì)于最鄰近插值法、線(xiàn)性插值法和立方插值法所構(gòu)建的三維瓦斯分布圖更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

2）不同生產(chǎn)條件下，沿工作面煤壁至采空區(qū)方向，在進(jìn)風(fēng)巷上幫至回風(fēng)巷下幫這段工作面區(qū)間內(nèi)，各測(cè)定單元在整個(gè)通風(fēng)斷面上的瓦斯分布呈現(xiàn)“U”型變化規(guī)律。

3）沿進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷方向，非生產(chǎn)條件下，各測(cè)定單元瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì)；生產(chǎn)條件下，受采煤機(jī)割煤的影響，采煤機(jī)前后相鄰兩測(cè)定單元的瓦斯體積分?jǐn)?shù)會(huì)發(fā)生突變，之后變化趨勢(shì)同非生產(chǎn)條件下一樣，呈逐漸上升的變化趨勢(shì)。