張紀虎

(潞安化工集團有限責(zé)任公司 能源事業(yè)部通風(fēng)部，山西 長治 046000)

1 工程概況

山西某煤礦地處沁水煤田東側(cè)邊緣區(qū)域，井田地形多為小丘陵地帶，整體較平坦，部分區(qū)域存在斷層等地質(zhì)構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)有多個含煤地層，其中3號煤層結(jié)構(gòu)單一。煤質(zhì)較好，為目前主采煤層，埋深400～500 m，厚度約為5～6 m。

根據(jù)相關(guān)測定結(jié)果，該煤礦3號煤層瓦斯含量在4～23 m3/t之間，平均12 m3/t，平均瓦斯壓力為0.62 MPa，煤層瓦斯透氣性較差(0.015×10-3～0.106×10-3μm2)，存在突出危險。該礦某備采工作面采用Y型通風(fēng)設(shè)計，為準確掌握該工作面煤層瓦斯涌出量的分布規(guī)律，本文對工作面的瓦斯涌出量進行了研究，研究成果可為該工作面的瓦斯治理工作提供參考。

2 測定方法與結(jié)果

本文采用單元劃分測定方法對目標工作面的瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測[1-2]。單元測定法根據(jù)監(jiān)測方案將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干區(qū)域，根據(jù)劃分區(qū)域布置測站及傳感器，監(jiān)測各個單元空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植技案骺臻g斷面的瓦斯涌出量大小，通過對監(jiān)測結(jié)果的分析計算，可得出整個工作面不同瓦斯涌出源的瓦斯涌出量[3-4]。

2.1 測定原理與方案

根據(jù)目標監(jiān)測工作面的實際特點，將工作面沿傾向劃分成15個單元空間，每個單元空間的兩端都由1個測站分隔，測站可監(jiān)測其所在位置處的瓦斯?jié)舛燃斑M出斷面的氣流流量。測站從膠順側(cè)至進順側(cè)編號由小到大，具體如圖1所示。各個測站內(nèi)布置有多個傳感器，其空間布置位置如圖2所示。

圖1 Y型綜放面監(jiān)測單元劃分

圖2 測點布置

受采動影響，流經(jīng)工作面的瓦斯來源比較復(fù)雜，通常由煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空區(qū)瓦斯涌出等來源構(gòu)成，其組成成分來源見圖3。根據(jù)單元測定的思想，其單個單元空間內(nèi)的瓦斯涌出量滿足下式：

式中：Qin為進入測定單元的氣流量；Qout為離開測定單元的氣流量；Q1為本測定單元內(nèi)從采空區(qū)進入的氣流量；qg為本測定單元內(nèi)從采空區(qū)進入的瓦斯量；qf為本測定單元內(nèi)從煤層、煤壁進入的瓦斯量；c1為漏風(fēng)中的瓦斯?jié)舛?；cout、cin為進入和離開本測定單元的瓦斯?jié)舛?。通過各個測定單元的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合單元測定法的計算方法，通過計算分析可以得到不同來源的瓦斯涌出量分布情況。

圖3 瓦斯平衡和風(fēng)量平衡計算示意

2.2 測定步驟

1) 根據(jù)工作面的具體參數(shù)，將工作面沿傾向方向上劃分成15個監(jiān)測單元，每個單元空間的兩端都布置測站，測站內(nèi)布置有瓦斯?jié)舛葌鞲衅骷帮L(fēng)速傳感器等。

2) 讀取并記錄進入和離開每個測定單元空間的氣流量。

3) 讀取并記錄各個測定單元空間兩段測站內(nèi)的各個傳感器的瓦斯?jié)舛取?/p>

4) 為了提高監(jiān)測結(jié)果的準確度，監(jiān)測結(jié)果取一段時間結(jié)果的算術(shù)平均值。

5) 在大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用瓦斯涌出量計算公式對不同來源瓦斯涌出量進行計算。

2.3 現(xiàn)場實測結(jié)果

運用單元測定方法對該煤礦Y型通風(fēng)工作面的瓦斯涌出量進行測定，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 瓦斯涌出量相關(guān)數(shù)據(jù)

3 瓦斯分布規(guī)律分析

3.1 橫向瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

圖4為測站1至測站5不同位置處瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r，可以看出橫向方向上瓦斯?jié)舛瘸拭黠@的“U”型分布狀態(tài)，煤壁與采空區(qū)方向的瓦斯?jié)舛认鄬^高，而立柱、人行道、落煤區(qū)域處的瓦斯?jié)舛认鄬^低，其中立柱位置處瓦斯?jié)舛确植甲畹?。這是由于工作面中，前方煤壁及采空區(qū)中都是工作面瓦斯的主要來源，且工作面氣流受到滑脫效應(yīng)的影響，工作面中心位置處的氣流速度最大，靠近四周位置處的氣流流速較小，因此造成工作面四周位置處的瓦斯?jié)舛容^高。此外，測站1至測站5距離膠帶巷位置較近，正好位于巷道相交的拐角位置，氣流流速大，可以將立柱與人行道等位置處的瓦斯充分稀釋帶走。相比于測站1，其余測站各個位置處的瓦斯?jié)舛榷加兴仙?，尤其是在采空區(qū)、立柱、煤壁等位置。究其原因，一方面是受氣流的相互作用，工作面部分位置出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象；另一方面是測站1至測站5這一區(qū)間內(nèi)的煤壁與采空區(qū)中有新的瓦斯涌出，因此產(chǎn)生工作面瓦斯?jié)舛戎饾u升高的現(xiàn)象。

圖4 瓦斯平衡和風(fēng)量平衡計算示意

圖5為測站6至至測站10中不同位置的瓦斯?jié)舛确植记闆r，與測站1至測站5的監(jiān)測結(jié)果類似，其瓦斯?jié)舛确植汲蕛蛇吀?、中間低的特點。其中，測站6至測站10中煤壁側(cè)的瓦斯?jié)舛茸罡?，占全部瓦斯含量?2%，遠高于其他位置處的瓦斯?jié)舛龋⒅c人行道處瓦斯?jié)舛茸畹?，只占全部瓦斯含量?3%和14%，而落煤處由于瓦斯解析等原因，其瓦斯?jié)舛嚷愿哂谌诵械琅c立柱處。

圖5 瓦斯平衡和風(fēng)量平衡計算示意

圖6為測站11至測站15處的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果，其整體趨勢呈現(xiàn)為兩側(cè)高中間低的“馬鞍形”，煤壁位置和采空區(qū)位置處的瓦斯?jié)舛茸罡?，立柱及人行道處的瓦斯?jié)舛茸钚?。此外，從監(jiān)測數(shù)據(jù)的絕對值來看，測站1至測站5、測站6至測站10及測站11至測站15這3個測量區(qū)間中，其同一位置處的瓦斯?jié)舛葴y量結(jié)果是逐漸增大的，一方面是由于工作面前方煤壁與后方采空區(qū)中瓦斯不斷涌出；另一方面是工作面中作業(yè)機械占據(jù)空間，導(dǎo)致氣流流速逐漸變小的緣故。

圖6 采煤工作面下部橫斷面瓦斯?jié)舛确植?/p>

3.2 沿工作面傾向瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

圖7為工作面不同傾向長度位置處的瓦斯?jié)舛确植记闆r。從圖中可以看出，在傾向方向上，工作面從進風(fēng)側(cè)至出風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛榷汲尸F(xiàn)出逐漸升高的趨勢，其中在工作面靠近進風(fēng)側(cè)，增加速率較低，為緩慢增加，越遠離工作面進風(fēng)側(cè)，其瓦斯?jié)舛壬仙俾试娇臁６诓煌瑴y點中，可以直觀地看出，煤壁位置處的瓦斯?jié)舛茸罡?，而采空區(qū)側(cè)的瓦斯?jié)舛却沃?，這兩個位置都屬于工作面橫向方向上瓦斯?jié)舛认鄬^高的位置。

圖7 沿工作面傾向瓦斯?jié)舛确植?/p>

通過井下對檢修班與生產(chǎn)班中瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測結(jié)果，結(jié)合送風(fēng)量及上隅角瓦斯?jié)舛瓤梢詫Σ煌瑏碓吹耐咚節(jié)舛冗M行分析。監(jiān)測結(jié)果顯示，煤壁瓦斯涌出量占整個單元體瓦斯總涌出量的32.6%，落煤的瓦斯涌出量占整個單元體瓦斯總涌出量的50.7%.現(xiàn)場實測采空區(qū)的瓦斯涌出量占總涌出量的16.7%.

3.3 沿空留巷瓦斯與氧氣濃度變化

為了監(jiān)測Y型通風(fēng)沿空留巷內(nèi)部氧氣和瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律，在沿空留巷內(nèi)定點布置1條瓦斯抽采管，使其深入采空區(qū)內(nèi)2 m。

圖9 沿空留巷內(nèi)瓦斯與氧氣濃度變化

圖9為工作面沿空留巷段在工作面不同推進位置處的瓦斯?jié)舛扰c氧氣濃度變化情況。從圖中可以直觀觀察到，隨著工作面的推進，沿空留巷段的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出明顯的不斷升高的趨勢，在工作面推進400 m左右時，瓦斯?jié)舛仍?.8%左右，當工作面推進至800 m時，瓦斯?jié)舛壬咧?%左右，且其升高的速率逐漸增大，至700 m左右時才逐漸放緩。一方面受采空區(qū)漏風(fēng)的影響，另一方面是工作面煤壁和落煤中瓦斯不斷解析涌出造成的。沿空留巷段的氧氣體積分數(shù)隨工作面的回采不斷降低，工作面回采200 m時，其氧氣濃度為19.5%左右；當工作面回采600 m時，氧氣濃度衰減至17%左右；當工作面回采至800 m左右時，氧氣濃度衰減至14.5%左右。其主要原因是煤體中及采空區(qū)中的瓦斯不斷向工作面涌入，將氧氣置換并稀釋了。

4 結(jié) 語

根據(jù)某Y型通風(fēng)工作面的實際工程特點設(shè)計測定方案，通過單元測定法對該工作面的瓦斯涌出情況進行了測定分析，得出工作面瓦斯在橫向、傾斜及沿空留巷段中的分布規(guī)律。結(jié)果顯示，煤壁瓦斯涌出量占整個單元體瓦斯總涌出量的32.6%，落煤的瓦斯涌出量占整個單元體瓦斯總涌出量的50.7%.現(xiàn)場實測采空區(qū)的瓦斯涌出量占總涌出量的16.7%.研究結(jié)果可為該工作面的瓦斯治理工作提供參考。