“三軟”煤層煤巷工作面瓦斯涌出規律分析

摘要：在實際生產過程中，通過對掘進后的巷道進行煤壁及落煤的瓦斯涌出量的準確、有效的計算，有針對性的對預掘巷道的煤層瓦斯賦存情況及已掘巷道的落煤及煤壁瓦斯涌出量進行定量分析研究，旨在探索在對該煤層煤巷掘進工作時，其工作面瓦斯涌出的相關規律。

關鍵詞：瓦斯參數 三軟 瓦斯涌出 煤層 工作面 定量分析

中圖分類號：TD713 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0099-02

裴溝煤礦具有50年發展歷史的國有煤礦，礦井核定生產能力2.05Mt/a，主采煤層為二煤。裴溝礦31131上巷在掘進過程中瓦斯絕對涌出量達3.5 m3/min以上，配風量達750 m3/min，回風流瓦斯濃度一直處于0.4%左右，由于該處的煤層松軟極不穩定，并給鉆孔施工造成困難，形不成有效的瓦斯釋放空間和瓦斯通道，其抽放的效果比較差，并在施工過程中多次出現了逼近瓦斯超限的預警現象，故此，探索該煤層煤巷掘進工作面瓦斯涌出的相關規律，這對煤礦企業礦井的高效、安全生產，極具現實意義。

由于裴溝礦屬于典型的豫西“三軟”煤層，地質結構復雜，煤層內瓦斯賦存及涌出機理呈現出多樣化特征。本文按照理論與實際工作相結合的基本思路，得出礦井巷道掘進期間的瓦斯涌出的一般性規律。

1 礦井瓦斯涌出機理

一般來說，掘進煤壁瓦斯和掘進落煤瓦斯幾乎涵蓋了礦井掘進區瓦斯的所有來源，二者的涌出強度可以作為掘進巷道瓦斯涌出量的決定性因素。煤層內部呈現的多孔隙以及不同程度的裂隙結構為氣體流通提供了極為方便的通道條件。在對巷道掘進過程中，如果在巷道周圍煤層內的瓦斯壓力平衡狀態持續遭到破壞之后，其瓦斯壓力將會重新進行分布，煤層內瓦斯會呈出現滲透性增加從而形成了卸壓帶。煤體內部到煤壁間由于存在著不同程度的瓦斯壓力梯度，這就造成了瓦斯涌出強度伴隨著煤壁暴露時間的不斷延長而降低，這也就是說，煤壁瓦斯涌出的強度就是暴露時間的函數。

1.1 巷道掘進工作面的風流流動狀態

在對巷道掘進工作中，此期間會因多種因素導致風流的多向性及其不穩定性，最終引發了瓦斯涌出時也呈現出不均勻性。故此，我們在對掘進工作面瓦斯具體分布情況全面考察時，充分利用現代的監測系統對掘進工作面的瓦斯涌出施以詳細、大量的定點與不定點以及多探頭的連續性監測。與此同時，我們還全面考慮到了受到風流影響以及相關瓦斯來源等因素的客觀影響，把掘進工作面向外大致分為三種：（1）風流不穩定區；（2）風流穩定區；（3）折返區。掘進工作面瓦斯的最主要是來自距掘進工作面5m內的區域。當落煤或是新暴露的煤壁有大量瓦斯被釋放出來時，該區域內風筒吹出風流在突然遇到煤壁的時候會發生迅速折返情況；而在距工作面5～10m左右的區域內，則是新煤壁且暴露時間短，故此，仍會有大量的瓦斯被釋放出來；而10m之外的風流瓦斯則明顯呈現出趨于相對穩定狀態，即便其在擴散后也呈現出相對均勻的分布。由此可以合理推斷出，此段瓦斯量最大，基本上匯集了整個工作面的瓦斯，對此段的瓦斯測量、預防事故的發生尤為重要，需要重點關注。

1.2 煤壁瓦斯涌出強度測定

我們為了準確地計算和確定煤壁瓦斯涌出強度與時間的所對應函數關系，并且利用煤壁的瓦斯涌出強度通過實測來進行研究，其測定步驟：

（1）沿掘進方向布置A，B，C和D四個測站，其中D測站距工作面迎頭50～100m左右，C測站距工作面迎頭150～200m左右，B測站距工作面迎頭250～300m左右，D測站距回風口3～5m左右。全面對各巷道斷面積進行測定，并科學、合理、有效地確定各相鄰測站之間各個暴露煤壁面積及暴露時間的平均值，并加以詳細測算。

（2）定時對各相鄰測站的瓦斯濃度及風量進行測定。

當巷道高度h>平均煤厚時，單位面積煤壁瓦斯涌出量可用公式（1）進行計算：

（1）

1.3 整理數據，建立經驗公式

我們在通過上述方法得到各測站的單位面積上的煤壁瓦斯涌出量、巷道斷面積以及相關的巷道掘進時間等數據。并充分地對原始數據進行科學、合理的處理與分析，并將分析結果進行匯總（表1）。

該礦的瓦斯涌出強度與暴露時間呈現出一種近似為雙曲線關系，而復對數坐標系中則呈現出線性關系，具體表示見公式：

（2）

再將（1）～（2）公式化成線性方程：

（3）

q2和t為各測站的測定值。

我們則通過對數據處理之后所得出的曲線算得n對測定值，并將其全部代入（1）～（3）公式，則可以得到n個測定方程：

（4）

（5）

m為正數。

將（4）公式與（5）公式聯立求解，運用最小二乘法，將試驗數據代入雙曲線回歸，計算各回歸相關系數大小的標準差。q0=4.943m3/（m2·d），α=0.6581，煤壁瓦斯涌出強度可表示為：

（6）

1.4 全面分析巷道長度、暴露時間、煤壁瓦斯涌出三者之間的關聯

實際工作中，煤壁瓦斯涌出強度，它會受到時間的影響，即隨時間延長而降低，這就可以證明出，煤壁瓦斯排放過程在理論上講雖然是無限的，而實際卻是在其暴露了一段時間之后，且掘進長度達到了極限值時，巷道內的瓦斯涌出量也會保持在一個最大穩定值。即大部分存于巷道煤體內瓦斯將會在煤壁暴露后幾個月之內涌出。見表2。

通過計算得出，煤壁瓦斯極限涌出量的80%以上，是被1個月的掘進巷道瓦斯涌出總量所占據。在實際的掘進工作中，巷道暴露3～4個月時，在掘進175～245m左右，巷道煤壁瓦斯涌出量事實上已經基本達到最大極限值，既使再繼續增加巷道長度時，其總體的煤壁瓦斯涌出量卻呈現出相對穩定狀態。其掘進極限長度Lmax由下式確定：

（7）

其中t代表90～120 d，v為月平均掘進速度。

2 效果評估

（1）煤壁瓦斯涌出量

（8）

Q1-1—煤壁瓦斯涌出量；D—暴露煤面的周邊長度；D=2m0，m0為開采厚度，這里m0取煤厚平均值5.1m；V—平均掘進速度；L—巷道長度；q0—初始瓦斯涌出速度。

（9）

其中：a—常數，取0.026；X—煤層瓦斯含量；Vdaf—煤的揮發分。

（2）煤巷落煤瓦斯涌出量

（10）

Q1-2—掘進煤巷落煤瓦斯涌出量；S—掘進煤巷斷面積；V—巷道平均掘進速度；ρ—煤的密度；X—煤的原始瓦斯含量；Xc—煤的殘存瓦斯含量。

m3/t （11）

—純煤瓦斯殘存量；A—煤中灰分含量；W—煤中水分含量。

掘進煤巷的瓦斯涌出總量，則可得出：

（12）

通過所搜集到的現場數據表明：巷道絕對瓦斯涌出量與我們理論推算值相符。

3 結語

本文依據礦井瓦斯涌出機理，根據掘進工作面風流流動狀態、煤壁瓦斯涌出強度測定以及通過測定數據的整理和經驗公式的建立和巷道長度、暴露時間與煤壁瓦斯涌出的關系幾個方面，分析得出關于煤巷工作面掘進過程中的相應的瓦斯涌出規律。通過在實際工作中的效果考察，全面印證了其規律分析的正確性，并取得了較好的效果。

在實際生產過程中，我們通過對掘進后的巷道進行煤壁及落煤的瓦斯涌出量計算，在瓦斯增高區域有針對性的對預掘巷道的煤層瓦斯賦存情況及已掘巷道的落煤及煤壁瓦斯涌出量進行定量分析研究，提前采取防突措施，不僅降低了瓦斯無預兆超限發生幾率，還可以統籌安排降低瓦斯措施和掘進施工的時間關系，科學、合理、有效安排，全面提高了礦井生產率。

參考文獻

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