工作面割煤速度與瓦斯濃度關系的研究

邢紅巖

(大同煤礦集團 虎龍溝煤業有限公司，山西 懷仁 038300)

工作面割煤速度與瓦斯濃度關系的研究

邢紅巖

(大同煤礦集團 虎龍溝煤業有限公司，山西 懷仁 038300)

為了確定虎龍溝煤礦32#煤層右十一工作面采煤機割煤速度與工作面瓦斯濃度的關系，通過現場觀測，分析了工作面在經歷過一個周期來壓過程中不同割煤速度與瓦斯濃度的參數，擬合出瓦斯4個不同變化階段內兩者的二次函數關系式，對確定工作面瓦斯涌出及運移規律，并對工作面瓦斯治理進行指導，具有積極意義。

割煤速度；瓦斯濃度；變化階段；函數關系

周期來壓間隔時間內采場瓦斯濃度變化是超前支承壓力變化和采空區變化共同作用的結果[1-2]，超前支承壓力與采空區變化受采場采動關系變化的影響，而采場采動關系變化的主要影響因素是采煤機的割煤活動，在深部開采瓦斯抽放和礦井通風保持不變的情況下，研究工作面開采過程中隨著采煤機割煤速度的變化而引起的采場瓦斯濃度的變化規律，分析工作面瓦斯運移規律，對工作面的瓦斯治理以及高效的生產具有非常重要的意義[3].

1 32#煤層概況

大同煤礦集團虎龍溝礦實驗工作面為五采區32#煤層右十一采面，該區開采范圍內地質構造復雜，未預測到較大斷層，煤層厚度平均為1.35 m，傾角平均為14°，煤層層理、節理較發育，為向南傾斜的單斜構造，煤層穩定，無褶皺。頂板為泥巖、粉砂巖、頁巖，厚度1～8 m，不穩定，裂隙發育，較軟；底板為細砂巖，厚度0.7～3.5 m，較硬穩定。煤層及其圍巖的透氣性直接影響到瓦斯賦存狀態，透氣性較好的巖層有利于瓦斯溢出，巖層的層理裂隙發育程度與巖層透氣性有直接關系。根據《同煤集團低透氣性煤層群瓦斯預抽技術研究》報告分析計算數據得知，此煤層頂底板影響煤層透氣性較差。32#煤層頂底板特征見表1.

表1 32#煤層頂底板特征表

2 割煤速度與采面瓦斯濃度變化關系

為了達到更好的收集效果，使收集到的某一時刻采煤機割煤速度的變化與其所引起的瓦斯濃度變化誤差達到最小、同步性更強，采用人工收集法，即以研究人員跟隨采煤機活動作為流動測點，觀測采煤機割煤狀態，觀察并記錄工作面生產情況以及瓦斯狀況，及時靈活地處理相關數據。在工作面通風情況不變的情況下，經過跟班記錄，收集了大量的數據。將2016年9月9—19日，工作面來壓情況與不同時間內，采煤機割煤速度保持在2.5 m/min時，因采煤機割煤作用導致瓦斯涌出的情況作對比，見圖1.

將數據整合分析發現，在來壓步距內，不同的時間、距離范圍內，生產過程中工作面的瓦斯濃度并不總是按照相同的規律變化，而是階段性變化[4].在周期來壓時間內，根據工作面瓦斯濃度受采動影響變化的靈活度的不同，將工作面因采煤機割煤速度變化引起的瓦斯濃度的變化大概分為4個階段：1) 顯著變化階段。周期來壓頂板垮落后的一段時間內，工作面瓦斯濃度依然較高，但整體呈現下降趨勢，這期間，工作面瓦斯濃度的變化受采煤機割煤速度的影響依然較大，但相比周期來壓顯現階段要小。2) 正常變化階段。顯著變化階段后的一段時間，正常采煤過程中，工作面瓦斯濃度變化隨采煤機割煤速度的加快而上升，并以此階段瓦斯變化情況作為分階段的衡量標準。3) 緩慢變化階段。當接近周期來壓時，工作面瓦斯濃度對比前一階段上升，但是由于采煤機割煤速度變化所引起的瓦斯濃度變化的靈活度有所下降。4) 積極變化階段。當周期來壓時，工作面瓦斯濃度急劇上升，并且這期間工作面的瓦斯濃度出現最高峰值，采煤機割煤速度的變化對工作面瓦斯濃度的影響最大。根據現場實測數據，結合工作面礦壓顯現曲線，4個階段的分布曲線見圖1.

I—正常變化階段 II—緩慢變化階段 III—積極變化階段 IV—顯著變化階段圖1 階段分布示意圖

2.1 顯著變化階段

從時間上看，顯著變化階段在積極變化階段之后，此期間的壓力狀況為周期來壓峰值過后，頂板壓力依然較大，但總體呈逐漸下降趨勢。工作面前端壓力峰值繼續減小，工作面后方采空區深度減少，垮落部分逐漸壓實。工作面繼續向前推進，此階段工作面壓力快速減小。

采煤機割煤速度的變化對工作面瓦斯濃度變化的影響依然較大，通過對現場數據進行收集整理，采煤機割煤速度變化與工作面瓦斯濃度之間的相互關系見表2.

對數據進行統計，并分別進行線性回歸分析、對數回歸分析、多項式回歸分析、乘冪回歸分析、指數回歸分析以及移動平均回歸分析，發現二次方多項式回歸逼真度更高，其所生成圖形見圖2.

由圖2可以看出，此階段隨著采煤割煤速度的增加，工作面的瓦斯濃度呈上升趨勢，運用回歸分析的方法推斷出此階段采煤機割煤速度與工作面瓦斯濃度之間的關系符合關系式：

y=0.041 1x2+0.090 5x+0.192 8,R2=0.979 3

表2 不同割煤速度時工作面的瓦斯濃度表

圖2 顯著變化階段瓦斯濃度的二次回歸曲線圖

式中，y表示采煤工作面瓦斯濃度，x表示采煤工作面采煤機割煤速度，R2值為0.979 3，因此，可信度較高。通過計算得知，此階段當采煤工作面瓦斯濃度到達1%時，采煤機割煤速度約為5.6 m/min，此階段走向距離為5 m左右。

2.2 正常變化階段

顯著變化階段后是正常變化階段，此階段，工作面壓力繼續減小，當達到一個最小值后，壓力會逐漸緩慢上升，工作面前端超前支承壓力峰值也經歷了減小到增大的過程，采空區深度開始增加[5].在此階段內，采煤機割煤速度的變化，對工作面瓦斯濃度變化的影響減小，即工作面瓦斯濃度隨采煤機割煤速度變化的靈活度一般。對現場數據進行整理集合，采煤機割煤速度變化與工作面瓦斯濃度之間的相互關系見表3.

表3 不同割煤速度時工作面的瓦斯濃度表

同樣，對此階段所收集到的數據進行二次項回歸分析，正常變化階段瓦斯濃度的二次回歸曲線見圖3，由圖3可以看出，此階段隨著采煤割煤速度的提高，工作面的瓦斯濃度呈較快的上升趨勢，運用回歸分析的方法推斷出此階段采煤機割煤速度與工作面瓦斯濃度之間的關系符合關系式：

y=0.003 7x2+0.042 3x+0.077 8,R2=0.979 1

式中，y表示采煤工作面瓦斯濃度，x表示采煤工作面采煤機割煤速度，R2值為0.979 1，因此可信度較高。通過計算得知，此階段當采煤工作面瓦斯濃度到達1%時，采煤機割煤速度為11 m/min，此階段走向距離為8 m左右。

圖3 正常變化階段瓦斯濃度的二次回歸曲線圖

2.3 緩慢變化階段

顯著變化階段之后的緩慢變化階段，工作面壓力急劇上升，并達到相當大的數值，逐漸接近周期來壓期間頂板壓力的峰值。隨著工作面的向前推進，煤壁前端超前支承壓力的峰值也急劇上升，并逐漸接近峰值，采空區范圍增大。但在此階段內，采煤機割煤速度的變化，對工作面瓦斯濃度變化的影響再次減小，工作面瓦斯濃度隨采煤機割煤速度變化的靈活度小。對現場數據進行整理集合，采煤機割煤速度變化與工作面瓦斯濃度之間的相互關系見表4.

表4 不同割煤速度時工作面的瓦斯濃度表

對此階段所收集到的數據進行二次項回歸分析，得出緩慢變化階段二次項回歸分析圖，見圖4. 由圖4可以看出，此階段隨著采煤割煤速度的增加，工作面的瓦斯濃度呈較慢的上升趨勢，運用回歸分析的方法推斷出此階段采煤機割煤速度與工作面瓦斯濃度之間的關系符合關系式：

y=0.002 7x2+0.011 3x+0.092 5,R2=0.971 5

式中，y表示采煤工作面瓦斯濃度，x表示采煤工作面采煤機割煤速度，R2值為0.971 5. 通過計算得知，此階段當采煤工作面瓦斯濃度到達1%時，采煤機割煤速度為16 m/min，此階段走向距離為4 m左右。

圖4 緩慢變化階段二次項回歸分析曲線圖

2.4 積極變化階段

緩慢變化階段之后是積極變化階段，此階段內，工作面壓力急劇上升并且達到峰值，頂板因壓力作用發生斷裂、垮落，頂板壓力開始下降，煤壁前端超前支承壓力在此階段內也達到峰值，并且開始減小，工作面后方采空區在達到最大值后開始冒落，采空區空間短時間內急劇減小。在此期間，采煤機割煤速度的變化，對工作面瓦斯濃度變化的影響達到最大，工作面瓦斯濃度隨采煤機割煤速度變化的靈活度最高。對現場數據進行整理集合，采煤機割煤速度變化與工作面瓦斯濃度之間的相互關系見表5.

表5 不同割煤速度時工作面的瓦斯濃度表

對此階段所收集到的數據進行二次項回歸分析，得圖5，由圖5可以看出，此階段隨著采煤割煤速度的增加，工作面的瓦斯濃度呈急速上升趨勢。

圖5 積極變化階段二次項回歸分析曲線圖

運用回歸分析的方法推斷出此階段采煤機割煤速度與工作面瓦斯濃度之間的關系符合關系式：

y=0.058 1x2-0.003 9x+0.217 5,R2=0.995 5

式中，y表示采煤工作面瓦斯濃度，x表示采煤工作面采煤機割煤速度，R2值為0.995 5. 通過計算得知，此階段當采煤工作面瓦斯濃度到達1%時，采煤機割煤速度為3.6 m/min，此階段走向距離為4 m左右。

3 不同階段瓦斯濃度隨割煤速度變化影響分析

根據超前支承壓力對煤壁的影響以及采空區瓦斯對工作面的影響，將采煤工作面以及煤壁前端分為4個區域，即采空區、生產區、煤壁前端I(卸壓區、應力集中區)、煤壁前端II(原始應力區)。其中在煤壁前端I內，煤壁前端的支承壓力達到最高值。工作面區域分布見圖6.

圖6 工作面區域分布圖

在工作面因采煤機割煤速度變化引起的瓦斯濃度的變化的4個階段內，主要引起采煤工作面瓦斯變化的源點不同：

1) 正常變化階段。在此階段內，工作面與采空區的空間總和較小，采空區頂板懸空距離較短，因此生產工作面頂板的壓力不大，工作面超前支承壓力也在4個階段內最小，但隨著工作面的向前推進，采空區范圍逐漸增大，頂板壓力與超前支承壓力隨之逐漸增大，由于超前支承壓力不大，煤壁前端煤層的節理裂隙破壞并不大，煤層的透氣性變化較小。采空區內瓦斯分布穩定，對工作面的影響也較小。在采煤機破煤過程中，煤壁瓦斯涌出量較小，隨著采煤機速度的加快，破煤所產生的瓦斯涌出面積增大。因此，工作面瓦斯濃度會隨著采煤機割煤速度的改變變化明顯。

2) 緩慢變化階段。工作面的繼續向前推進，使得采空區深度繼續增加，在此階段內，工作面與采空區的空間總和增大，頂板的懸梁距離加長，因此，頂板的壓力變大，工作面超前支承壓力較之前一階段變大，并且呈動態的逐漸增大，煤壁前端集中應力區的壓力增大，雖然該區內煤層的節理裂隙增多，但由于壓力變大，使得該區域的節理裂隙張開的程度愈來愈小，甚至于閉合，煤層滲透率減小，在裂隙逐漸閉合的過程中，該區域內煤層的大部分游離瓦斯向兩個方向運移，一部分向卸壓區滲透，大部分進入原始應力區，使得原始應力區瓦斯逐漸增多，瓦斯壓力梯度增加，在集中應力區內，頂板壓力大，使得煤層節理裂隙閉合，原始應力區內雖然瓦斯壓力梯度增加，但在集中應力區內的空隙接近于閉合狀態，煤層瓦斯無法從工作面煤壁滲出，在煤層內的原始應力區一定范圍內，形成較高的氣體壓力。所以此階段，工作面瓦斯主要來源于采空區以及煤壁前端卸壓區內的瓦斯，在采煤機破煤過程中，卸壓區內的瓦斯加速涌出，但隨著工作面的向前推進，這一時刻的卸壓區就是前一時刻的集中應力區，根據對深部煤層礦壓的研究，此時卸壓區煤層巖體應屬于塑性狀態，卸壓區內的煤層空隙并沒有張開，因此，卸壓區內的瓦斯越來越少，所以，工作面瓦斯濃度隨采煤機速度變化的活性減少。

3) 積極變化階段。此階段內，工作面頂板壓力達到最大值，頂板開始由中部斷裂，并逐漸向兩側延伸，采空區內頂板開始垮落，超前支承壓力在短時間內大量減小，煤壁深處壓力開始下降，集中應力區壓力減小，前一階段所產生的大量節理裂隙由工作面煤壁向深處逐漸張開，但此階段工作面瓦斯主要來源于采空區，因為采空區基本頂垮落，使得采空區空間大量減小，采空區瓦斯在短時間內涌入工作面，造成采空區瓦斯分布情況紊亂，工作面瓦斯濃度增大，隨著工作面的推進，前一階段高壓力所形成的塑性區逐漸減少，而塑性區前端的煤層受壓力的作用，形成大量的節理裂隙，并隨著壓力的減小，空隙逐漸張開，在壓力梯度的作用下，高瓦斯應力區內的瓦斯開始向工作面煤壁運移，并大量存在于靠近煤壁的煤層中。當采煤機生產破煤，煤體破碎，節理裂隙暴露面積增大，破碎煤體中存在的游離瓦斯也大量涌出，因此，這個階段內采煤機速度的變化對工作面瓦斯濃度的變化影響非常大。此階段是工作面瓦斯極易超標的階段，采空區瓦斯大量涌入工作面是造成這一階段瓦斯極易超標的主要因素，增加采空區的瓦斯抽采量對工作面瓦斯濃度影響不大，因為采空區瓦斯是瞬間大量涌入工作面，并且在工作面積聚，因此，通過控制采煤機割煤速度來限制煤壁瓦斯涌出，控制工作面瓦斯濃度。

4) 顯著變化階段。工作面繼續向前推進，此階段采空區基本頂頂板垮落基本完畢，采空區瓦斯分布情況逐漸恢復到初始狀態，對工作面瓦斯濃度的影響逐漸減小，由于工作面通風的作用，使得前一階段采空區內涌入的瓦斯逐漸減少，工作面空間內瓦斯濃度總體減小。工作面向前推進的作用，使得前階段煤壁前端在高應力狀態下形成的塑性區基本被采掘完畢，含有大量節理裂隙的煤壁直接暴露于工作面，空隙張開，由于在煤壁前端Ⅱ內存在高瓦斯，因此在瓦斯梯度作用力下，煤壁前端Ⅱ內的瓦斯大量向煤壁前端I移動，存在于煤壁前端Ⅰ的煤層中，并且通過空隙涌入工作面。所以此時采煤機割煤速度對工作面瓦斯濃度的影響非常顯著。此階段，煤壁的瓦斯涌出是影響工作面瓦斯濃度的主要因素，煤壁前端含有前兩個階段超前支承壓力作用下而聚集的大量瓦斯，這些瓦斯基本上是在此階段全部涌出，當正常變化階段來臨時，煤壁前端瓦斯恢復初始的平衡狀態。此階段內，超前支承壓力繼續減小，應力集中區對煤層的影響不大。

4 煤壁前端瓦斯現場檢測結果分析

為確定32#煤層右十一采面工作面前端達到原始應力區的深度、驗證分析得到的瓦斯運移結論是否正確、測定瓦斯梯度壓力增大的位置、探明4個階段內原始應力區內瓦斯含量是否不同，采用在工作面煤壁中部向煤壁前端打鉆，觀測不同深度時的鉆孔絕對瓦斯涌出量。

鉆孔瓦斯涌出量的測量儀器為瓦斯流量計(以下簡稱“流量計”)，流量計的測量原理是采用煤礦中掘進巷道工作面鉆孔瓦斯涌出初速度測量工藝(即速度法)。根據鉆孔瓦斯涌出初速度的標準測試方法，其測量原理見圖7.在進行測量之前，首先向工作面煤壁前端打鉆孔，然后在鉆孔打完2 min之內，將集氣管以及封孔器送入到鉆孔內指定的位置，測量室要保持0.5 m的長度。待送入到指定位置后，對氣囊進行充氣，對鉆孔進行封孔，使鉆孔內的瓦斯從集氣管向外流動。然后啟動流量計，開始測量由集氣管進入到排氣管的瓦斯流，通過流量計可以得到瓦斯涌出量。

1—測氣室 2—集氣管 3—氣囊封孔器 4—煤體 5—瓦斯排出管 6—瓦斯捧出管連接套 7—鉆孔 8—排出管閥 9—膠管連接套 10—氣囊充氣膠管 11—連接膠管 12—瓦斯流量計圖7 瓦斯流量計示意圖

在不同階段，對煤壁前端打鉆，發現在積極變化階段，煤壁前端原始應力區內的瓦斯涌出量最高，并遠遠高于工作面瓦斯含量，說明在前兩階段煤壁前端I的瓦斯大量涌入煤壁前端II，正常變化階段原始應力區內的瓦斯涌出量相對最少；工作面前端10 m開始，鉆孔瓦斯涌出量逐漸快速增大，并遠遠高于10 m范圍內的瓦斯涌出量，根據超前支柱的壓力表顯示，超前支護壓力峰值在煤壁前端8 m左右，這驗證了課題組的推測。

分析采場周期來壓期間，影響瓦斯涌出因素關系可知：

1) 周期來壓期間，影響工作面瓦斯濃度的主要因素并不是一直不變的，采空區頂板垮落與工作面瓦斯濃度的大小在周期來壓顯現階段有直接關系，頂板垮落后一段時間內，工作面瓦斯主要來源于煤壁瓦斯涌出。

2) 采煤機割煤速度能間接控制工作面瓦斯濃度，控制采煤機割煤速度對控制工作面瓦斯濃度能起到很好的效果。但采煤機割煤速度并不能直接決定工作面瓦斯涌出量。

3) 煤壁前端含有的瓦斯并不是全部向工作面運移，在一個周期來壓時間內，工作面瓦斯運移分兩部分，一部分向工作面移動，大部分向煤壁深處運移。當超前支承壓力減少時，隨著工作面的推進，超前支承壓力大時產生的塑性區逐漸減小消失，這時煤壁前端聚集的大量瓦斯通過節理裂隙向工作面涌出。

4) 32#煤層在生產過程中，在工作面瓦斯濃度隨割煤速度變化的正常和緩慢變化階段，由于計算所得采煤機極限速度超過10 m/min，根據現場工作條件的實際生產狀況，采煤機割煤速度無法超過10 m/min，因此，在這兩個階段內，采煤機割煤速度操作可以不用考慮對工作面瓦斯的影響；在積極變化階段，采煤機對工作面瓦斯濃度影響較大，計算所得采煤機此階段極限速度為3.6 m/min，考慮上隅角瓦斯狀況，根據現場實際狀況，將此速度乘以90%，建議此階段內采煤機割煤最高速度為3 m/min；在顯著變化階段，建議采煤機割煤最高速度為5 m/min.

5 結 論

通過對周期來壓期間影響工作面瓦斯濃度因素的研究，以及對控制采煤機速度來控制工作面瓦斯濃度方法的研究，可以得出如下結論：

1) 周期來壓期間，工作面瓦斯變化受采煤機割煤速度的影響分為4個階段。

2) 在整個周期來壓期間，煤壁前端瓦斯的運移分階段性，并不是一味的向工作面涌出。

3) 控制采煤機速度，可以在周期來壓顯現期間，對控制32#煤層工作面的瓦斯濃度起到很好的效果。

4) 得到采煤機割煤速度在4個階段內對工作面瓦斯濃度的影響，總體來講，兩者之間符合二次多項式回歸，其計算式：

式中：

x—采煤機割煤速度，m/min；

y—工作面瓦斯濃度，%；

不同階段，a、b、c的值不同。

[1] 司光耀,繆擁正,敬 毅.基于灰色馬爾可夫模型預測煤礦瓦斯涌出量[J].陜西煤炭，2008(6)：32-33.

[2] 屈慶棟,許家林,楊勝強.高瓦斯長距離掘巷瓦斯涌出特征及其通風參數選擇[J].煤礦安全，2008(1):99-102.

[3] 桂祥友,郁鐘銘,孟絮屹.貴州煤礦瓦斯涌出量灰色預測的應用[J].采礦與安全工程學報，2007(4):1232-1235.

[4] 候三中.瓦斯參數變化對鉆孔瓦斯涌出初速度的影響[J].煤礦現代化，2016(1):9-12.

[5] 吳義萍.采掘工作面瓦斯涌出異常的研究與治理[J].山東煤炭科技，2016(6):88-91.

Study on Connection between Coal Mining Speed and Gas Concentration in Working Face

XING Hongyan

In order to determine the connection between the mining speed and the gas concentration in the working face in the No.32 coal seam in Hulonggou coal mine, the data under different coal cutting speed and the gas concentration during the process of cyclic pressure are collected and analyzed on the base of field observation. The quadratic function relation between the coal cutting speed and the gas concentration within the four different stages of gas emission are simulated and fitted, the experience is of positive significance for the determination of gas emission and movement law in the working face, and provides guidance for the treatment of gas in the working face to provide a reference for determining the law of gas emission and migration in the working face. Work face gas governance provides guidance.

Coal cutting speed; Gas concentration; Stages of change; Function relation

2017-03-09

邢紅巖(1983—)，男，山西高平人，2009年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦調度工作

(E-mail)zfg3259@163.com

TD712+.5

A

1672-0652(2017)06-0010-06