單一煤層采煤工作面瓦斯抽采量與推進(jìn)度之間關(guān)系研究

肖寒撼 李維光 華道友 李 超

(四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川省成都市，610101)

近年來，我國煤礦瓦斯事故總量持續(xù)下降，但是重、特大瓦斯事故時(shí)有發(fā)生，瓦斯事故依然是我國煤礦生產(chǎn)安全的第一殺手。預(yù)防煤礦瓦斯的關(guān)鍵是礦井通風(fēng)技術(shù)和瓦斯抽采技術(shù)。但是，影響采煤工作面瓦斯抽采效果的因素眾多，目前的研究并未真正將采煤和瓦斯抽采有機(jī)結(jié)合以達(dá)到煤與瓦斯共采的目的。本文以四川省勝利煤礦1306走向長(zhǎng)壁采煤工作面為工程背景，從采煤工作面推進(jìn)度和瓦斯抽采量指標(biāo)著手，通過對(duì)采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷中卸壓瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的實(shí)測(cè)，運(yùn)用回歸分析方法，得出了采煤工作面瓦斯抽采量與采煤工作面推進(jìn)度的相互關(guān)系，為煤與瓦斯共采的實(shí)施提供一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

勝利煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力9萬t/a，準(zhǔn)許開采K10d煤層。2016年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量20.17 m3/min，屬于高瓦斯礦井。礦井建有永久瓦斯抽采系統(tǒng)，裝備兩臺(tái)2BE1-303型瓦斯抽采泵，電機(jī)功率90 kW；瓦斯抽采主管直徑250 mm，支管直徑108 mm。1306采煤工作面位于-100 m水平十采區(qū)西翼第三區(qū)段內(nèi)，1308巷和1306巷分別為1306采煤工作面的回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷。1306采煤工作面走向長(zhǎng)度575 m，傾斜長(zhǎng)度100 m，采用走向長(zhǎng)壁采煤法無煤柱開采，采高0.7 m，單體液壓支柱控制頂板，最大控頂距為3.8 m，最小控頂距為2.8 m，局部充填法處理采空區(qū)。1306采煤工作面開采的K10d煤層厚度0.18～0.52 m，煤層傾角3°～5°。K10d煤層下距不可采K10m煤層和K10s煤層距離分別為0.2～0.35 m、0.69～1 m，上距不可采K11煤層4 m。老頂為淺灰色細(xì)粒砂巖，直接頂為砂質(zhì)頁巖、煤線，偽頂為灰色頁巖；底板為灰色砂質(zhì)泥巖、頁巖、煤線。K10d煤層瓦斯壓力0.71 MPa，煤層瓦斯含量7.39 m3/t；煤層透氣性系數(shù)0.32～1.76 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采煤層。

2 采煤工作面瓦斯抽采方法

隨著采煤工作面的開采，來自開采層K10d煤層和受采動(dòng)影響范圍內(nèi)頂板、底板中不可采K10m、K10s、K11煤層中的卸壓瓦斯將涌入開采空間中。由于采煤工作面采用無煤柱護(hù)巷技術(shù)，其后方采空區(qū)存在漏風(fēng)現(xiàn)象，加上瓦斯比空氣輕，一方面卸壓瓦斯可能涌入采煤工作面風(fēng)流及其回風(fēng)流中，造成瓦斯積聚現(xiàn)象；另一方面卸壓瓦斯也可能在密閉良好的條件下運(yùn)移、滯留在采空區(qū)裂隙帶中。當(dāng)瓦斯抽采鉆孔進(jìn)入這些區(qū)域抽采瓦斯時(shí)，采空區(qū)裂隙帶即成為大流量、高濃度卸壓瓦斯的聚集區(qū)。

根據(jù)1306采煤工作面開采煤層及其上下鄰近不可采煤層賦存情況、瓦斯來源、頂板來壓特征等，采用頂(底)板高(低)位鉆孔同時(shí)抽采開采煤層和受采動(dòng)影響上下鄰近不可采煤層的卸壓瓦斯。在1306采煤工作面煤壁前方1308回風(fēng)巷中，分別距離煤壁18 m、36 m的煤體中布置第一、第二鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距18 m。隨著采煤工作面的推進(jìn)，在1308回風(fēng)巷中始終保持在煤壁前、后方各有兩個(gè)鉆場(chǎng)；在1306采煤工作面1306進(jìn)風(fēng)巷中，在煤壁后方12 m布置第一個(gè)鉆場(chǎng)，以后每隔18 m布置一個(gè)鉆場(chǎng)。1306采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷中鉆場(chǎng)和鉆孔布置如圖1所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。其中，在回風(fēng)巷中每個(gè)鉆場(chǎng)布置1#、3#頂板鉆孔和2#、4#底板鉆孔；在進(jìn)風(fēng)巷上幫布置2#、4#、6#底板鉆孔，下幫布置1#、3#頂板鉆孔和5#底板鉆孔。

圖1 1306采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷鉆場(chǎng)、鉆孔布置示意圖

鉆場(chǎng)鉆孔鉆孔直徑/mm鉆孔傾角/(°)鉆孔長(zhǎng)度/m距頂(底)板距離/m進(jìn)風(fēng)巷1#6529301752#75-2240203#6521401964#75-18502285#75-26401436#75-1460234回風(fēng)巷1#6529301752#75-26401433#6521401964#75-2840135

3 采煤工作面瓦斯抽采量與推進(jìn)度關(guān)系統(tǒng)計(jì)研究

采用回歸分析方法，對(duì)1306采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、采煤工作面瓦斯抽采量與采煤工作面推進(jìn)度之間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，如圖2所示。得出1306采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和采煤工作面瓦斯抽采量與工作面推進(jìn)度之間變化規(guī)律。

(1)隨著采煤工作面的回采，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)12.1～50.6 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷中瓦斯抽采量緩慢升高至1.2 m3/min；當(dāng)采煤工作面推進(jìn)50.6～84.7 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷中瓦斯抽采量從1.2 m3/min迅速上升至最大值3.1 m3/min；當(dāng)采煤工作面推進(jìn)84.7～167.2 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷中瓦斯抽采量在3 m3/min上下波動(dòng)。采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷中瓦斯抽采量Q1與采煤工作面推進(jìn)度x間相互關(guān)系如式(1)所示，R2為回歸方程的確定性系數(shù)。

(1)

(2)隨著采煤工作面的回采，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)12.1～68.2 m時(shí)，回風(fēng)巷中瓦斯抽采量緩慢升高至最大值1.64 m3/min；當(dāng)采煤工作面推進(jìn)68.2～167.2 m時(shí)，回風(fēng)巷中瓦斯抽采量由1.64 m3/min先緩慢下降、后緩慢上升至1.0 m3/min左右。采煤工作面回風(fēng)巷中瓦斯抽采量Q2與采煤工作面推進(jìn)度x間相互關(guān)系如式(2)所示。

(2)

(3)1306采煤工作面瓦斯抽采量即為1306采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷瓦斯抽采管道中瓦斯抽采量之和。隨著采煤工作面的回采，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)12.1～50.6 m時(shí)，采煤工作面瓦斯抽采量緩慢升高至2.06 m3/min；當(dāng)采煤工作面推進(jìn)50.6～89.1 m時(shí)，1306采煤工作面瓦斯抽采量從2.06 m3/min迅速上升至最大值4.34 m3/min；當(dāng)采煤工作面推進(jìn)89.1～167.2 m時(shí)，采煤工作面瓦斯抽采量保持在4 m3/min上下。采煤工作面瓦斯抽采量Q與采煤工作面推進(jìn)度x間相互關(guān)系如式(3)所示。

(3)

可見，隨著1306采煤工作面推進(jìn)度的不斷增加，其瓦斯抽采量呈現(xiàn)緩慢升高、迅速上升、緩慢增加并總體穩(wěn)定的變化規(guī)律。當(dāng)采煤工作面推進(jìn)度超過80 m后，隨著鉆孔數(shù)量的持續(xù)增加，采煤工作面瓦斯抽采量并不顯著增大，而是總體保持在4 m3/min左右。

圖2 1306采煤工作面瓦斯抽采量與推進(jìn)度關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)當(dāng)1306采煤工作面采用頂(底)板高(低)位鉆孔法抽采瓦斯時(shí)，隨著采煤工作面推進(jìn)度的增加，采煤工作面瓦斯抽采量呈現(xiàn)緩慢升高、迅速上升、緩慢增加并總體穩(wěn)定的變化規(guī)律。

(2)在礦井瓦斯抽采能力一定前提下，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)度超過80 m后，不斷增加鉆孔數(shù)并不能顯著增加采煤工作面瓦斯抽采量；必須定期測(cè)定抽采鉆孔瓦斯參數(shù)，及時(shí)關(guān)閉瓦斯抽采濃度低且混合流量小的鉆孔。

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