高瓦斯掘進面瓦斯涌出規律分析

吉昌生

(山西省高平市煤炭生產管理中心，山西 高平 048400)

0 引言

隨著現代化采煤技術的發展，越來越多的掘進工作面開始大規模使用綜合機械化掘進技術，大大提高了工作面的掘進效率，而且配套化的綜掘技術保障了掘進工作的安全性，從而使得煤礦企業的生產效率大為提高[1-2]。但是對于高瓦斯礦井來說，由于綜掘過程中對于煤巖應力的擾動作用強，原本煤巖中吸附態和游離態的瓦斯很容易在這種外加應力的作用下發生運移，使得掘進巷道中的瓦斯量異常，這就會嚴重制約掘進工作面的正常掘進。因此，研究高瓦斯掘進工作面的瓦斯涌出規律對于高瓦斯礦井的正常掘進，保證掘進效率、提高掘進安全性、減少瓦斯災害事故具有十分重大的意義[3-4]。

掘進工作面的瓦斯涌出量及涌出規律與掘進面所處的地質條件和掘進技術有關。本文以高瓦斯礦井——余吾煤業為研究對象，通過對S5202回風順槽掘進過程中的瓦斯涌出量進行實測來做出瓦斯涌出規律分析。

1 工作面概況

余吾煤業現主采3#煤層，煤層總厚為6.15～6.47 m，平均厚度為6.31 m；煤層傾角為-5°～+2°，平均為-1.5°；煤層厚度穩定，為大部可采穩定煤層。通過地質綜合柱狀圖分析，3#煤層位于二疊系山西組地層的中下部，屬陸相湖泊沉積；煤層局部含0.1～0.7 m炭質泥巖夾矸。老頂的主要成分為細粒砂巖，交錯夾泥巖及粉砂巖條帶，局部具有方解石裂隙，厚度為10.25～11.37 m，厚度較穩定，構成3#煤層頂板的主要部分。直接頂主要成分為泥巖，并在局部地區含少量的云母碎片，厚度為0.9～2.74 m，巖性致密但厚度較薄。直接底主要成分為深灰色泥巖，在直接底下部局部夾有0.25 m厚的細砂巖薄層，厚度在1.15～2.95 m之間分布，同樣巖性較為致密。老底主要成分為粉砂巖，夾泥巖條帶，厚度為3.16～7.43 m。

在2016年全礦的瓦斯涌出量鑒定中測得瓦斯涌出量為340.2 m3/min，鑒定為高瓦斯礦井。作為研究對象的S5202工作面設計全長1 767 m，掘進速度為5.4 m/d，在進行S5202工作面的掘進過程中，測得回風順槽的原始瓦斯含量11.3 m3/t，在掘進過程中面臨著嚴重的瓦斯涌出現象。

2 掘進工作面瓦斯

2.1 掘進工作面瓦斯涌出特征

瓦斯來源：S5202工作面主要在3#煤層中掘進，為單一煤層的掘進方式，與上下部可采煤層的距離較遠，因此這種單一煤層掘進方式的工作面瓦斯涌出量來源主要為煤壁和落煤。在綜掘機不斷掘進的過程中，大量的煤壁暴露出來，煤層內部的瓦斯不斷通過煤壁涌入掘進工作面，同時，在綜掘機進行迎頭落煤的過程中，割煤所產生的大量裂隙成為煤體中吸附瓦斯的運移通道，煤體中的瓦斯大量涌出，共同造成了工作面瓦斯含量的超限。

瓦斯涌出特征：與傳統的炮掘工作面相比[5]，采用綜掘方式的工作面瓦斯涌出量具有如下特征。①采用綜掘的方式，工作面的掘進速度較快，割煤后的落煤能及時通過運輸系統運出工作面，使得掘進相同長度的工作面，綜掘方式的相對瓦斯涌出量相對較小；②綜掘的割煤速度可操控性強，而炮掘效果受制于爆破藥的質量、含量以及爆破地點的選擇，每次的爆破效果難以預知，因此綜掘方式的瓦斯涌出相對均衡；③掘進工作面的瓦斯涌出含量與掘進工作面的長度、煤體瓦斯含量、落煤大小等因素相關。

2.2 煤壁的瓦斯涌出量

煤壁瓦斯涌出系數：在進行煤壁瓦斯涌出量分析時，采用煤壁瓦斯涌出系數qm來進行表示，其物理意義為單位時間內煤壁瓦斯的涌出量。為了對煤壁落煤的瓦斯涌出規律進行分析，在進行掘進工作面實測時，選擇在檢修時段進行瓦斯測定，此時不進行工作面的掘進，落煤瓦斯對于瓦斯含量的影響較小，結果較為準確。

測點布置：在距離掘進工作面迎頭5 m處布置一個測點，主要監測瓦斯濃度和巷道風速；在20～100 m范圍內每隔20 m布置一個測點，安裝相應的傳感器裝置；隨后隨著與工作面距離的增大，測點布置距離也相應增大，在100～500 m之間每隔50 m布置一個，在大于500 m的更遠處每隔100 m布置一個進行監測。

瓦斯涌出量分析：監測到的瓦斯涌出量及其占比如圖1所示。通過分析各測點的瓦斯涌出量可以看出，在距迎頭5～100 m距離范圍內的煤壁瓦斯涌出量增長較大，在此情況下，工作面煤壁剛開始切割，大量的新的煤壁暴露出來，同時在采動應力的影響下，煤體及煤壁中的吸附瓦斯解吸，大量向工作面釋放出來，因此在距迎頭距離較近的區域瓦斯涌出量變化幅度較大。在100～800 m之間的瓦斯涌出量增加比較均衡，并且隨著距離的逐步增大而趨于平衡，說明在掘進工作面后方煤壁上經過長時間的暴露，瓦斯解吸吸附達到平衡，實現了在應力重新分布狀態下的動態平衡，同時由于掘進工作面的鉆孔抽采瓦斯等措施，使得掘進面后方的瓦斯涌出量逐漸趨于平穩。由此可以發現，在工作面剛開始切割時是瓦斯處理工作最緊張的時刻，需要加強對工作面的瓦斯動態監控，嚴防超標。

圖1 瓦斯涌出量與距離的關系圖

瓦斯運移規律：通過各個距離段瓦斯涌出量的占比分析可以看出，①在5～40 m的煤壁瓦斯涌出量占到整個工作面煤壁瓦斯涌出量的47%以上，分析認為在5～40 m范圍內，瓦斯運移還處在活躍狀態，大量的游離瓦斯通過割煤產生的煤壁裂隙逸散出去；②在40～200 m范圍內瓦斯涌出量占比在逐漸減小，占29%，這可能與暴露時間變長有關，瓦斯運移越來越趨于穩定；③在200 m以后，瓦斯含量占比基本保持不變。

瓦斯涌出強度：通過對瓦斯涌出強度與煤壁暴露時間進行擬合，發現二者之間存在一定的關系，其擬合曲線如圖2所示。通過圖2可以看出，在煤壁最開始暴露的時間段內，瓦斯涌出強度變化量很大，在暴露時間達到27 d時瓦斯涌出強度基本平穩，隨著暴露時間的繼續增大，瓦斯涌出強度基本保持不變，由于瓦斯的逸散是不斷進行的，所以瓦斯涌出強度只會盡可能小，不可能為0。

圖2 瓦斯涌出強度與暴露時間關系圖

關系式擬合：煤壁瓦斯涌出強度與暴露時間滿足雙曲線函數關系。

(1)

式中:qm—經過時間t后的煤壁瓦斯涌出量，m3/min；q0m—初始時間的煤壁瓦斯涌出量，m3/min；t—巷道暴露時間，d。將式(1)兩邊進行對數化，可得

Inqm=Inq0m-aIn(1+t)

(2)

代入實測數據可得到的關系圖如圖3所示。

圖3 In(1+t)與Inqm的關系圖

通過以上的關系擬合可以發現，Inqm=-1.106In(1+t)-0.978，相關性系數為0.986，因此可以得出Inq0m=-0.978，a=1.106。

將以上得出的系數代入式(1)，即可得到S5202回風順槽掘進工作面的瓦斯涌出強度qm隨暴露時間t的關系式

(3)

3 落煤瓦斯涌出量計算

落煤的瓦斯涌出量計算采用生產和檢修期間工作面瓦斯濃度變化差值的方法進行計算，其公式如下

Q落=Q·(c采-c停)

(4)

式中：Q落—落煤瓦斯涌出量，m3/min；Q—掘進工作面供風量，m3/min；C采—采掘中的瓦斯濃度，%；C停—停止掘進的瓦斯濃度，%。

通過與煤壁瓦斯涌出量同期測定的瓦斯濃度分析，現場實測在巷道掘進800 m時回風流的瓦斯濃度為0.39%，在工作面檢修時的回風流瓦斯濃度為0.35%，此時掘進工作面的供風總量為1 500 m3/min，由此可以計算出掘進工作面的落煤瓦斯涌出量為0.6 m3/min。

由于在掘進800 m時通過布置測點測得工作面煤壁瓦斯涌出量為6.49 m3/min，因此整個掘進工作面掘進時的瓦斯涌出量為7.09 m3/min。

4 結論

(1)掘進工作面與炮掘工作面相比，其相對瓦斯涌出量較小，受掘進方式的影響，瓦斯涌出相對均衡。

(2)掘進工作面煤壁瓦斯涌出量隨著煤壁在掘進過程中暴露時間的增大而呈非線性減小，在距工作面越近的地段瓦斯涌出強度越大，是需要進行瓦斯防治的重點，隨著距掘進面距離的增大，瓦斯涌出強度逐漸減小并趨于平穩。

(3)在單一煤層開采條件下的掘進工作面的瓦斯涌出量與煤壁和落煤瓦斯有關，根據在余吾煤業S5202工作面的實測結果表明，在掘進過程中煤壁瓦斯涌出量占比為91.54%，落煤的瓦斯涌出占比為8.46%，在掘進時的瓦斯預防主要是針對煤壁瓦斯，因此可以采取在煤壁上打鉆孔的方式進行瓦斯抽采以減小瓦斯危害。

(4)通過以余吾煤業高瓦斯掘進工作面瓦斯涌出規律的分析，可為高瓦斯礦井工作面掘進過程中的瓦斯防治提供指導。