采煤工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)研究

王 磊

（山西錦興能源有限公司，山西 呂梁 033600）

瓦斯涌出不均衡系數(shù)是煤礦瓦斯治理最重要的基礎(chǔ)參數(shù)之一。在礦井的生產(chǎn)過程中，瓦斯涌出不均衡系數(shù)受地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存、大氣壓力及生產(chǎn)工藝等其他條件的影響，并不是一個(gè)確定的值。但如果能掌握某一區(qū)域的瓦斯涌出不均衡系數(shù)，則可以為此區(qū)域的瓦斯涌出量預(yù)測提供相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，從而為礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 工作面煤層瓦斯情況

1.1 礦井概況

肖家洼煤礦井田面積為60.338km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為8.0Mt/a，主要開采8號、13號煤層。目前礦井開拓為一個(gè)水平布置11采區(qū)和21采區(qū)，布置1個(gè)綜采工作面、1個(gè)綜放工作面和4個(gè)綜掘工作面。全礦井的絕對瓦斯涌出量為16.09m3/min，相對瓦斯涌出量為0.67m3/t，絕對二氧化碳涌出量為8.51m3/min，相對二氧化碳涌出量為0.36m3/t。

1.2 工作面概況

110805綜采工作面位于肖家洼11采區(qū)內(nèi)，開采8號煤層，東、西、北均為未開采區(qū)域，工作面絕對瓦斯涌出量為12.21m3/min。工作面采高4m，工作面傾向長度為257m，煤層平均厚度4m，煤層傾角6～17°，回采率為94%，日產(chǎn)量為8500t。

由于110805工作面屬高瓦斯工作面，工作面在回采之前，施工巷道布置了井下移動瓦斯抽采泵站。泵站的主體設(shè)備為ZWY-260/355-G型瓦斯抽采泵2臺，抽采能力260m3/min，電機(jī)功率355kW，采用一運(yùn)一備工作模式。根據(jù)采場“O”型圈理論，依托肖家洼煤礦井下移動泵站抽采系統(tǒng)，在工作面內(nèi)材料順槽左幫現(xiàn)有條件下布置鉆場，鉆場參數(shù)如下表1所示，鉆孔布置圖如圖1所示。

2 測定地點(diǎn)、內(nèi)容與技術(shù)要求

在110805工作面材料順槽回風(fēng)隅角布置測試探頭T1（T1探頭距離回風(fēng)隅角≤10m），對工作面甲烷濃度進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合分配風(fēng)量，監(jiān)控工作面不同工序階段風(fēng)排瓦斯涌出量；同時(shí)對工作面瓦斯抽采管路內(nèi)甲烷濃度、流量進(jìn)行監(jiān)控，計(jì)算工作面不同工序階段瓦斯抽采量，最后對瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算。測點(diǎn)布置圖如圖2所示。

表1 高位鉆孔參數(shù)表

圖1 高位鉆孔布置圖

圖2 回采工作面測點(diǎn)布置圖

（1）測量內(nèi)容

①對工作面的風(fēng)量、瓦斯抽采純量進(jìn)行測定；

②對工作面在0點(diǎn)班、8點(diǎn)班時(shí)處理不同工序條件下的CH4濃度變化情況進(jìn)行監(jiān)控，并測定數(shù)值；

③抽采管路傳感器與T1探頭傳感器CH4監(jiān)控設(shè)置記錄時(shí)間為每5分鐘自動記錄1次，且實(shí)行連續(xù)不間斷監(jiān)控，每24h打印一次數(shù)據(jù)。

（2）技術(shù)要求

①人工校驗(yàn)CH4濃度時(shí)，每30min測定1次，每測量3個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，測定結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位數(shù)，數(shù)據(jù)誤差不得超過5%。

②人工校驗(yàn)CH4濃度時(shí)，必須以光干涉式甲烷測定器測定為主；

③如發(fā)現(xiàn)測定地點(diǎn)抽采系統(tǒng)儀器儀表或通風(fēng)監(jiān)測設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化或者出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)處理或向通風(fēng)主管部門匯報(bào)。

④瓦斯校驗(yàn)人員必須對所使用的儀器儀表進(jìn)行認(rèn)真檢查，保證其正常使用，保證校驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

3 瓦斯涌出量與生產(chǎn)工序的關(guān)系分析

3.1 瓦斯涌出量與生產(chǎn)工序的關(guān)系

為研究110805工作面生產(chǎn)工序與瓦斯涌出量之間的關(guān)系，分別對工作面回風(fēng)隅角甲烷濃度、工作面瓦斯涌出量進(jìn)行長時(shí)間跟蹤統(tǒng)計(jì)，選取110805工作面2017年12月4日至2018年1月3日回風(fēng)隅角甲烷濃度與生產(chǎn)工序的變化曲線如圖3所示，110805工作面瓦斯涌出量與生產(chǎn)工序變化曲線如圖4所示。

圖3 110805工作面生產(chǎn)工序與回風(fēng)隅角甲烷濃度關(guān)系

110805工作面采用“三·八”工作制，即兩班生產(chǎn)，一班檢修。生產(chǎn)班割煤3.5刀，工作面采用不同采煤工序作業(yè)，瓦斯涌出的表現(xiàn)特征有所不同。110805工作面的瓦斯涌出強(qiáng)度順序表現(xiàn)出：檢修時(shí)甲烷濃度及涌出量最小，移架時(shí)甲烷濃度及涌出量最大，根據(jù)井下跟班實(shí)際觀察，移架時(shí)甲烷濃度及涌出量普遍大于割煤時(shí)，即：檢修<割煤<移架。生產(chǎn)班的平均甲烷濃度是檢修班的平均甲烷濃度的1.71倍。工作面不同生產(chǎn)時(shí)間的涌出量如表2統(tǒng)計(jì)，如圖3、圖4所示。

通過圖3、圖4可知，2017年12月4日～2018年1月3日，110805工作面檢修班平均瓦斯涌出量為19.19m3/min，生產(chǎn)班平均瓦斯涌出量為23.05m3/min。

3.2 工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)

在計(jì)算工作面推進(jìn)過程中的瓦斯涌出量時(shí)，一般使用的是平均值，而在工作面風(fēng)量計(jì)算中，使用的卻是瓦斯涌出量的最大值，以此來確定出滿足工作面正常生產(chǎn)的最小風(fēng)量。因此，要根據(jù)實(shí)際計(jì)算出回采工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)KH，對不均衡系數(shù)的研究可以為工作面的風(fēng)量計(jì)算和生產(chǎn)工序的調(diào)整提供合理依據(jù)，從而達(dá)到控制和減少回采工作面瓦斯超限的目的。

表2 工作面涌出量統(tǒng)計(jì)表

圖4 110805工作面生產(chǎn)工序與瓦斯涌出量的關(guān)系

工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)KH指的是在該工作面內(nèi)最大瓦斯涌出量Qmax與平均瓦斯涌出量Qp的比值，即：

為了確定工作面在不同生產(chǎn)工序工藝下的瓦斯涌出不均衡系數(shù)，選取2017年12月4日～2018年1月3日工作面瓦斯涌出量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中觀測到的2018年12月25日工作面瓦斯涌出量最大，其值為27.34m3/min，利用工作面涌出量預(yù)測公式計(jì)算110805工作面最大瓦斯涌出量為30.42m3/min。工作面生產(chǎn)班、檢修班平均瓦斯涌出量為21.12m3/min，則可以確定110805工作面瓦斯涌出量不均衡系數(shù)在1.29～1.44之間，平均值為1.37。

4 結(jié)語

利用煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對肖家洼煤礦采掘工作面風(fēng)量和風(fēng)流中甲烷濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，對瓦斯抽采管路內(nèi)瓦斯抽采純量連續(xù)記錄，并輔以人工現(xiàn)場數(shù)據(jù)校驗(yàn)，從而獲得了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析及整理計(jì)算，得出了肖家洼煤礦110805工作面區(qū)域瓦斯涌出不均衡系數(shù)KH值為1.29～1.44之間，平均值為1.37，說明礦井瓦斯涌出的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，同時(shí)說明恰當(dāng)確定工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)KH值對于指導(dǎo)瓦斯治理具有重要意義。研究成果為肖家洼煤礦采煤工作面及其他區(qū)域瓦斯預(yù)測工作提供借鑒，為回采工作面合理配風(fēng)和礦井瓦斯綜合防治提供了科學(xué)指導(dǎo)。