石窟煤礦工作面瓦斯單元法監(jiān)測研究

張瀚超

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三元石窟煤業(yè)有限公司，山西長治，047500）

1 引言

有效的瓦斯監(jiān)控及防治是保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。實(shí)際生產(chǎn)中通過單一增大進(jìn)風(fēng)量雖然在一定程度上可有效降低工作面瓦斯?jié)舛龋欢^量的風(fēng)流可能在帶走瓦斯的同時增大工作面粉塵濃度并降低工作環(huán)境溫度惡化工作環(huán)境，新風(fēng)的過量輸入增加了采空區(qū)煤炭自燃的可能性，使工作面產(chǎn)生新的安全隱患。因此，為保證礦井安全生產(chǎn)的同時有效的提高瓦斯控制方面的經(jīng)濟(jì)效益，科學(xué)合理的監(jiān)測工作面瓦斯相關(guān)參數(shù)并與通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行高度結(jié)合對整個生產(chǎn)系統(tǒng)十分重要。對于瓦斯問題，付合生[1]經(jīng)過對某煤礦綜放開采過程中工作面瓦斯與地質(zhì)條件、產(chǎn)量以及配風(fēng)量等因素相互影響規(guī)律進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了一套完整的監(jiān)控防治措施可有效降低工作面瓦斯?jié)舛龋瑸榘踩a(chǎn)提供保障；聶百勝等[2-4]應(yīng)運(yùn)多種模型對比計(jì)算及研究對影響瓦斯氣體在煤體運(yùn)動方式進(jìn)行了劃分，并得出溫度、氣體性質(zhì)、氣壓及煤體結(jié)構(gòu)為主要影響因素為后人研究提供可靠的方向；呂貴春等[5-7]在總結(jié)前人預(yù)測方法的基礎(chǔ)上吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用灰色理論利用已有的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為礦井建立了動態(tài)瓦斯監(jiān)測模型，且預(yù)測準(zhǔn)確性較高具有很高的使用價值和意義。在前人研究的基礎(chǔ)上本文應(yīng)用單元法分析石窟煤礦工作面瓦斯?jié)舛燃奥╋L(fēng)量的變化規(guī)律，為煤礦控制瓦斯事故的發(fā)生提高安全性提供參考，同時為有效的降低采空區(qū)煤炭自燃可能性以及一定程度上提高通風(fēng)系統(tǒng)的工作效率及經(jīng)濟(jì)性。

2 工程概況

石窟煤礦現(xiàn)有工作面開采煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部的3#煤層，煤層賦存相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，該煤層以塊狀為主，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，條痕為黑色，玻璃光澤，參差狀—階梯狀斷口，根據(jù)工作面附近的3 號鉆孔資料以及兩順槽掘進(jìn)時探明的情況，煤層厚度5.33 m～6.68 m，平均厚度6.10 m，堅(jiān)固性系數(shù)2～3，整體呈單斜構(gòu)造，傾向313°，走向N43°E，煤層傾角2°～5°，平均傾角3°。其中研究目標(biāo)30106 工作面布置如圖1 所示，其頂?shù)装逡陨百|(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖為主，透氣性較弱易于瓦斯等氣體的儲存，工作面所處地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，同時結(jié)合采煤量及采空區(qū)和遺煤逸散等因素的影響，對工作面瓦斯?jié)舛鹊缺O(jiān)控對安全十分必要。

圖1 工作面及巷道布置圖

3 單元法檢測原理及應(yīng)用

應(yīng)用單元法過程中需要對目標(biāo)工作面進(jìn)行等距均分，通過實(shí)際監(jiān)測所得各個單元體內(nèi)瓦斯和漏風(fēng)量大小及分布規(guī)律對整個工作面瓦斯情況進(jìn)行分析研究。

圖2 瓦斯和風(fēng)量平衡示意圖

如圖2 所示，根據(jù)單元體內(nèi)瓦斯和風(fēng)量的平衡關(guān)系建立如下平衡方程，并根據(jù)現(xiàn)場瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入下列方程計(jì)算得出各單元體內(nèi)未知參數(shù)作為整體規(guī)律研究基礎(chǔ)。

其中：Qi-表示單元體內(nèi)流進(jìn)風(fēng)量，m3/min；

Qo-表示單元體內(nèi)流出風(fēng)量，m3/min；

Q1-表示從采空區(qū)進(jìn)入單元體漏風(fēng)量，m3/min；

q1-表示從采空區(qū)進(jìn)入某單元體瓦斯量，m3/min；

qt-表示某單元體內(nèi)其他原因產(chǎn)生的瓦斯量，m3/min；

C1-表示某單元體內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?；

Ci、Co-表示流入和流出單元體瓦斯?jié)舛龋?。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況將30106工作面均勻分為11個單元進(jìn)行檢測，每一單元劃為22 m×22 m單元體，具體布置方式如圖3 所示，并且每個單元布置三個測點(diǎn)分別位于采空區(qū)、人行道和煤壁上，如圖4 所示，具體檢測并記錄各測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)，作為之后對比分析的基礎(chǔ)。

圖4 單元法中測點(diǎn)布置圖

圖5 各測點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓€

如圖5所示，30106工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示三個測點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓厔莼鞠嗤措S著單元體距離進(jìn)風(fēng)巷越遠(yuǎn)瓦斯?jié)舛戎饾u增大，其增大率卻逐步減小，且煤壁處的測點(diǎn)1 為三者中最大，三種監(jiān)測位置瓦斯?jié)舛仍冢ù蠹s工作面中部）第四單元中出現(xiàn)相同，由于工作面中部處于氣壓平衡處，導(dǎo)致距回風(fēng)巷越近的單元體瓦斯?jié)舛冉咏笥种饾u伴隨著測點(diǎn)氣壓變化而增大，在回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛壬练逯怠Ｍ瑫r沿工作面傾向的各個監(jiān)測面的濃度實(shí)測數(shù)據(jù)都表現(xiàn)出人行道的瓦斯?jié)舛茸畹停煽諈^(qū)整體瓦斯?jié)舛却沃悦罕谔幫咚節(jié)舛茸罡摺ＶЪ懿糠秩诵械浪紨嗝婷娣e比最大，通風(fēng)過程中人行道瓦斯?jié)舛认陆底羁欤m然采空區(qū)與煤壁部分瓦斯因煤體產(chǎn)生而散逸至人行道，但是礦井通風(fēng)效率保證人行道瓦斯?jié)舛葹樽畹吞帯?/p>

圖6 工作面單元漏風(fēng)量特征圖

如圖6、7所示，30106工作面漏風(fēng)量同樣具有中部突變而近進(jìn)風(fēng)巷與近回風(fēng)巷則呈現(xiàn)數(shù)值相等或相近而正負(fù)方向相反的特征，即同時采空區(qū)瓦斯涌出量與其相應(yīng)的漏風(fēng)量關(guān)系密切，呈現(xiàn)同增同減趨勢。在工作面大約中心處，風(fēng)量及瓦斯對于采空區(qū)進(jìn)入方向發(fā)生突變，及風(fēng)量由漏入突變?yōu)槁┏霾煽諈^(qū)，而瓦斯則由漏入突變?yōu)槁┏霾煽諈^(qū)。且距離進(jìn)風(fēng)巷最近的50 m 范圍內(nèi)風(fēng)量漏入采空區(qū)最為明顯，此時風(fēng)流保持穩(wěn)定的較大值，進(jìn)而漏風(fēng)量為最大，30106工作面進(jìn)風(fēng)總量基本維持在1 583 m3/min，而采空區(qū)風(fēng)量占比約為25.12%，50 m 后漏風(fēng)量逐漸減小后至110 m 一直保持相對穩(wěn)定，而在110 m即工作面中心部位，由于該位置的采空區(qū)的頂板處于充分冒落狀態(tài)，新鮮空氣進(jìn)入工作面致使近回風(fēng)巷道一側(cè)的工作面漏風(fēng)量逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 瓦斯涌出量變化曲線圖

通過圖8采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓茍D可以清晰的看出，采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓厔莩尸F(xiàn)距工作面越近其瓦斯?jié)舛仍叫。以?0 m 以內(nèi)其濃度增大幅度較小，之后瓦斯?jié)舛戎饾u增大同時其增大率不斷增加，由于頂部冒落矸石空隙率及其吸附能力的不同在受到地應(yīng)力加載過程中，50 m后的采空區(qū)矸石在應(yīng)力地層應(yīng)力作用下，壓實(shí)度增大造成孔隙率的較小，其所形成的相對密閉空間造成瓦斯的集聚從而形成該區(qū)域的瓦斯?jié)舛炔粩嗌撸纬筛邼舛韧咚箍臻g是較大的安全隱患。

圖8 采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓茍D

4 結(jié)語

應(yīng)用單元法對石窟煤礦工作面漏風(fēng)量及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行科學(xué)測定，并在此基礎(chǔ)上對工作面及相應(yīng)區(qū)域的瓦斯問題進(jìn)行分析，得出30106工作面煤壁、人行道及采空區(qū)三處瓦斯?jié)舛茸兓厔莼鞠嗤措S著單元體距離進(jìn)風(fēng)巷越遠(yuǎn)瓦斯?jié)舛戎饾u增大，其增大率卻逐步減小，且煤壁處瓦斯?jié)舛葹槿咧凶畲螅N監(jiān)測位置瓦斯?jié)舛裙ぷ髅嬷行奶幊霈F(xiàn)相同。同時工作面漏風(fēng)量同樣具有中部突變而近進(jìn)風(fēng)巷與近回風(fēng)巷則呈現(xiàn)數(shù)值相等或相近而正負(fù)方向相反的特征。由于采空區(qū)地應(yīng)力分布不同，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍诰喙ぷ髅?0 m后突增，后逐步形成高濃度瓦斯空間是生產(chǎn)的安全隱患。