劉家梁礦5136綜放工作面瓦斯涌出構(gòu)成及控制

任彥文，曹 有，任發(fā)科

（1.大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司 山西原平034114；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 遼寧撫順113122）

0 前言

煤礦生產(chǎn)過程中，為保障采煤工作面瓦斯防治效果，需要根據(jù)工作面瓦斯來源及其涌出構(gòu)成采取針對性治理措施。目前，國內(nèi)外眾多學者對采煤工作面瓦斯來源及構(gòu)成進行了大量研究。俞啟香等[1]將采煤工作面劃分為煤壁、采落煤和采空區(qū)三部分，并給出了各部分瓦斯涌出量的計算公式；葉青等[2]在分析工作面瓦斯涌出來源及構(gòu)成的基礎(chǔ)上，得到了采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)的分布規(guī)律；柴永興等[3]利用碳同位素對礦井不同瓦斯源進行識別和定量分析；郭玉森等[4]利用單元法原理，得到回采工作面瓦斯涌出分布規(guī)律；王兆豐等[5]根據(jù)瓦斯日報表實測數(shù)據(jù)，采用分時分段統(tǒng)計的方法，得到工作面瓦斯來源構(gòu)成；但是對于綜放工作面瓦斯涌出構(gòu)成及相應的瓦斯治理措施仍需進行深入研究。本文在分析綜放工作面瓦斯來源的基礎(chǔ)之上，對各瓦斯源的瓦斯涌出量進行定量研究與計算，據(jù)此選取針對性瓦斯治理措施，并考察其治理效果。

1 綜放工作面瓦斯來源分析

大量研究結(jié)果表明，回采工作面瓦斯涌出量主要3部分組成：煤壁、采落煤塊及采空區(qū)瓦斯涌出量。因此，綜放工作面瓦斯來源主要包含煤壁、采放落煤及采空區(qū)。

1.1 煤壁

由于回采工作面處于均勻快速的推進過程中，在整個工作面回采過程中，進、回風巷道內(nèi)暴露煤壁同回采工作面煤壁一樣，會向風流中持續(xù)不斷地緩慢釋放瓦斯。因此，整個回采工作面煤壁不僅僅指工作面煤壁，也包括進、回風巷煤壁。

1.2 采放落煤

回采工作面開采時，新鮮煤壁不斷暴露，在礦山壓力作用下，工作面前方出現(xiàn)卸壓帶，導致煤體內(nèi)部瓦斯沿卸壓帶的裂隙向工作面采煤空間涌出；而綜放工作面除割煤機割煤外，還有放煤作業(yè)，放煤時，卸壓頂煤也會向外界釋放瓦斯；同時，這些回采和放落下來的煤塊在其運輸過程中，煤塊內(nèi)瓦斯仍會向外界緩慢釋放。

1.3 采空區(qū)

采空區(qū)瓦斯主要包括兩部分：采空區(qū)丟煤釋放瓦斯及鄰近層瓦斯，其中，鄰近層瓦斯一般是在老頂?shù)谝淮蚊奥浜蟛庞咳氩煽諈^(qū)。

2 瓦斯涌出量測定及計算方法

根據(jù)綜放工作面瓦斯來源分析結(jié)果可知，工作面瓦斯涌出量=煤壁瓦斯涌出量+采空區(qū)瓦斯涌出量+采放落煤及運煤瓦斯涌出量。

2.1 煤壁瓦斯涌出量

一般情況下，煤壁瓦斯涌出量可以利用單位長度煤壁瓦斯涌出量來表示，其計算公式如下所示：

式中，Qb為單位長度煤壁瓦斯涌出量，m3/(min·100m)；C1，C2分別為兩個測點的風流瓦斯體積分數(shù)，%；Q1，Q2分別為兩個測點的風流量，m3/min；L為兩個測點間的距離，m。

根據(jù)上式可知，單位長度煤壁瓦斯涌出量可以通過非生產(chǎn)班工作面巷道內(nèi)不同地點的風排瓦斯量進行計算。因此，利用單元法將工作面回風巷劃分為若干個測定單元（見圖1），通過測定每一單元的瓦斯體積分數(shù)及風量可以得到該測定單元的風排瓦斯量，利用上述公式即可對單位長度煤壁瓦斯涌出量進行計算，再根據(jù)工作面進風巷、工作面、回風巷煤壁累計總長度即可計算整個工作面煤壁瓦斯涌出量。

2.2 采空區(qū)瓦斯涌出量

為方便研究，將采空區(qū)瓦斯涌出量分為涌出到工作面的瓦斯量和采空區(qū)抽采瓦斯量。

非生產(chǎn)條件下，風排瓦斯量主要包括煤壁瓦斯涌出量和采空區(qū)內(nèi)被風流帶入到工作面的瓦斯量，因此，采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量可以通過非生產(chǎn)班回風巷風排瓦斯量減去煤壁瓦斯涌出量來計算；采空區(qū)抽采瓦斯量為各種抽采采空區(qū)瓦斯方法的抽采瓦斯量總和。

2.3 采放煤及運煤瓦斯涌出量

通過分析可知，非生產(chǎn)條件下，回風巷風排瓦斯量由煤壁瓦斯涌出和采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量構(gòu)成；生產(chǎn)條件下，回風巷風排瓦斯量由煤壁瓦斯涌出、采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量與采放煤及運煤瓦斯涌出量構(gòu)成。因此，采放煤及運煤瓦斯涌出量可以通過生產(chǎn)班風排瓦斯量減去非生產(chǎn)班風排瓦斯量得到。

3 現(xiàn)場試驗

5136工作面主采5#煤層，走向長1 141 m，傾向長125 m，平均煤厚9.2 m，采用放頂煤開采，循環(huán)進度0.6 m，割煤高度2.3 m。工作面采用U型通風系統(tǒng)，為上行通風方式，工作面采用底抽巷預抽煤層瓦斯+頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯綜合治理措施。

3.1 煤壁瓦斯涌出量

由于5136工作面回風巷變形嚴重，在進風巷內(nèi)每隔100 m劃分1個測定單元（見圖2所示），測定每個單元的瓦斯體積分數(shù)和風量，并利用相應計算公式得到單位長度煤壁瓦斯涌出量和整個工作面煤壁瓦斯涌出量。

圖2 5136工作面測定單元劃分示意圖

通過對5136工作面每個測定單元瓦斯體積分數(shù)和風量多次測定，基本掌握各測定單元的瓦斯涌出量，將其帶入式（1）中得到100 m長度煤壁瓦斯涌出量Qb=0.09 m3/min。整個5136工作面煤壁長度為1 120 m左右，即該工作面煤壁瓦斯涌出總量為0.09×1 120÷100=1.01 m3/min。

3.2 采放煤及運煤瓦斯涌出量

統(tǒng)計、整理5136工作面不同班次下風排瓦斯情況，如圖3所示。

圖3 5136工作面風流瓦斯涌出規(guī)律

據(jù)圖3可知，生產(chǎn)班風排瓦斯量基本在5.0 m3/min～6.0 m3/min之間，最大風排瓦斯量為5.84 m3/min，平均為5.34 m3/min；檢修班風排瓦斯量基本在3.0 m3/min～4.0 m3/min之間，最大為3.80 m3/min，平均為3.39 m3/min；平均風排瓦斯量生產(chǎn)班與檢修班之差為1.95 m3/min，即采放煤和運煤瓦斯涌出量為1.95 m3/min。

根據(jù)現(xiàn)場實測，統(tǒng)計、計算生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班風排瓦斯量結(jié)果表明，非生產(chǎn)班平均風排瓦斯量為2.48 m3/min，生產(chǎn)班平均風排瓦斯量為4.47 m3/min，二者之差為1.99 m3/min，該值即為采放煤、運煤瓦斯涌出量。

綜上所述，統(tǒng)計結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合，以下采放煤及運煤瓦斯涌出量均采用1.99 m3/min。

3.3 采空區(qū)瓦斯涌出量

采空區(qū)瓦斯涌出量計算公式如下：

式中，Qc為采空區(qū)瓦斯涌出量，m3/min；Qc-f為采空區(qū)涌出到風流中的瓦斯量，m3/min；Qc-c為采空區(qū)抽采瓦斯量，m3/min。

根據(jù)現(xiàn)場實際測定結(jié)果，經(jīng)分析計算，采空區(qū)涌出到風流中的瓦斯量Qc-f為2.48-1.01=1.47 m3/min。

5136工作面采用底抽巷預抽煤層瓦斯+頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯綜合瓦斯治理措施，由于底抽巷抽采的是煤層瓦斯，并且在工作面回采過程中，超前工作面20 m范圍停止抽采。因此，針對于采空區(qū)瓦斯而言，僅有頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯。頂抽巷采用封閉式抽采方式，巷口密閉墻上布置有2趟?377 mm抽采管路。為確定其抽采情況，對5136工作面頂抽巷抽采參數(shù)進行多次測定，頂抽巷兩條抽采管路內(nèi)的抽采瓦斯體積分數(shù)均較低，最高為2.10%。經(jīng)計算，采空區(qū)平均抽采瓦斯量為5.13 m3/min，即采空區(qū)瓦斯涌出總量為1.47+5.13=6.60 m3/min，可見采空區(qū)瓦斯涌出量非常大。

3.4 工作面瓦斯涌出總量及構(gòu)成

根據(jù)上述5136工作面各瓦斯來源的瓦斯涌出量可知，煤壁瓦斯涌出量為1.01 m3/min，采放煤及運煤瓦斯涌出量為1.99 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出到風流中的瓦斯量為1.47 m3/min，采空區(qū)抽采瓦斯量為5.13 m3/min。因此，生產(chǎn)條件下，5136工作面煤壁瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的10.52%，采放落煤及運煤瓦斯涌出量占20.73%，采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量15.31%，采空區(qū)抽采瓦斯量占53.44%。

4 上隅角瓦斯治理

生產(chǎn)條件下，工作面瓦斯涌出總量中，采空區(qū)瓦斯涌出量占比68.75%，為工作面主要瓦斯來源。為有效降低工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)，提出增加上隅角插管抽采上隅角瓦斯治理措施。即在5136工作面回風巷內(nèi)增加1趟?377 mm抽采管路，連接礦井低負壓抽采系統(tǒng)，抽采管路端頭設(shè)置3趟4寸軟管，插到垛袋墻內(nèi)抽采上隅角及其附近區(qū)域內(nèi)的瓦斯。

5136工作面增加上隅角插管抽采措施后，通過現(xiàn)場實測，上隅角插管抽采氣體混量在60 m3/min～70 m3/min之間，其抽采瓦斯體積分數(shù)在0.8%～0.9%之間。為考察其抽采防治效果，在5136工作面增加上隅角插管抽采措施后，對其生產(chǎn)條件下上隅角瓦斯體積分數(shù)進行了35天的跟蹤考察，工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)最大為0.50%，最小為0.32%。說明工作面在增加上隅角插管抽采措施后，其上隅角瓦斯體積分數(shù)被有效控制在0.50%以下。

5 結(jié)論

（1）綜放工作面非生產(chǎn)條件下瓦斯來源主要包括煤壁和采空區(qū)；生產(chǎn)條件下瓦斯來源主要包括煤壁、采空區(qū)和采放煤及運煤。

（2）生產(chǎn)條件下，煤壁瓦斯涌出量、采放落煤及運煤瓦斯涌出量、采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量和采空區(qū)抽采瓦斯量分別占工作面總瓦斯涌出量的10.52%、20.73%、15.31%和53.44%。

（3）增加上隅角插管抽采措施后，5136工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)被有效控制在0.5%以下。