大氣壓條件下綜放工作面瓦斯治理技術研究

王 平 朱 鵬 尚學鋒

（河南能源化工集團新疆投資控股有限公司榆樹嶺煤礦，新疆 阿克蘇 842000）

大氣壓變化對瓦斯涌出具有一定程度的影響，為解決榆樹嶺煤礦瓦斯涌出隨大氣壓的變化問題，通過現場觀測、通風優化及瓦斯抽放技術進行研究[1-5]，對榆樹嶺煤礦大氣壓變化條件下綜放面及采空區瓦斯涌出治理提供技術及理論依據。

1 工作面概況

試驗區選擇110501 綜放工作面，110501 綜放工作面為11 采區首個綜放工作面，工作面改造巷傾向長度57 m，平均坡度10°。110501 綜放工作面開采煤層屬于高瓦斯煤層，其相對瓦斯涌出量為2.790 m3/t。

2 大氣壓作用綜放面瓦斯涌出規律研究

2.1 綜放面瓦斯涌出預測

2.1.1 開采煤層瓦斯涌出量預測

根據110501 綜放面設計情況，對分源預測法中公式的參數進行測定取值，見表1。

將上述參數帶入分源預測法中計算，選取工作面日進尺為2.58 m，當放頂煤回采率為80%時，可得Q1=3.465 m3/t，Q2=4.366 m3/t，Q3=0.096 5 m3/t，Q4=1.2 m3/t，即Q本=9.127 5 m3/t。

2.1.2 鄰近層瓦斯涌出量預測

根據上述計算方法對各鄰近層參數進行取值，瓦斯排放率取38%，見表2。

表2 鄰近層相對瓦斯涌出量取值表

計算可得工作面回采率為80%時，鄰近層相對瓦斯涌出量為Q鄰（下7）=1.178 m3/t，

Q鄰（下8）=0.089 88 m3/t，即Q鄰=1.268 m3/t。

2.2 大氣壓動態變化規律

通過現場監測得到了2020 年6 月—2021 年6月榆樹嶺礦全年氣壓變化數據，繪制了榆樹嶺煤礦全年氣壓波動圖，如圖1。

圖1 榆樹嶺煤礦地面大氣壓全年變化圖

由圖1 可得，礦區夏季日照時間最久，可達16 h 之上，冬季白天日照時間最短但仍達10 h 之上。通過監測榆樹嶺礦地面大氣壓分析得到，榆樹嶺礦區全年大氣壓為80.8～83.5 kPa，平均為82.2 kPa。

2.3 大氣壓力變化與瓦斯涌出量關系

2.3.1 大氣壓變化與上隅角瓦斯濃度關系

工作面回采過程中，對上隅角瓦斯濃度進行持續監測，繪制地面大氣壓與上隅角瓦斯濃度變化關系，如圖2。

圖2 為2021 年上半年地面大氣壓與上隅角瓦斯濃度變化關系。自2 月份礦區整體氣溫回升，造成地面大氣壓開始下降，且整體波動較為明顯。在2021 年上半年中2 月26 日、3 月15 日、3 月30 日和4 月31 日地面大氣壓出現波動，隨后上隅角瓦斯增大。可以得到：大氣壓變化引起的工作面氣壓變化與上隅角瓦斯濃度呈負相關變化關系。

圖2 地面大氣壓與上隅角瓦斯濃度變化關系

2.3.2 大氣壓變化與絕對瓦斯涌出量關系

根據大氣壓變化引起的工作面絕對瓦斯涌出量變化，首先分析大氣壓變化與相對瓦斯涌出量的關系，如圖3。

圖3 地面大氣壓與絕對瓦斯涌出量變化關系

由圖3 可以看出，大氣壓變化引起的工作面氣壓變化與絕對瓦斯涌出量呈負相關變化關系，即大氣壓快速持續降低期間，采空區內瓦斯涌出速率由小增大，前期變化相對較慢，其涌出速率和涌出量在較長時間積累時會達到瓦斯超限閾值，影響安全生產；當大氣壓降低趨勢停止，一段時間內礦井內的瓦斯涌出量明顯降低，瓦斯超限警報便迅速解除。

3 大氣壓影響下綜放面瓦斯治理技術

3.1 綜放工作面瓦斯抽采方案

根據瓦斯抽采鉆孔平均抽采流量12～15 m3/min，平均瓦斯抽采濃度2%～3%計算，單孔瓦斯抽采純量為0.24～0.45 m3/min。因此，應在回風順槽施工普通高位鉆孔和定向高位鉆孔，對采空區裂隙帶瓦斯進行抽采。定向高位鉆孔每循環布置11 個鉆孔，鉆孔終孔點位于下5 煤層頂板20～60 m，鉆孔控制范圍為回風順槽上幫向下沿傾向距離30 m 范圍；普通高位鉆孔每循環布置7 個鉆孔，鉆孔終孔點位于下5 煤層頂板20～40 m，鉆孔控制范圍為回風順槽上幫向下沿傾向距離45 m 范圍。

3.2 綜放工作面瓦斯抽采效果分析

抽采起始于2020 年4 月，結束于2021 年5 月，共14 個月，取各月抽采平均值，得出純瓦斯抽采流量及瓦斯純量變化圖，如下圖所示。

由圖4 可以看出，高位鉆孔布置后，當出現大氣壓降低趨勢，工作面瓦斯涌出量增大，從而甲烷濃度增大。抽采流量變化趨勢基本與瓦斯濃度變化曲線相吻合，符合抽采設計要求。抽采流量持續下降，直至抽采結束時，根據現場監測瓦斯抽采純量在290.5～1 562.3 m3/min，瓦斯抽采流量在0.29～0.94 m3/min，達到設計要求。

圖4 回風巷瓦斯抽采效果

3.3 瓦斯異常涌出的預防措施

為強化綜放工作面瓦斯安全管理，降低瓦斯異常涌出概率，可以通過下述措施進行防范：

（1）工作面配風量增大后，可有效對工作面瓦斯進行稀釋。但風量不宜過大，避免煤炭自燃以及風量過大對回采工作的影響。

（2）可采取自動調節風門，監測礦井地面大氣壓變化，當地面大氣壓突然降低時可自動調節工作面壓力，增大工作面靜壓，從而遏制瓦斯異常涌出。

（3）通過分析大氣壓變化與采空區瓦斯涌出的規律，結合110501 工作面地質構造及開采工藝，在110501 綜放工作面采用高位鉆孔瓦斯抽放技術，通過采空區抽放形成一定負壓，減少大氣壓降低引起的采空區瓦斯涌出量。

4 結論

（1）監測得到榆樹嶺礦區全年最高氣壓值為83.5 kPa，全年最低氣壓值為80.8 kPa，全年最大壓差2.7 kPa。

（2）根據榆樹嶺煤礦實際情況，采用高位鉆孔交替抽放采空區頂部瓦斯，最終設計18 個鉆孔，其中普通高位鉆孔7 個，定向高位鉆孔11 個。

（3）通過增大工作面配風量、調節工作面壓力及采取高位鉆孔瓦斯抽放技術可防治工作面瓦斯異常發生。