天池煤礦401工作面瓦斯涌出規(guī)律研究

任海峰 李樹(shù)剛 姚 飛 陳明泉 趙鵬翔

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學(xué)研究生院，陜西省西安市，710054；3.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西省和順鎮(zhèn)，032700）

隨著綜采放頂煤技術(shù)的推廣應(yīng)用，礦井單產(chǎn)水平不斷提高，瓦斯涌出量也相應(yīng)大幅度增加，嚴(yán)重影響綜放面安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。眾多學(xué)者對(duì)綜放工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)從不同角度開(kāi)展了大量研究，研究表明瓦斯涌出量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否直接影響著工作面回采的效率與人員的安全，而要想做到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工作面瓦斯涌出量，對(duì)影響綜放面瓦斯涌出的主要因素的分析必不可少，因此研究工作面瓦斯涌出量與之影響因素之間的變化規(guī)律，對(duì)制定合理有效的瓦斯防治措施具有極為重要的意義。

1 工作面概況

天池煤礦401工作面走向長(zhǎng)1435 m，傾斜長(zhǎng)180m，采高2.6m。主采太原組15＃煤層，煤厚4.05～4.86m，平均4.5 m，傾角約3°～15°，平均7°。工作面老頂為4.9～15.82m 的中砂巖，直接頂為2.38～3.2 m 的泥巖，直接底為2.4～6.4m的鋁質(zhì)泥巖，老底為2.67～4.38 m 的粉泥巖。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，綜合機(jī)械化回采工藝，全部冒落法管理頂板。采用放頂煤回采，采高2.6m，放煤高度最大為1.9m，采放比1∶0.73。

2 工作面瓦斯來(lái)源分析及構(gòu)成

2.1 工作面瓦斯來(lái)源分析

天池煤礦401綜放面瓦斯來(lái)源與含瓦斯煤巖層賦存狀況及開(kāi)采技術(shù)條件有關(guān)，主要來(lái)自開(kāi)采層和鄰近層 （含圍巖），其瓦斯涌出源分布如圖1所示。

圖1 綜放面的瓦斯涌出源

從圖1中可以看出，工作面瓦斯主要由開(kāi)采層煤壁瓦斯 （q1+q2）、采放落煤瓦斯 （q3+q4）、采空區(qū)遺煤瓦斯 （q5）、鄰近煤巖層瓦斯 （q6）構(gòu)成。401綜放面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除取決于煤層瓦斯含量外，還與開(kāi)采強(qiáng)度密切相關(guān)。q1～q4與工作面采、放煤量成正比；q5除與產(chǎn)量有關(guān)外，還與回采率密切相關(guān)，回采率越小，q5越大；瓦斯源q6除取決于開(kāi)采強(qiáng)度外，還與鄰近層厚度及其至開(kāi)采層距離、層間巖石性質(zhì)、鄰近層瓦斯原始?jí)毫σ约懊簩油笟庑韵禂?shù)等密切相關(guān)。

一般把回采工作面老頂初次冒落前的平均瓦斯涌出量認(rèn)為是本煤層的瓦斯涌出量，將老頂初次冒落后的平均瓦斯涌出增加量認(rèn)為是鄰近層的瓦斯涌出量。根據(jù)401工作面實(shí)際情況，2011年1月29日—31日，老頂來(lái)壓之前正常生產(chǎn)時(shí)瓦斯涌出量平均為24.7m3／min，來(lái)壓后一個(gè)月內(nèi)平均瓦斯涌出量約59.9m3／min，其中本煤層瓦斯涌出量約占總涌出量的41.2%，鄰近層占58.8%，其變化曲線如圖2所示。

圖2 來(lái)壓前后瓦斯涌出量變化

2.2 工作面瓦斯構(gòu)成分析

2.2.1 初采期瓦斯涌出量構(gòu)成

圖3和圖4為高抽巷未起作用之前回風(fēng)巷、尾巷排放瓦斯量及各自所占比重。由圖3 和圖4 可知，初采期間，直接頂垮落之前，回風(fēng)巷排放瓦斯量約4.25～17.97 m3／min，平均11.84 m3／min；尾巷排瓦斯量約3.3～14.23m3／min，平均5.59 m3／min。因此，回采初期直接頂垮落之前煤壁及落煤瓦斯占涌出總量的49.1%～75.6%，平均66.6%，采空區(qū)占24.4%～50.9%，平均33.4%；直接頂垮落之后，回風(fēng)巷排放瓦斯量約6.53～11.87m3／min，平均7.92m3／min，尾巷排瓦斯量約18.56～41.86 m3／min，平均28.36 m3／min，即直接頂垮落之后煤壁及落煤瓦斯占涌出總量的18.1%～34.8%，平均22.4%，采空區(qū)占65.2%～81.9%，平均77.6%。

圖3 回風(fēng)巷、尾巷初采期間瓦斯涌出變化

圖4 回風(fēng)巷、尾巷初采期間瓦斯涌出比例

2.2.2 正常回采期瓦斯涌出構(gòu)成

圖5和圖6為高抽巷、尾巷、回風(fēng)巷抽排瓦斯量及各自所占比重。由圖5和圖6可知，一般采空區(qū)及鄰近層瓦斯涌出量為64.2～86.1m3／min，平均68.8 m3／min，開(kāi)采層瓦斯涌出量為6.46～10.59m3／min，平均8.41m3／min；采空區(qū)瓦斯涌出量所占比例88.8%～93.3%，平均91.2%，開(kāi)采層瓦斯涌出量為7.1%～11.2%，平均8.8%。

圖5 正?；夭善诠ぷ髅嫱咚钩椴闪?/p>

圖6 尾巷、高抽巷及回風(fēng)瓦斯涌出比例

3 工作面瓦斯涌出影響因素分析

3.1 瓦斯涌出量與煤炭日產(chǎn)量的關(guān)系

在401工作面正?；夭善陂g，測(cè)定了不同煤炭產(chǎn)量下的絕對(duì)與相對(duì)瓦斯涌出量，如圖7和圖8所示。觀測(cè)結(jié)果表明，總體趨勢(shì)是綜放面絕對(duì)瓦斯涌出量隨煤炭產(chǎn)量的增加而有所增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較小；相對(duì)瓦斯涌出量隨著煤炭產(chǎn)量的增大而呈負(fù)指數(shù)關(guān)系減小，具體關(guān)系如式 （1）所示：

式中：q——相對(duì)瓦斯涌出量，m3／t；

x——煤炭日產(chǎn)量，t／d。

3.2 瓦斯涌出量與配風(fēng)量的關(guān)系

2011年3 月1-8 月31 日，對(duì)401 工 作 面、回風(fēng)巷及瓦斯尾巷的瓦斯涌出量進(jìn)行了連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，隨著配風(fēng)量的減少，工作面瓦斯涌出量逐漸增大，使得瓦斯涌出總量也隨之增大，而回風(fēng)巷與瓦斯尾巷的風(fēng)排瓦斯量增幅較小，甚至出現(xiàn)小幅降低，其主要原因在于風(fēng)量減小采空區(qū)透風(fēng)相應(yīng)減小，采空區(qū)深部瓦斯隨漏風(fēng)被帶入回采空間的量隨之減小，如圖9所示?？梢?jiàn)合理配風(fēng)對(duì)控制采空區(qū)瓦斯涌出及工作面瓦斯涌出量具有重要作用。

圖7 絕對(duì)瓦斯涌出量與煤炭日產(chǎn)量的關(guān)系

圖8 相對(duì)瓦斯涌出量與煤炭日產(chǎn)量的關(guān)系

3.3 瓦斯涌出量與礦山壓力的關(guān)系

研究表明，瓦斯的絕對(duì)涌出量與采場(chǎng)礦山壓力有明顯的關(guān)系，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量、瓦斯?jié)舛扰c推進(jìn)距離的關(guān)系如圖10 所示。由圖10 可知，2011年1 月22 日、1 月23 日 工 作 面 直 接 頂 板 垮落，絕對(duì)瓦斯涌出量由1月10日的23m3／min增加至約30.5m3／min，垮落時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量是之前的1.33倍；工作面在1 月29日-1 月31日老頂來(lái)壓，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔?.46%增加到0.71%，尾巷瓦斯?jié)舛扔?.27%增加到1.98%，涌出量由25.65m3／min增大到41.03m3／min，來(lái)壓時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量是之前的1.6倍。

初次來(lái)壓后，工作面每向前推進(jìn)一定距離，絕對(duì)瓦斯涌出量均有一突然增大現(xiàn)象，來(lái)壓前絕對(duì)瓦斯涌出量平均為70.2m3／min，來(lái)壓時(shí)均值分別為96.3m3／min，來(lái)壓時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量是來(lái)壓前的1.37倍。

圖9 配風(fēng)量與瓦斯涌出量關(guān)系

圖10 工作面瓦斯涌出量與推進(jìn)距關(guān)系

瓦斯涌出量在頂板周期來(lái)壓的整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)先減小后突然增大的變化趨勢(shì)，這是由于從上一次周期來(lái)壓結(jié)束后，煤層上方覆巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而應(yīng)力峰值在工作面前方一定范圍內(nèi)使得工作面前方煤體中裂隙及孔隙受壓而收縮，使得煤層滲透性下降，導(dǎo)致瓦斯涌出量減小，煤體中瓦斯壓力升高。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板發(fā)生周期來(lái)壓，覆巖斷裂使原本受壓的煤體卸壓，導(dǎo)致煤體中裂隙擴(kuò)張并伴有新裂隙出現(xiàn)，增大了煤體的透氣性，使一部分原本吸附在煤體中的瓦斯解吸并于與此時(shí)游離的瓦斯一同釋放，使瓦斯涌出量劇增。瓦斯涌出量的變化周期與礦山壓力的來(lái)壓步距近乎相等，由此說(shuō)明綜放面瓦斯大量快速涌出是礦山壓力的一種顯現(xiàn)，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)來(lái)壓的判斷進(jìn)行瓦斯涌出的預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)工作面來(lái)壓前后瓦斯涌出量的對(duì)比分析，本煤層瓦斯涌出量約占總涌出量的41.2%，鄰近層占58.8%，回采過(guò)程中頂板垮落前采空區(qū)涌出的瓦斯在工作面瓦斯涌出總量中平均占33.4%，直接頂垮落后平均占77.6%，正?；夭善陂g平均占91.2%。

（2）綜放面絕對(duì)瓦斯涌出量隨煤炭產(chǎn)量的增加而有所增大，相對(duì)瓦斯涌出量隨著煤炭產(chǎn)量的增大而呈負(fù)指數(shù)關(guān)系減小，同時(shí)隨著配風(fēng)量的增大，工作面瓦斯涌出量逐漸增大。

（3）正?；夭蛇^(guò)程中，直接頂垮落，工作面瓦斯涌出量是其未垮之前的1.33倍，而初次來(lái)壓后瓦斯涌出量是來(lái)壓前的1.6倍，此后隨工作面推進(jìn)一定的距離，工作面瓦斯涌出量均會(huì)出現(xiàn)周期性增大，其周期與礦山壓力的來(lái)壓步距幾乎相等。

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