單一煤層采煤工作面瓦斯抽采量與推進度之間關系研究

肖寒撼 李維光 華道友 李 超

(四川師范大學工學院，四川省成都市，610101)

近年來，我國煤礦瓦斯事故總量持續(xù)下降，但是重、特大瓦斯事故時有發(fā)生，瓦斯事故依然是我國煤礦生產(chǎn)安全的第一殺手。預防煤礦瓦斯的關鍵是礦井通風技術和瓦斯抽采技術。但是，影響采煤工作面瓦斯抽采效果的因素眾多，目前的研究并未真正將采煤和瓦斯抽采有機結合以達到煤與瓦斯共采的目的。本文以四川省勝利煤礦1306走向長壁采煤工作面為工程背景，從采煤工作面推進度和瓦斯抽采量指標著手，通過對采煤工作面進風巷和回風巷中卸壓瓦斯抽采參數(shù)進行長達4個月的實測，運用回歸分析方法，得出了采煤工作面瓦斯抽采量與采煤工作面推進度的相互關系，為煤與瓦斯共采的實施提供一定的指導意義。

1 工程背景

勝利煤礦設計生產(chǎn)能力9萬t/a，準許開采K10d煤層。2016年礦井絕對瓦斯涌出量20.17 m3/min，屬于高瓦斯礦井。礦井建有永久瓦斯抽采系統(tǒng)，裝備兩臺2BE1-303型瓦斯抽采泵，電機功率90 kW；瓦斯抽采主管直徑250 mm，支管直徑108 mm。1306采煤工作面位于-100 m水平十采區(qū)西翼第三區(qū)段內，1308巷和1306巷分別為1306采煤工作面的回風巷和進風巷。1306采煤工作面走向長度575 m，傾斜長度100 m，采用走向長壁采煤法無煤柱開采，采高0.7 m，單體液壓支柱控制頂板，最大控頂距為3.8 m，最小控頂距為2.8 m，局部充填法處理采空區(qū)。1306采煤工作面開采的K10d煤層厚度0.18～0.52 m，煤層傾角3°～5°。K10d煤層下距不可采K10m煤層和K10s煤層距離分別為0.2～0.35 m、0.69～1 m，上距不可采K11煤層4 m。老頂為淺灰色細粒砂巖，直接頂為砂質頁巖、煤線，偽頂為灰色頁巖；底板為灰色砂質泥巖、頁巖、煤線。K10d煤層瓦斯壓力0.71 MPa，煤層瓦斯含量7.39 m3/t；煤層透氣性系數(shù)0.32～1.76 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采煤層。

2 采煤工作面瓦斯抽采方法

隨著采煤工作面的開采，來自開采層K10d煤層和受采動影響范圍內頂板、底板中不可采K10m、K10s、K11煤層中的卸壓瓦斯將涌入開采空間中。由于采煤工作面采用無煤柱護巷技術，其后方采空區(qū)存在漏風現(xiàn)象，加上瓦斯比空氣輕，一方面卸壓瓦斯可能涌入采煤工作面風流及其回風流中，造成瓦斯積聚現(xiàn)象；另一方面卸壓瓦斯也可能在密閉良好的條件下運移、滯留在采空區(qū)裂隙帶中。當瓦斯抽采鉆孔進入這些區(qū)域抽采瓦斯時，采空區(qū)裂隙帶即成為大流量、高濃度卸壓瓦斯的聚集區(qū)。

根據(jù)1306采煤工作面開采煤層及其上下鄰近不可采煤層賦存情況、瓦斯來源、頂板來壓特征等，采用頂(底)板高(低)位鉆孔同時抽采開采煤層和受采動影響上下鄰近不可采煤層的卸壓瓦斯。在1306采煤工作面煤壁前方1308回風巷中，分別距離煤壁18 m、36 m的煤體中布置第一、第二鉆場，鉆場間距18 m。隨著采煤工作面的推進，在1308回風巷中始終保持在煤壁前、后方各有兩個鉆場；在1306采煤工作面1306進風巷中，在煤壁后方12 m布置第一個鉆場，以后每隔18 m布置一個鉆場。1306采煤工作面進風巷和回風巷中鉆場和鉆孔布置如圖1所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。其中，在回風巷中每個鉆場布置1#、3#頂板鉆孔和2#、4#底板鉆孔；在進風巷上幫布置2#、4#、6#底板鉆孔，下幫布置1#、3#頂板鉆孔和5#底板鉆孔。

圖1 1306采煤工作面進風巷和回風巷鉆場、鉆孔布置示意圖

鉆場鉆孔鉆孔直徑/mm鉆孔傾角/(°)鉆孔長度/m距頂(底)板距離/m進風巷1#6529301752#75-2240203#6521401964#75-18502285#75-26401436#75-1460234回風巷1#6529301752#75-26401433#6521401964#75-2840135

3 采煤工作面瓦斯抽采量與推進度關系統(tǒng)計研究

采用回歸分析方法，對1306采煤工作面進風巷、回風巷、采煤工作面瓦斯抽采量與采煤工作面推進度之間實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，如圖2所示。得出1306采煤工作面進風巷、回風巷和采煤工作面瓦斯抽采量與工作面推進度之間變化規(guī)律。

(1)隨著采煤工作面的回采，當采煤工作面推進12.1～50.6 m時，進風巷中瓦斯抽采量緩慢升高至1.2 m3/min；當采煤工作面推進50.6～84.7 m時，進風巷中瓦斯抽采量從1.2 m3/min迅速上升至最大值3.1 m3/min；當采煤工作面推進84.7～167.2 m時，進風巷中瓦斯抽采量在3 m3/min上下波動。采煤工作面進風巷中瓦斯抽采量Q1與采煤工作面推進度x間相互關系如式(1)所示，R2為回歸方程的確定性系數(shù)。

(1)

(2)隨著采煤工作面的回采，當采煤工作面推進12.1～68.2 m時，回風巷中瓦斯抽采量緩慢升高至最大值1.64 m3/min；當采煤工作面推進68.2～167.2 m時，回風巷中瓦斯抽采量由1.64 m3/min先緩慢下降、后緩慢上升至1.0 m3/min左右。采煤工作面回風巷中瓦斯抽采量Q2與采煤工作面推進度x間相互關系如式(2)所示。

(2)

(3)1306采煤工作面瓦斯抽采量即為1306采煤工作面進風巷和回風巷瓦斯抽采管道中瓦斯抽采量之和。隨著采煤工作面的回采，當采煤工作面推進12.1～50.6 m時，采煤工作面瓦斯抽采量緩慢升高至2.06 m3/min；當采煤工作面推進50.6～89.1 m時，1306采煤工作面瓦斯抽采量從2.06 m3/min迅速上升至最大值4.34 m3/min；當采煤工作面推進89.1～167.2 m時，采煤工作面瓦斯抽采量保持在4 m3/min上下。采煤工作面瓦斯抽采量Q與采煤工作面推進度x間相互關系如式(3)所示。

(3)

可見，隨著1306采煤工作面推進度的不斷增加，其瓦斯抽采量呈現(xiàn)緩慢升高、迅速上升、緩慢增加并總體穩(wěn)定的變化規(guī)律。當采煤工作面推進度超過80 m后，隨著鉆孔數(shù)量的持續(xù)增加，采煤工作面瓦斯抽采量并不顯著增大，而是總體保持在4 m3/min左右。

圖2 1306采煤工作面瓦斯抽采量與推進度關系圖

4 結論

(1)當1306采煤工作面采用頂(底)板高(低)位鉆孔法抽采瓦斯時，隨著采煤工作面推進度的增加，采煤工作面瓦斯抽采量呈現(xiàn)緩慢升高、迅速上升、緩慢增加并總體穩(wěn)定的變化規(guī)律。

(2)在礦井瓦斯抽采能力一定前提下，當采煤工作面推進度超過80 m后，不斷增加鉆孔數(shù)并不能顯著增加采煤工作面瓦斯抽采量；必須定期測定抽采鉆孔瓦斯參數(shù)，及時關閉瓦斯抽采濃度低且混合流量小的鉆孔。

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