深部環(huán)境高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出規(guī)律試驗(yàn)研究

李 奇, 高中寧，張 怡, 杜宏罡

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059； 3.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，沈陽(yáng) 110016)

1 試驗(yàn)礦區(qū)概況

試驗(yàn)礦井為中國(guó)神華能源股份有限公司保德煤礦，位于山西省忻州市保德縣橋頭鎮(zhèn)，生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a，采用主斜副平開拓，開采水平位于+750m，現(xiàn)采8#煤層，綜采放頂煤采煤工藝，高瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型中等，8#煤層具有自燃傾向性[1-2]。當(dāng)前由于淺部資源日益減少，礦井開采逐步進(jìn)入深部，而礦井生產(chǎn)能力有比較高，近些年保德煤業(yè)礦井瓦斯涌出量居高不下，成為礦井安全高效生產(chǎn)的瓶頸。為了更好地提高保德煤礦瓦斯防治的針對(duì)性、科學(xué)性與可靠性，結(jié)合該礦井多年來的開采實(shí)際，在礦區(qū)范圍實(shí)行瓦斯分級(jí)管理，分為淺部瓦斯風(fēng)化區(qū)和深部瓦斯區(qū)。標(biāo)高+750m以上范圍屬瓦斯風(fēng)化區(qū)，瓦斯量很??；標(biāo)高范圍+750～+650m，可燃質(zhì)瓦斯含量2.22～4.81m3/t·r；標(biāo)高+650m以深該區(qū)域瓦斯含量相對(duì)較大，可燃質(zhì)瓦斯含量最小達(dá)到4.81m3/t·r[3]。通過井田分區(qū)管理“因地制宜”以及深入研究保德礦深部區(qū)域瓦斯涌出規(guī)律，對(duì)于礦井瓦斯的綜合治理大有裨益[4]。

2 高產(chǎn)高效工作面瓦斯涌出規(guī)律研究

2.1 高產(chǎn)高效工作面試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)區(qū)88303回采工作面位于三盤區(qū)，標(biāo)高754.5～810.1m，工作面傾斜長(zhǎng)度2 871.5m、走向長(zhǎng)度302.53m、面積868 714m2。煤層平均厚度5.64m，設(shè)計(jì)采高5.3m，采用走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落一次采全高的采煤方法,通風(fēng)方式采用“U”型通風(fēng)。

為了搞清保德礦高產(chǎn)高效工作面在走向方向與傾向方向上瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律特征，在88303工作面第30號(hào)、60號(hào)、90號(hào)、 120號(hào)、150號(hào)支架以及進(jìn)回風(fēng)端位置設(shè)置28個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試瓦斯?jié)舛茸兓M(jìn)而研究工作面瓦斯涌出變化規(guī)律。測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 工作面走向各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛燃巴咚沽繙y(cè)量數(shù)據(jù)表

圖1 回采面測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置圖

2.2 采面沿傾向瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

為更直觀地體現(xiàn)此表數(shù)據(jù)，以進(jìn)風(fēng)順槽端口處設(shè)定初始位置，規(guī)定每個(gè)測(cè)試點(diǎn)同進(jìn)風(fēng)順槽的距離為橫坐標(biāo)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)值作為縱坐標(biāo),工作面傾向瓦斯?jié)舛茸兓€如圖2-圖5所示。

圖2 沿工作面傾向測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓瘓D(距煤壁0m處)

圖3 沿工作面傾向測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓瘓D(距煤壁1.6m處)

圖4 沿工作面傾向測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓瘓D(距煤壁3.2m處)

圖5 沿工作面傾向測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓瘓D(距煤壁4.8m處)

從圖2-圖5可看出，自進(jìn)風(fēng)巷道至回風(fēng)巷道88303回采面瓦斯?jié)舛戎饾u變大，同時(shí)瓦斯涌出量在生產(chǎn)班明顯大于檢修班，主要是生產(chǎn)班煤體隨即暴露出來，涌出瓦斯的能力很大，采煤機(jī)割裂煤體以后，破裂的碎煤塊從采場(chǎng)運(yùn)送至地面的整個(gè)過程都會(huì)涌出瓦斯。

回采面利用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，在采場(chǎng)的中間至后方區(qū)域會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)的漏失風(fēng)流，它們把采空區(qū)內(nèi)涌出的瓦斯攜帶出來匯入到回風(fēng)巷道內(nèi)，因此自采場(chǎng)中間到回風(fēng)巷道這一區(qū)間瓦斯涌出強(qiáng)度很大，但進(jìn)風(fēng)端至采煤面中部瓦斯?jié)舛仍鲩L(zhǎng)不顯著。

2.3 采面沿走向瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

在考查88303采面走向方向上瓦斯的涌出特征，規(guī)定以暴露的煤壁作為零點(diǎn)，設(shè)定橫坐標(biāo)為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)與進(jìn)風(fēng)巷的間距，設(shè)定的縱坐標(biāo)為瓦斯?jié)舛炔▌?dòng),將表2.8中的數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)沿工作面走向瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線圖，如圖6-圖11所示[5]。

圖6 采面走向50m位置測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線

圖7 采面走向100m位置測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線

圖8 采面走向150m位置測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線

圖9 采面走向200m位置測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線

圖10 采面走向250m位置測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線

圖11 采面走向300m位置測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)曲線

從圖6-圖11可知，88303面走向上瓦斯?jié)舛葟牟擅婷罕陂_始逐漸減少，最后接近中間區(qū)域后低后又不斷抬升，變化趨勢(shì)構(gòu)成不對(duì)等的字母“V”型。

2.4 采面瓦斯涌出不均衡性分析

礦井在回采過程中，回采面受到自然因素與開采技術(shù)因素影響，如采煤工藝、回采方法、巷道布置、煤層透氣性、原煤瓦斯含量等，導(dǎo)致回采面瓦斯涌出規(guī)模具有不均衡性，體現(xiàn)在從煤層中涌出的瓦斯速度和瓦斯量有很大不同。為此要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)保德煤礦高產(chǎn)高效工作面的瓦斯涌出規(guī)模，以便進(jìn)一步優(yōu)化采面的通風(fēng)配風(fēng)，有效開展瓦斯治理，對(duì)回采面瓦斯的涌出不均衡性研究，確定其瓦斯涌出不均衡性系數(shù)(Kn)意義重大[5]。

利用保德煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)88303綜采面全程進(jìn)行了跟蹤測(cè)定，計(jì)算出回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出不均衡系數(shù)Kn=1.40～1.55，平均為1.48。

圖12 88303回采工作面瓦斯涌出量隨時(shí)間變化規(guī)律圖

圖13 88303回采工作面瓦斯涌出量隨時(shí)間變化規(guī)律圖

圖14 88303回采工作面瓦斯涌出量隨時(shí)間變化規(guī)律圖

3 結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)分析研究保德礦礦井瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 在連續(xù)測(cè)試了三個(gè)生產(chǎn)作業(yè)班后，完成了88303綜采工作面的數(shù)據(jù)跟蹤測(cè)定，經(jīng)分析確定了該面絕對(duì)瓦斯涌出不均衡系數(shù)Kn=1.40～1.55，平均為1.48。經(jīng)過分析計(jì)算得出掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出不均衡系數(shù)Kn=1.34～1.54，平均為1.44。

試驗(yàn)在88303工作面第30號(hào)、60號(hào)、90號(hào)、120號(hào)、150號(hào)支架以及進(jìn)回風(fēng)端位置設(shè)置28個(gè)測(cè)試點(diǎn)，用于搞清保德礦高產(chǎn)高效工作面在走向方向與傾向方向上瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律特征，研究得出88303面傾向上的瓦斯涌出規(guī)律為采面中間區(qū)域到回風(fēng)側(cè)瓦斯涌出幅度較大，但進(jìn)風(fēng)端至采煤面中部瓦斯?jié)舛仍鲩L(zhǎng)不顯著，這主要出于回采面利用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，在采場(chǎng)的中間至后方區(qū)域會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)的漏失風(fēng)流，它們把采空區(qū)內(nèi)涌出的瓦斯攜帶出來匯入到回風(fēng)巷道內(nèi)造成的。88303面走向上的瓦斯涌出規(guī)律為瓦斯?jié)舛葟牟擅婷罕陂_始逐漸減少，最后接近中間區(qū)域后又不斷抬升，變化趨勢(shì)構(gòu)成不對(duì)等的字母“V”型。