塔山煤矿8104综放面瓦斯分布规律研究①

牛建华

(唐山开滦赵各庄矿业有限公司，河北 唐山 063100)

回采工作面的瓦斯涌出量来自两个部分，一是煤壁及采落煤体涌出的瓦斯，该部分瓦斯直接进入工作面的风流，成为不可控制并由风流带走的瓦斯;二是采空区涌出的瓦斯，该部分瓦斯由采空区遗煤及未采煤体、邻近层煤层、围岩涌出的瓦斯组成，主要从回风隅角涌出进入回风流，小部分在回风隅角形成瓦斯积聚;准确掌握工作面采场及采空区的瓦斯分布规律，便于采取有针对性的瓦斯灾害防治措施，使得瓦斯灾害防治工作事半功倍［1－3］。

塔山井田位于山西省大同煤田东翼中东部边缘地带，主要开采二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，地层总厚86.2～177.20m，平均为157.93m，共含煤15层，煤层总厚38.25 m，含煤系数24%，现开采石炭纪二叠系3～5#煤层，煤层平均厚度15.72m，煤尘有爆炸性危险，煤层有自然发火倾向，矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井。矿井采用抽出式通风通风方式，由盘道村回风立井回风(井筒直径6.5m)，矿井生产初期由主、副平硐及盘道进风立井进风，风量为17000 m3/min，负压为2116 Pa;后期矿井进风量为21000m3/min，负压为2810Pa。

塔山煤矿8104综放工作面采用综合机械化采煤，煤层开采强度较大(日产量40000～60000 t/d)，瓦斯绝对涌出量较高(绝对瓦斯涌出量为31.17～46.75 m3/min)，瓦斯灾害给该工作面的安全高效开采带来一定威胁。为此，本研究通过布置钻孔和埋设束管测定采空区不同位置的瓦斯浓度，分析该工作面的采空区内瓦斯分布规律，并通过在综放面不同断面测定瓦斯浓度来研究它的采场内瓦斯浓度分布规律。

1 试验工作面概况

8104综放工作面东为8103工作面;南为1070回风巷、皮带巷、辅运巷;西为8105工作面，正在掘进;北为大同～乔村铁路及建筑物保护煤柱。工作面主要开采石炭系太原组3#号煤层，煤层可利用厚度10.31～18.42m，平均厚度13.27 m，煤层倾角2～5°，平均 3°。工作面煤层标高为 +1010 ～+1045m，走向长度2892 m，倾斜长度207 m，面积598644m2。采用U形通风方式，综采放顶煤开采工艺，全陷法管理顶板，割煤高度3.5m。

3#煤层原始瓦斯压力为0.14～0.17 MPa，煤层瓦斯含量为1.6～1.97 m3/t，平均为1.78 m3/t，煤层透气性系数为171.71～428.80 m2/MPa2·d，百米钻孔瓦斯流量为0.015～0.0212 m3/min·hm;钻孔瓦斯流量衰减系数为0.602～0.7427d－1。5#煤层原煤瓦斯残存量为1.17m3/t。煤层属自燃煤层，最短发火期为60天;煤层具有煤尘爆炸的危险性，爆炸指数为37%。

2 采空区瓦斯浓度沿垂直方向的分布规律

2.1 采空区瓦斯浓度测试方案

根据回采工作面矿山压力规律的研究，开采煤层随工作面回采，在工作面周围将形成一个采动压力场，采动压力场及其影响范围在垂直方向上形成三个带，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，在水平方向上形成三个区域，即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区(见图 1)［4－5］。

图1 回采工作面上覆岩层沿工作面推进方向的分区

为分析和研究采空区“三带”内瓦斯的浓度分布特征，采用钻孔测定法对塔山煤矿3#煤层8104工作面采空区瓦斯浓度进行测定。首先在塔山煤矿8104工作面回风巷内布置测试钻场，钻场布置的平面图和剖面图如图2、3所示。

钻场距工作面开切眼距离350 m，钻场布置6个钻孔，钻孔开孔高度距巷道底板分别为1.6 m和2.1 m，钻孔开孔点水平间距为0.6 m，钻孔终孔间距为5 m，钻孔终孔距回风巷的水平距离为8～32 m，距煤层顶板的垂直距离为55 m，钻孔长度在100～120 m，钻孔直径Φ94 mm，各钻孔布置参数见表1。

图2 8104工作面高位钻孔平面布置图

图3 8104工作面高位钻孔剖面布置图

表1 测试钻孔参数表

2.2 测试观测结果

在8104工作面回风巷预打的测试钻孔随工作面的推进逐步进入采空区内，距8104工作面回风巷右帮距离分别8、13、18、23、28、32m。钻孔逐6个测试钻孔终孔点分布在距煤层顶板25～55 m的范围内，步进入采空区高冒落区后，随着工作面的继续推进，钻孔逐段垮落，测试钻孔终孔点的高度逐步降低，降低幅度为5 m，通过分段测定的方法，测定各钻孔终孔点的瓦斯浓度。

钻孔布置在工作面采空区上方，采动压力场形成的裂隙空间便成为瓦斯流动通道。通过钻孔内的负压，加速了瓦斯的流动，使顶板钻孔能够抽出采空区高顶中的瓦斯。塔山矿8104工作面瓦斯富集区在煤层顶板竖直向上40～60 m、回风巷向下0～50 m的裂隙圈范围内。

以测定点与回风巷左帮的距离为横坐标，以瓦斯浓度为纵坐标，做出煤层顶板25～55 m范围内的瓦斯浓度分面曲线图，如图4所示。

图4 钻孔法所测瓦斯浓度分布曲线图

从上图中可以看出，塔山矿综放工作面高顶25～55 m范围内，瓦斯浓度分布自下而上呈增大的趋势，自下而上的最小浓度为6%，最大浓度可达20%，增大速度平均为每5 m增大2.3%;自工作面回风巷至内错32 m的范围内，同一标高，瓦斯分布也呈增大趋势。

3 采空区瓦斯浓度沿走向的分布

塔山煤矿8104综放工作面自开采以后，在5104回风巷布置束管，监测采空区内气体分布的情况。通过束管监测系统可以实现对井下气体进行连续采样分析，准确的监测测点处气体成份;通过采空区埋管利用束管监测系统连续分析采空区气体组分，可以考察采空区内瓦斯浓度随工作面推进的变化规律，同时，还可以总结出大采高综放工作面采空区内沿推进方向的瓦斯分布规律。本研究选取部分束管的监测数据进行分析。

在8104综放工作面回风巷1136 m处埋设的束管采集了采空区以里0～200m范围内的瓦斯浓度数据，通过对上表的数据进行整理，做出沿工作面推进方向的瓦斯浓度分布曲线图，如图5所示。

图5 束管监测系统所测瓦斯浓度分布曲线图

对图5进行分析，可以看出采空区的瓦斯浓度分布由外到里呈增大趋势，且瓦斯浓度的增大并不是呈线性分布，而是分为三个阶段，这三个阶段分别的工作面以里0～60 m，瓦斯浓度从1.5%增大到2.8%;60～160m范围内，从3.6%增大到4.6%;160 ～200 m 范围内，从 5.7% 增大到6.1%。以上增大趋势与塔山煤矿测定的“三带”范围基本重和(塔山煤矿散热带最大宽度为56 m，氧化带最大宽度为186 m)，由此可以推断出瓦斯浓度在大采高综放工作面采空区的分布也呈“三带”式分布，增大趋势呈非线性。

4 综放工作面采场内瓦斯分布规律

为摸清工作面瓦斯浓度分布特征及上隅角瓦斯浓度的变化规律，在工作面横向和纵向分别布置测定断面，横向布置10个测定断面，其中回风巷内布置3个测定断面，第1断面距回风巷上帮0.3m，第2断面距回风巷帮2.6 m，第3断面距回风巷下帮0.3 m;工作面内从91支架开始，每隔5个支架布置一个测定断面，共计7个测定断面，第4测定断面～第10测定断面分别在工作面第121、116、111、106、101、96、91 支架处。每个测定断面布置5个测点，第1测点距工作面煤壁0.1 m，第2测点在前运输机道正上方，第3测点布置人行道内，第4测点布置在后运输机道正上方，第5测点布置在距采空区冒落煤壁0.1 m，每个测点距支架顶梁0.3 m(见图6)。

图6 8104工作面瓦斯浓度测点布置图

1)高位抽采巷未塌通，割煤机在90号支架以前进行采、放煤作业，10个断面中1、2和3号测点瓦斯浓度变化不大，4和5号测点瓦斯浓度变化范围较大，其中1号测点瓦斯浓度在0.2% ～0.25%之间，2号测点瓦斯浓度在0.15% ～0.2%之间，3号测点瓦斯浓度在0.3% ～0.4%之间，4号测点瓦斯浓度在0.85% ～1.5%之间，5号测点瓦斯浓度在1.15%～2.5%之间，工作面瓦斯浓度分布特征见图7。

2)高位抽采巷密闭抽采(混合抽采量500m3/min)，割煤机在90号支架以前进行采、放煤作业，10个断面中1、2和3号测点瓦斯浓度变化不大，4和5号测点瓦斯浓度变化较大，其中1号测点瓦斯浓度在0.18% ～0.2%之间，2号测点瓦斯浓度在0.13% ～0.17%之间，3号测点瓦斯浓度在0.2% ～0.3%之间，4号测点瓦斯浓度在0.25% ～0.43%之间，5号测点瓦斯浓度在0.38% ～0.5%之间，工作面瓦斯浓度分布特征见图8。

图7 8104工作面瓦斯浓度分布特征图

图8 8104工作面瓦斯浓度分布特征图

通过以上测定结果，可以看出，大采高综放工作的瓦斯在通风负压的影响下，从上部、深部集到上隅角区域内涌出。在工作面100号支架至上隅角之间的区域是采空区瓦斯涌出集中的区域，这部分区域瓦斯涌出量约占整个工作面的10%，在实施瓦斯治理时要以这部分区域为主要治理区域。

5 结论

1)依据钻孔法所测数据，塔山矿8104综放工作面高顶25～55 m范围内，瓦斯浓度分布自下而上呈增大的趋势，最小浓度为6%，最大浓度可达20%，增大速度平均为每5 m增大2.3%;自工作面回风巷至内错32 m的范围内，同一标高，瓦斯分布也呈增大趋势。

2)依据束管监测数据，采空区的瓦斯浓度分布由外到里呈增大趋势，且瓦斯浓度的增大并不是呈线性分布，而是分为三个阶段，这三个阶段分别的工作面以里0～60 m，瓦斯浓度从1.5%增大到2.8%;60～160 m范围内，从3.6%增大到4.6%;160～200 m范围内，从 5.7%增大到6.1%。瓦斯浓度在大采高综放工作面采空区的分布也呈“三带”式分布，增大趋势呈非线性。

3)依据综放面断面测试数据，在工作面100号支架至上隅角之间的区域是采空区瓦斯涌出集中的区域，这部分区域占整个工作面的10%，在实施瓦斯治理时要以这部分区域为主要治理区域。

［1］ 俞启香.矿井瓦斯防治［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1992

［2］ 刘泽功.煤矿抽放瓦斯技术发展现状及展望［J］. 中国煤炭，2000，26(8):12

［3］ 齐黎明，程根银，陈学习.瓦斯压力测定时间及其受控因素分析［J］.中国安全科学学报，2013，23(1):67 －71

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