采空区瓦斯分布规律及防治技术研究现状分析

张树峰，张嘉勇，牛宝云

(1华北理工大学，河北 唐山 063009；2唐山学院，河北 唐山 063000)

采空区瓦斯分布规律及防治技术研究现状分析

张树峰1，张嘉勇1，牛宝云2

(1华北理工大学，河北 唐山 063009；2唐山学院，河北 唐山 063000)

采空区积聚的大量瓦斯，由于大气压力或通风系统变化的影响，当工作面与采空区之间的压力平衡被破坏时会大量涌入工作面，威胁安全生产，甚至酿成重大事故。通过综合分析采空区瓦斯来源、采空区瓦斯运移分布规律和采空区瓦斯综合防治技术现状，提出了采空区瓦斯治理的优选方法，为今后采空区瓦斯综合治理提供理论依据。

采空区瓦斯；分布规律；防治技术；瓦斯抽放

Goaf Gas Distribution Rule and Prevention and Control Technology Research Status Quo Analysis

采空区积聚的大量瓦斯，往往被漏风带入采煤工作面或生产巷道，威胁安全生产，甚至酿成重大事故。因此，必须对采空区瓦斯进行综合治理，减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，减轻通风负担，降低通风费用，保证矿井安全生产。下面综合分析了采空区瓦斯来源、采空区瓦斯运移分布规律和采空区瓦斯综合防治技术现状，以便为今后采空区瓦斯综合治理提供理论依据。

1.采空区瓦斯来源分析

煤层开采前，原始的煤层、围岩与瓦斯流体组成的系统处于均衡状态，开采后，随着工作面向前推进，工作面后方的煤层顶板不断冒落下来，形成采空区，采空区上方煤层、岩层产生变形、下沉及断裂等变化，形成裂隙、裂纹，从而改变了瓦斯原来的流动状态和赋存状态，瓦斯从煤层及围岩中通过贯穿的空隙空间向着采空区和工作面流动，甚至大量的涌出。采空区内瓦斯涌出的能量来源于浓度差(压差)。由于采空区深部的瓦斯浓度(压力)高于采面瓦斯浓度(压力)，而气体总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，直至压力平衡。此外在采空区靠近采煤工作面的空间内，由于存在着漏风，在采空区内也会形成通风负压。

回采工作面瓦斯涌出包括三部分，即落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出及采空区瓦斯涌出。采空区瓦斯涌出总体上可以分为两部分：邻近层涌入的瓦斯和本煤层开采涌出的瓦斯。本煤层瓦斯也可分为：煤壁瓦斯涌出、回采丢煤瓦斯涌出和围岩瓦斯涌出。对于分层开采或一次不能采全高的工作面，还包括未采分层瓦斯涌出，可归于本煤层瓦斯。

2.采空区瓦斯运移分布规律

2.1 邻近层瓦斯

煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，从而在上覆岩层中形成采动裂隙，导致邻近层瓦斯向开采层采空区的大量涌入。从各邻近层涌入的高浓度瓦斯在压力扩散、浓度扩散和风流扰动的作用下，在采空区内重新分布，直至达到新的压力和浓度的平衡。

多层可采煤层和厚煤层的分层开采，在开采本煤层过程中，上煤层或上分层的瓦斯将沿采动裂隙向本煤层的采空区大量涌入。下邻近煤层由于本煤层的开采而导致其覆盖压力的解除，煤岩体产生膨胀变形，煤层透气性大大增加。因而下邻近煤层以及围岩中的大量瓦斯通过膨胀裂隙迅速涌入回采工作面采空区。邻近煤层向采空区放散瓦斯的最大距离主要取决于层间岩层性质和细微裂隙的发育程度；而向采空区供给瓦斯的范围，取决于上下左右区域的煤层赋存状况、层间岩性和顶板管理方法，以及开采空间的形状等。

2.2 本煤层瓦斯

随着工作面的不断推进，赋存在煤体内的瓦斯在工作面或采空区内析出，对于放顶煤工作面，由于放落的顶煤全部在采空区解吸瓦斯，采空区瓦斯涌出量更大。由于回采工作面内风速与漏风风速存在不可比拟的数量级，造成煤体在工作面涌出的瓦斯被稀释、带走，而采空区内残余煤体涌出的瓦斯由于风速低、风流紊动作用小、漏风流与煤体的对流传质系数小，涌出瓦斯不易被漏风流带走，使瓦斯易积聚。

采空区浮煤析出的瓦斯滞留在采空区内，同样由于瓦斯比重轻，受到浮升力作用，在采空区内具有上升的趋势。瓦斯在浮升力作用下形成浮羽流，使瓦斯浮升到采空区顶部，即使有微团扰动，在浮升力的作用下又会回到顶部边界。另外，如开采空间有大量邻近层瓦斯涌入，这些都会造成采空区瓦斯浓度大大升高。

由流体力学知巷道周边存在层流边界层，处于边界层的瓦斯不存在紊流扩散，而只有分子扩散。而分子扩散又存在与普通扩散不同的压强扩散，使得采空区顶部的高浓度瓦斯不易扩散到漏风流中去。

2.3 采空区瓦斯分布规律

2.3.1 采空区瓦斯空间分布

由于上述原因和残余在采空区内煤体、煤壁瓦斯析出规律，使采空区瓦斯分布具有一定的规律性。

(1)在垂直于工作面的走向上，近工作面采空区由于漏风流流速大，浮煤吸出的瓦斯和邻近层涌入的瓦斯随漏风流经上隅角进入回风巷，瓦斯浓度较低；随距工作面距离的增大，采空区瓦斯受扰动作用减小，因而瓦斯浓度增高。在采空区深处，随时间的推移，瓦斯浓度会日趋平均。

(2)在高度方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使采空区顶板附近的瓦斯浓度高于采空区底板附近的瓦斯浓度，并且这种分布特点适用于整个采空区。

(3)在沿工作面方向上，在漏风流影响到的区域，进风侧的瓦斯随风流向回风侧运移，导致回风侧瓦斯浓度的增大；在远离工作面，漏风流涉及不到的地方，这种回风侧比进风侧瓦斯浓度高的分布特点并不明显。

(4)在邻近层瓦斯涌入量较小的采空区，采空区瓦斯的分布以本煤层析出瓦斯的分布特点为主。在涌入点形成瓦斯局部高浓度区，随距工作面距离的不断增大，局部高浓度瓦斯扩散而趋于符合上面的规律。

(5)在有大量邻近层瓦斯涌入的采空区，采空区瓦斯的分布以邻近层涌入瓦斯的分布特点为主，本煤层采空区析出的瓦斯是叠加在邻近层涌入瓦斯的分布之上。

(6)采煤工作面的通风方式和漏风情况对采空区瓦斯运移分布有很大的影响，具体情况要视工作面实际情况而定。

2.3.2 采空区瓦斯浓度分区

按照渗流力学理论，将采场视为连续的渗流空间，在孔隙介质空间中可直接运用质量守恒定律和N-S方程；瓦斯在采空区的运移实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程，瓦斯在多孔介质中流动的对流扩散和机械弥散遵循Fick扩散定律；根据质量守恒定律、流体动力弥散定律和采空区瓦斯浓度分布定解条件，可建立瓦斯在采空区流动的微分方程组。

上述数字模型求解采用Galerkin有限单元法编制TurboC计算程序，输入求解工作面开采条件边值，经反演优化，可得出工作面采空区瓦斯运移规律和浓度分布三带。Ⅰ涌出带(距切眼0～20m范围内)、Ⅱ过渡带(距切眼20-40m范围内)和Ⅲ滞留带(距切眼40m以外)。

图1 采空区瓦斯三带分布情况

采空区瓦斯在距工作面切眼：

(1)1～12m范围内浓度变化较小，一般在3%～8%之间；

(2)12～20m范围内瓦斯浓度变化幅度较大，一般在10%～18%；

(3)20～40m范围内瓦斯浓度升高较快，一般在20%～35%；

(4)40～60m范围内瓦斯浓度变化较小，一般在35%～50%之间。

3. 采空区瓦斯防治措施

采空区积聚的大量瓦斯，往往被漏风带入采煤工作面或生产巷道，影响正常生产。有时由于大气压力或通风系统变化的影响，当工作面与采空区之间的压力平衡被破坏，采空区的瓦斯会大量涌入工作面，威胁安全生产，甚至酿成重大事故。为了减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，减轻通风负担，降低通风费用，保证矿井安全生产，必须对采空区瓦斯进行综合治理。

3.1 改变采空区漏风方向

采空区瓦斯在上隅角附近形成瓦斯积聚带，在空区漏风作用下从上隅角涌出。沿工作面倾斜方向有两个主要漏风点，工作面入口和移架时支架交错处，这两个漏风点随工作面回采始终存在。

采空区漏风按其部位，可分为：U形漏风带和中部漏风带；中部漏风带按漏风大小又可分为大漏风带、中漏风带和小漏风带，如图2所示。

图2 采空区漏风带划分示意图

进风巷1处于高压能区，而采空区一侧的辅助回风巷3则处于低压能区。在矿井通风压力作用下，两个区域之间存在着压力差，只要压力差能始终存在，就能将回采工作面和采空区的瓦斯进行分流而治，即一部分瓦斯由工作面的主配风从回风巷排走，另一部分瓦斯则利用压力差沿采空区U形漏风通道排走，还有一部分就留存在采空区内，这样就减少了回采工作面和采空区瓦斯向上隅角的移动量，实现了降低其瓦斯浓度的目的。

3.2 均压调节技术

在回采工作面附近有已经封闭的采空区，由于采空区内积存大量的高浓度瓦斯，工作面回采过程中，因地压作用形成了工作面与邻近层采空区的瓦斯通道，在通风压差的作用下，邻近层采空区内的气体压力大于回采工作面的气体压力，采空区处于正压状态的瓦斯向回采工作面流动，使工作面瓦斯涌出量急剧增大。在此情况下，应根据瓦斯向工作面渗透的位置，合理调整通风方式，并配合风压调整，抑制瓦斯渗透，即应采用均压调节技术。具体措施如下：

(1)采空区的瓦斯抽放。进行瓦斯抽放，是把采空区含高浓度瓦斯的气体引导到封闭区外的回风流中，从而降低了采空区的瓦斯浓度以及采空区与回采工作面的压力差。(2)维护采空区周边密闭的完整。对已采区的周边全部密闭并经常维护保持完好，既减小了有效渗透断面面积，也增大了有效渗透路径。(3)设置调节风窗。在回采工作面的回风巷道设置调节风窗，调节回采工作面的风量和通风压力，改变回采工作面的压能分布，降低采空区与回采工作面的压力差。(4)设置局部通风机。在回采工作面的适当位置设置局部通风机，增加回采工作面静压，从而减小采空区与回采工作面的压力差。

3.3 采空区瓦斯抽放

根据采空区类别按瓦斯来源采空区瓦斯抽放方法可分成三类：回采工作面采空区瓦斯抽放方法、老采空区瓦斯抽放方法、报废矿井瓦斯抽放方法。

回采工作面采空区瓦斯抽放方法又分为冒落带(冒落拱)瓦斯抽放、采空区积聚瓦斯抽放及回采工作面上隅角局部积聚瓦斯抽放等三种方法。根据实施方式的不同分为钻孔抽放方式、巷道抽放方式、插(埋)管抽放方式。

向冒落带打钻或用低位集瓦斯巷道方式比邻近层瓦斯抽放率低，抽放瓦斯浓度也要低，但比埋管抽放采空区积聚瓦斯的抽放率及浓度要高，抽冒落带邻近层瓦斯及插埋管抽采空区积聚瓦斯，技术上都是可行的。插管抽放(排)上隅角瓦斯，一般浓度较低(<20%)，所以需要单设一趟抽放瓦斯管路进行抽放。

4.结论

通过综合分析采空区瓦斯来源、采空区瓦斯运移分布规律和采空区瓦斯综合防治技术现状，总结了采空区瓦斯治理的优选方法，为今后采空区瓦斯综合治理提供理论依据。

由于矿井的抽放能力和装备水平的提高，采空区瓦斯抽放将从分散型向单一型发展，要求抽放效率高、技术先进、管理简单。专用巷道的抽放方法将被淘汰，大直径(300-600mm)顶板水平钻孔将替代顶板高抽巷和目前短距离的高位钻孔及采空区后方埋管抽放。而采空区瓦斯治理技术也逐渐向组合方向发展，包括矿井设计方案，采区布置方式、封堵采空区瓦斯和优化通风方式等。因此，采空区瓦斯治理应根据矿井生产现状，选取经济、合理的防治方法。

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ZHANG Shu-feng1，ZHANG Jia-yong1，NIU Bao-yun2

(1. North China University of Technology, Tangshan Hebei 063009;2. Tangshan University, Tangshan Hebei 063000)

The considerable accumulations of goaf gas, due to the atmospheric pressure or changes in the ventilation system, when the pressure balance between the working face and goaf are destroyed, goaf gas influx of working face and threat to the safety in production, and even lead to major accidents. Through comprehensive analysis of mined-out area distribution of goaf gas source, migration and the status quo of the goaf comprehensive prevention and control technology, the preferred method of governance goaf are summarized, so as to provide theoretical basis for the next goaf gas comprehensive management.

goaf gas; distribution law; prevention and control technology; gas drainage

2015-11-09

张树峰(1991- )，男，华北理工大学矿业工程学院在读，研究方向：矿井瓦斯防治。

TD712

A

1671-3974(2016)01-0057-04