下沟矿ZF301工作面瓦斯涌出规律分析

2016-09-26赵海波刘子坤胡彬强

现代矿业 2016年5期

关键词：煤壁采空区瓦斯

赵海波　刘子坤　胡彬强　张　培

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司;2.陕西华彬煤业股份有限公司；3.内蒙古科技大学矿业研究院)

下沟矿ZF301工作面瓦斯涌出规律分析

赵海波1刘子坤2胡彬强2张培3

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司;2.陕西华彬煤业股份有限公司；3.内蒙古科技大学矿业研究院)

为避免下沟煤矿ZF301工作面瓦斯灾害，对构成该工作面瓦斯的组成进行了监测，主要包括落煤瓦斯涌出量、煤壁瓦斯涌出量和采空区瓦斯涌出量。通过对实测结果分析研究，得出了落煤和煤壁瓦斯涌出强度的计算公式及采空区瓦斯浓度分布，为该矿工作面通风管理和制定抽采方案提供了指导。

采煤工作面瓦斯监测瓦斯分布

矿井瓦斯灾害的主要表现形式以爆炸、突出、窒息为主[1-2]，特别是高瓦斯矿井灾害影响尤为严重。下沟矿301综放工作面在回采过程中瓦斯涌出量大，严重影响该煤矿的正常生产和井下工人的生命安全。为此，必须掌握工作面瓦斯涌出规律和分布情况，从而严格控制工作面瓦斯涌出。

1　工作面概况

陕西华彬煤业有限公司下沟煤矿ZF301工作面位于403采区，地面标高1 050m，井下标高675～750m，北为403采区待采实煤体，南为井田边界，东为403采区3条上山保护煤柱，西为井田边界。走向长度2 875m,倾斜推进长度184.5m，主采煤层为4#煤，该煤层平均厚度12m，结构单一，倾角为0°～25°,平均绝对瓦斯涌出量大于40m3/min，属于高瓦斯煤层[3]。

2　工作面瓦斯涌出规律

工作面瓦斯主要由煤壁、落煤、采空区这三部分涌出的瓦斯构成[4]。为充分了解该工作面瓦斯涌出规律，必须对该三部分的瓦斯涌情况进行研究。

2.1落煤时瓦斯来源及涌出规律

2.1.1落煤瓦斯来源

煤块采下后被切割分离，煤体中游离和部分吸附瓦斯释放，涌向回采工作面，因而落煤瓦斯涌出量与落煤煤块粒度、滞留时间等因素有关。

2.1.2落煤瓦斯涌出规律

通过实地测量工作面瓦斯浓度，计算落煤时瓦斯涌出量。由于瓦斯涌出量与瓦斯涌出强度呈线性关系，根据相关文献[5]，瓦斯涌出量与瓦斯涌出强度关系式为：

(1)

式中，q1为回采工作面落煤时瓦斯绝对涌出量，L/min；w0为瓦斯涌出强度，L/min；a、b为回归系数。

根据式(1)计算出瓦斯涌出强度，其变化曲线见图1。

图1　落煤时瓦斯涌出强度随时间的变化曲线

根据图1可知，落煤时瓦斯涌出强度与煤块的暴露时间近似为双曲线,调整为：

(2)

式中，w1为经过t1时间后，瓦斯涌出强度，L/min；w01为煤块从煤壁落下1min后瓦斯涌出强度，L/min；t1为时间(t1≠0)，min;α为衰减系数。

将式(2)两边取对数，可得：

Lnw1=Lnw01-αLnt1.

(3)

将所得到的数据代入到式(3)中，经线性回归，得w01=593.58L/min,α=0.33，即

(4)

式(4)只适用于下沟矿ZF301回采工作面瓦斯涌出强度随时间的变化，对于不同地区的不同回采工作面，应对w01、α给予适当的修正。

2.2煤壁瓦斯来源及涌出规律

2.2.1煤壁瓦斯来源

2.2.2煤壁瓦斯涌出规律

利用巷道测定法可以测得煤壁瓦斯涌出量，并应用式(1)可以计算出煤壁瓦斯涌出强度，煤壁瓦斯涌出强度随时间变化曲线如图2。在落煤和煤壁计算瓦斯涌出强度时，回归系数a、b取不同值。

图2　煤壁瓦斯涌出强度随时间的变化曲线

由图2可以看出，煤壁瓦斯涌出强度随时间变化可以近视看做一条曲线，将经验公式调整为：

(5)

式中，w2为煤壁瓦斯涌出强度，m3/d；w02为t2=1d时，瓦斯涌出强度，m3/d；t2为时间(t2≠0)，d；β为衰减系数。

将式(5)两边分别取对数，可得：

Lnw2=Lnw02-βLnt2.

(6)

将所得到的数据代入到式(6)中，经线性回归，可得w02=11.25m3/d，β=0.55 .即

岩溶含水介质具有的高度非均质性，导致地下水分布不均匀，地下水运动状态复杂多变，因此在岩溶含水层中获取水文地质参数施工难度大、成本高。单孔抽水试验以其实施过程简单、成本可控、成果精度基本可靠的特点，被广泛应用于水文地质普查阶段和初步勘查阶段，用以初步查明含水层水文地质参数。本文通过在新化县孟公集镇的泥盆系棋子桥组(D2q)灰岩含水中的单孔抽水试验，对运用单孔抽水试验获取岩溶含水层的水文地质参数的计算方法及应用条件进行了探讨，为在岩溶地区求取水文地质参数提供参考。

(7)

式(7)只适用于下沟矿ZF301回采工作面煤壁瓦斯涌出强度随时间的变化，对于不同地区的不同回采工作面，应对w02、β给予适当的修正。

2.3采空区瓦斯涌出来源及规律

2.3.1采空区瓦斯涌出来源

下沟矿301工作面开采方式为综采，采放比为1∶3。放顶煤难以控制，回收率较低，仅占63.2%，使得大量放落煤被遗留在采空区，从而释放出大量的瓦斯。同时受矿山压力影响，位于综放支架附近的煤产生裂隙，导致瓦斯不断向采空区涌出。

2.3.2采空区瓦斯浓度分布测定

为了解采空区瓦斯浓度分布，在301工作面回风巷布置测定管路。测定管路应按以下要求布置：

(1)采空区纵深方向瓦斯浓度分布测定。向采空区纵深方向每隔5m布置一个测点，约18个测点。

(2)采空区垂直方向浓度分布测定。分别在距工作面5，10m处沿距底板垂直方向每隔0.3m布置一个测点，共约12个测点。

为保证测定管路的正常工作而不被破坏，应用铁管加以保护。

2.3.3采空区瓦斯浓度分布及分析

各测点采空区瓦斯分布见图3。

图3　距工作面不同距离的采空区测点瓦斯浓度变化

2.3.3.1301工作面采空区纵深方向瓦斯分布特征

(1)距离工作面越近，采空区上部瓦斯浓度越低，这是由于工作面的风流对瓦斯稀释、运移作用而造成的。

(2)随着采空区距工作面的距离增大，采空区上部瓦斯浓度越来越大，当距工作面25m时，瓦斯浓度达到了最大值，为16.3%，这是由于距采空区5～25m正位于卸压区，采空区上部煤层及围岩向采空区大量涌出瓦斯和风流作用造成。

(3)随后采空区瓦斯浓度随着距工作面的距离增大而减小，但仍高于工作面瓦斯浓度，其原因是附近瓦斯源的减少和对流稀释、运移该区域瓦斯。

(4)随着测点距工作面距离的进一步增大，瓦斯涌出浓度开始有增大的趋势，原因在于虽然瓦斯源减少，但风流对瓦斯的稀释和运移作用减小。

2.3.3.2距底板不同垂直距离的瓦斯分布

(1)由于瓦斯密度低于空气密度，瓦斯上浮，越靠近顶板瓦斯浓度越高，越靠近底板瓦斯浓度越低。

(2)在距工作面5m处，采空区瓦斯浓度垂直分布变化较小；在10m处时，瓦斯垂直分布变化较大。说明采空区距工作面一定距离的范围内，距离越大，瓦斯浓度垂直分布变化越大，即越靠近工作面，风流对瓦斯的稀释和运移作用越强，距离越远，作用越弱。

3　回采工作面瓦斯构成比例及控制措施

将各测试管路所得到的瓦斯涌出量数据进行处理，得出下沟煤矿3采区301工作面瓦斯构成所占的比例，如表1所示。

表1　下沟矿综放301工作面瓦斯构成

从表1可以看出，下沟矿综放301工作面瓦斯主要来源于落煤，其原因是由于该工作面煤的产量大，推进速度块。经现场实测及计算，63.96%～73.45% 的瓦斯是在落煤25～30min涌出的。因而为降低落煤时涌出的瓦斯量，应加快煤的运输，同时应合理控制开采速度，使得开采速度与运煤速度匹配，避免大量煤滞留时间太久；煤壁瓦斯涌出量占40.81%，也相当大，为了减少煤壁瓦斯和落煤瓦斯的涌出量，建议提前打钻进行瓦斯预抽采；采空区瓦斯涌出量占13.91%，也不容忽略。依据现场条件及分析，建议采用顶板巷道抽放措施进行采空区瓦斯处理。