高瓦斯低透煤层综采工作面瓦斯涌出规律研究

王继刚，汪日生

(1.阳泉市燕龛煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.葛洲坝易普力四川爆破工程有限公司，四川 成都 610000)



高瓦斯低透煤层综采工作面瓦斯涌出规律研究

王继刚1，汪日生2

(1.阳泉市燕龛煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.葛洲坝易普力四川爆破工程有限公司，四川 成都 610000)

综采工作面时常出现瓦斯涌出超限现象，既制约矿井的生产效率，也埋下了安全隐患。通过现场实测，分析了某矿1204综采工作面的瓦斯涌出规律：该工作面瓦斯涌出受多方面因素的影响，工作面倾斜走向上，瓦斯浓度沿程逐渐增大，在横断面方向上，瓦斯浓度呈现"高-低-高"分布；工作面瓦斯涌出量与支架支撑力的变化趋势基本保持一致，呈现周期性变化，对本煤层采空区瓦斯和邻近煤层瓦斯进行抽采是治理该工作面瓦斯的重点。

高瓦斯低透煤层；综采工作面；瓦斯涌出；瓦斯浓度；顶板压力；瓦斯构成

矿井瓦斯是制约煤矿安全生产的主要不安全因素之一，随着开采深度的延伸，煤层赋存条件越来越复杂，煤层瓦斯含量和瓦斯压力不断升高，煤层透气性逐渐降低，瓦斯灾害事故时有发生，给企业的发展和社会的稳定造成诸多不利影响[1-3]. 综采工作面瓦斯涌出规律是工作面合理通风和瓦斯治理设计的依据，其与煤层瓦斯赋存情况、矿井开采工艺等因素密切相关，具有多变性和不均衡性[4,5].

某矿1204工作面自开切眼贯通后，瓦斯涌出量一直较大，为了更好地制定针对性的瓦斯治理措施，保障矿井的经营生产，笔者基于现场实测，分析研究工作面瓦斯涌出规律，以期为其后续治理提供依据。

1 工作面概况

该矿坐落于山西古交市境内，年生产能力为150万t/a. 1204综采工作面位于井田8#煤层二采区，煤层厚度1.9～2.3 m，平均2.1 m；煤层瓦斯压力0.63 MPa，瓦斯含量系数10.04 m3/(m3·MPa0.5)，煤层透气性系数1.32 m2/(MPa2.d)，属于高瓦斯低透煤层。工作面顶板为泥岩，平均厚度5.97 m，底板为细砂岩，平均厚度2.43 m，煤层结构较简单，工作面标高+914～+938 m，回风巷高、运输巷低，平均落差为27 m. 工作面以真方位角38°布置，东侧为1203采空区，西侧为1205工作面未布置，南侧为3条下山，北侧为井田边界线，回采过程中1204回风巷受1203采空区影响。工作面走向长度1 130 m(可采推进长度1 100 m)，倾向长度180 m.

1204综采工作面采用单一走向长壁后退式采煤法，综合机械化采煤，一次采全高，平均采高2.1 m，顶板采用全部垮落法管理，每天4个循环，每个循环割煤进度为0.6 m，日产量为1 120 t. 1204工作面采用U型全负压通风方式进行通风，风流经运输巷流入，经过回采工作面，由回风巷流出，工作面配风量为1 020 m3/min.

2 工作面瓦斯涌出的主要影响因素分析

根据1204综采工作面的实际工况，分析得出影响瓦斯涌出的主要因素有：煤层瓦斯含量、采面推进速度、生产工序、覆岩活动规律等。

煤层瓦斯含量是煤体内吸附和游离态瓦斯含量的总和，工作面回采时，受采动影响，赋存在煤体内的瓦斯通过煤岩裂隙通道释放出来，采面推进速度越快，其卸压的范围就越大，瓦斯涌出量就越大[6]. 1204工作面实测可解析瓦斯含量为7.46 m3/t，是1203工作面的1.2倍，在相同开采条件下，工作面瓦斯涌出量将存在等比例增加。

由于工作面采煤作业工序存有差异，瓦斯涌出强度也不尽相同，从检修、割煤、移架等主要作业工序来看，1204工作面的瓦斯涌出强度顺序依次为：检修<移架<割煤。回采初期，工作面上覆原岩应力平衡被打破，产生煤岩裂隙，形成瓦斯卸压带，致使大量的瓦斯迅速从煤层中解吸出来，涌入工作面。随着工作面的推进，基本顶岩梁垮落，卸压的煤层范围得到进一步扩大，赋存于围岩中的瓦斯也将不同程度地涌入工作面。基本顶垮落后，继续推进工作面，处于冒落带内的碎石逐渐被上覆岩层压实，裂隙带内的岩层继续下沉，裂缝进一步发育，并向上部岩层扩展，导致上部7#煤层中的瓦斯得以解吸流入，再一次增加了1204工作面的瓦斯涌出量。而且，在正常开采期间，伴随着顶板的周期来压，顶板的破碎程度逐渐加大，使工作面的瓦斯涌出也呈现周期性增大的趋势。

3 工作面瓦斯涌出构成特征

3.1 采场空间内的瓦斯浓度分布特征

为了掌握工作面回采空间内的瓦斯浓度分布情况，对其进行现场测试，所得结果见图1，2. 由图1可知，工作面进风口处的瓦斯浓度较低为0.1%，沿煤层倾斜方向，随着与上隅角距离的减小，瓦斯浓度逐渐增加，上隅角处的瓦斯浓度高达0.7%，这主要由两方面的原因造成：1) 采空区内积聚的瓦斯浓度量大。2) 工作面风速较小，风排瓦斯能力不足。在后期的瓦斯治理中，应重点加大通风、控制漏风和采空区瓦斯抽采。

图1 工作面距上隅角不同位置瓦斯浓度分布曲线图

图2 距煤壁不同距离处的瓦斯浓度变化曲线图

从图2可看出，在工作面横断面沿回采方向上，瓦斯浓度整体上呈现“高-低-高”的分布趋势，当距离煤壁为0.5～2.0 m，风流中的瓦斯浓度迅速由0.85%降至0.45%，当距离煤壁为2.0～4.5 m时，随着距离的增加，瓦斯浓度逐渐增加至0.67%. 此外，在工作面竖直方向上，由于瓦斯的密度小于空气，产生浮升效应，瓦斯浓度由下至上逐渐增大。

根据对1204工作面现场瓦斯浓度的大范围实测，高浓度瓦斯区域主要分布在：1) 工作面上隅角。采空区内的瓦斯，一部分积聚在漏风带以外的深处，另一部分随着漏风逸散至工作面上隅角；此外，受集中应力的作用，上隅角附近的顶板和煤帮变得较为破碎，在回风涡流的影响下，易于瓦斯积聚。2) 支架顶梁周围。支架顶梁处压力，煤岩裂隙发育，瓦斯涌出通道发达，上覆岩层中的瓦斯不断涌出，造成该处瓦斯浓度处于较高水平。3) 落煤口周围。落煤口周边风速较低，且煤流量大，释放的瓦斯量也大，不易被及时稀释排出，造成瓦斯积聚。

3.2 瓦斯涌出量与矿山顶板压力的关系

对回采过程中监测到的支架支撑力和工作面瓦斯涌出量进行汇总统计，得到各自随开切眼距离增加而变化的分布情况见图3.

图3 瓦斯涌出量与支撑力沿程变化曲线图

从图3可以看出，在保持正常生产的前提下，工作面瓦斯涌出量和支架支撑力的变化趋势基本保持一致，呈现周期性变化。工作面液压支架支撑力的变化直观反映了综采工作面顶板周期来压规律，在顶板初次冒落以后，随着顶板周期来压的到来，采空区内的空隙被压缩，打破原有的瓦斯压力平衡状态，采空区上部积聚的瓦斯被挤压涌向工作面上隅角，造成工作面瓦斯涌出量的增大。此外，由图3分析可知，1204综采工作面周期来压步距为20～25 m. 自开切眼至回采20 m范围内，工作面内的瓦斯基本来源于本煤层；回采推进20 m以后，受周期来压对顶板、围岩的破坏作用，邻近层的瓦斯开始相继涌入回采空间；当工作面推进到30～35 m时，初采期瓦斯涌出量达到最大值。

3.3 1204工作面瓦斯构成分析

根据瓦斯来源的分源理论[7]，结合该工作面的空间布置情况，1204综采工作面瓦斯涌出主要来源分为邻近层瓦斯和开采层瓦斯，工作面瓦斯分源构成见图4.

图4 1204工作面瓦斯来源构成图

根据生产期间的统计数据，1204工作面瓦斯构成见表1. 由表1可以得出，邻近层和本煤层瓦斯涌出量分别占回采工作面瓦斯涌出总量的53%、47%，二者相当；瓦斯抽采量占整个瓦斯涌出量的82%，说明本煤层采空区瓦斯和邻近层瓦斯抽采是1204综采工作面瓦斯治理的重点。

表1 1204工作面瓦斯构成分析表

4 结束语

通过大量数据的分析，掌握了1204工作面的瓦斯涌出规律，为制定更加合理的瓦斯治理方案提供了理论指导；同时，煤层瓦斯赋存受地质条件等因素的限制，在工作面回采过程中，应时刻关注瓦斯涌出变化，积极采取对策，保证工作面的安全回采。

[1] 周秀红,杨胜强,胡新成.旧街煤矿瓦斯赋存及涌出规律分析[J].煤炭技术,2011,30(9):95-97.

[2] 李化敏,付 凯.煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策[J].采矿与安全工程学报,2006,23(4):468-471.

[3] 李树刚,肖 鹏,林海飞.乌兰煤矿5343综放工作面瓦斯涌出规律分析[J].煤矿安全,2011,42(1):122-124.

[4] 叶 青,林柏泉,姜文忠.回采工作面瓦斯涌出规律研究[J].中国矿业,2006,15(5):38-41.

[5] 王志权.高瓦斯综采工作面瓦斯涌出规律分析[J].煤矿安全,2010,41(12):89-90.

[6] 陈建强.开采急倾斜特厚煤层瓦斯涌出影响因素分析[J].矿业安全与环保,2015,42(5):92-95.

[7] 谢生荣,赵耀江.综采工作面的瓦斯涌出规律及涌出量的预测[J].太原理工大学,2005,36(5):554-557.

Study on Gas Emission Law in Fully Mechanized Coal Face with High Gas and Low Permeability Coal Seam

WANG Jigang, WANG Risheng

In the fully mechanized coal mining face, there is frequent gas emission overrun, which not only restricts the production efficiency, but also has hidden safety risks. Through the field measurement, the paper analyzes the gas emission law in No.1204 fully mechanized mining face in a coal mine. The gas concentration shows a high-low-high in the cross section direction, and the gas concentration is getting increased in the dip direction. The fluctuation of gas emission and the supporting force in the working face are basically consistent, so, the drainage of the gas in the goaf of the coal seam and the adjacent coal seam is the focus for the gas control.

High-gas low-permeability coal seam; Fully mechanized coal mining face; Gas emission; Gas concentration; Roof pressure; Gas composition

2017-02-21

王继刚(1984—)，男，山西阳泉人，2013年毕业于华北科技学院，助理工程师，主要从事煤矿安全监察与管理工作

(E-mail)just-happying@163.com

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1672-0652(2017)04-0016-03