单一煤层采煤工作面瓦斯抽采量与推进度之间关系研究

2018-04-25肖寒撼李维光华道友

中国煤炭 2018年3期

肖寒撼李维光华道友李超

(四川师范大学工学院，四川省成都市，610101)

近年来，我国煤矿瓦斯事故总量持续下降，但是重、特大瓦斯事故时有发生，瓦斯事故依然是我国煤矿生产安全的第一杀手。预防煤矿瓦斯的关键是矿井通风技术和瓦斯抽采技术。但是，影响采煤工作面瓦斯抽采效果的因素众多，目前的研究并未真正将采煤和瓦斯抽采有机结合以达到煤与瓦斯共采的目的。本文以四川省胜利煤矿1306走向长壁采煤工作面为工程背景，从采煤工作面推进度和瓦斯抽采量指标着手，通过对采煤工作面进风巷和回风巷中卸压瓦斯抽采参数进行长达4个月的实测，运用回归分析方法，得出了采煤工作面瓦斯抽采量与采煤工作面推进度的相互关系，为煤与瓦斯共采的实施提供一定的指导意义。

1 工程背景

胜利煤矿设计生产能力9万t/a，准许开采K10d煤层。2016年矿井绝对瓦斯涌出量20.17 m3/min，属于高瓦斯矿井。矿井建有永久瓦斯抽采系统，装备两台2BE1-303型瓦斯抽采泵，电机功率90 kW；瓦斯抽采主管直径250 mm，支管直径108 mm。1306采煤工作面位于-100 m水平十采区西翼第三区段内，1308巷和1306巷分别为1306采煤工作面的回风巷和进风巷。1306采煤工作面走向长度575 m，倾斜长度100 m，采用走向长壁采煤法无煤柱开采，采高0.7 m，单体液压支柱控制顶板，最大控顶距为3.8 m，最小控顶距为2.8 m，局部充填法处理采空区。1306采煤工作面开采的K10d煤层厚度0.18～0.52 m，煤层倾角3°～5°。K10d煤层下距不可采K10m煤层和K10s煤层距离分别为0.2～0.35 m、0.69～1 m，上距不可采K11煤层4 m。老顶为浅灰色细粒砂岩，直接顶为砂质页岩、煤线，伪顶为灰色页岩；底板为灰色砂质泥岩、页岩、煤线。K10d煤层瓦斯压力0.71 MPa，煤层瓦斯含量7.39 m3/t；煤层透气性系数0.32～1.76 m2/(MPa2·d)，属于可以抽采煤层。

2 采煤工作面瓦斯抽采方法

随着采煤工作面的开采，来自开采层K10d煤层和受采动影响范围内顶板、底板中不可采K10m、K10s、K11煤层中的卸压瓦斯将涌入开采空间中。由于采煤工作面采用无煤柱护巷技术，其后方采空区存在漏风现象，加上瓦斯比空气轻，一方面卸压瓦斯可能涌入采煤工作面风流及其回风流中，造成瓦斯积聚现象；另一方面卸压瓦斯也可能在密闭良好的条件下运移、滞留在采空区裂隙带中。当瓦斯抽采钻孔进入这些区域抽采瓦斯时，采空区裂隙带即成为大流量、高浓度卸压瓦斯的聚集区。

根据1306采煤工作面开采煤层及其上下邻近不可采煤层赋存情况、瓦斯来源、顶板来压特征等，采用顶(底)板高(低)位钻孔同时抽采开采煤层和受采动影响上下邻近不可采煤层的卸压瓦斯。在1306采煤工作面煤壁前方1308回风巷中，分别距离煤壁18 m、36 m的煤体中布置第一、第二钻场，钻场间距18 m。随着采煤工作面的推进，在1308回风巷中始终保持在煤壁前、后方各有两个钻场；在1306采煤工作面1306进风巷中，在煤壁后方12 m布置第一个钻场，以后每隔18 m布置一个钻场。1306采煤工作面进风巷和回风巷中钻场和钻孔布置如图1所示，钻孔参数如表1所示。其中，在回风巷中每个钻场布置1#、3#顶板钻孔和2#、4#底板钻孔；在进风巷上帮布置2#、4#、6#底板钻孔，下帮布置1#、3#顶板钻孔和5#底板钻孔。

图1 1306采煤工作面进风巷和回风巷钻场、钻孔布置示意图

钻场钻孔钻孔直径/mm钻孔倾角/(°)钻孔长度/m距顶(底)板距离/m进风巷1#6529301752#75-2240203#6521401964#75-18502285#75-26401436#75-1460234回风巷1#6529301752#75-26401433#6521401964#75-2840135

3 采煤工作面瓦斯抽采量与推进度关系统计研究

采用回归分析方法，对1306采煤工作面进风巷、回风巷、采煤工作面瓦斯抽采量与采煤工作面推进度之间实测数据进行回归分析，如图2所示。得出1306采煤工作面进风巷、回风巷和采煤工作面瓦斯抽采量与工作面推进度之间变化规律。

(1)随着采煤工作面的回采，当采煤工作面推进12.1～50.6 m时，进风巷中瓦斯抽采量缓慢升高至1.2 m3/min；当采煤工作面推进50.6～84.7 m时，进风巷中瓦斯抽采量从1.2 m3/min迅速上升至最大值3.1 m3/min；当采煤工作面推进84.7～167.2 m时，进风巷中瓦斯抽采量在3 m3/min上下波动。采煤工作面进风巷中瓦斯抽采量Q1与采煤工作面推进度x间相互关系如式(1)所示，R2为回归方程的确定性系数。

(1)

(2)随着采煤工作面的回采，当采煤工作面推进12.1～68.2 m时，回风巷中瓦斯抽采量缓慢升高至最大值1.64 m3/min；当采煤工作面推进68.2～167.2 m时，回风巷中瓦斯抽采量由1.64 m3/min先缓慢下降、后缓慢上升至1.0 m3/min左右。采煤工作面回风巷中瓦斯抽采量Q2与采煤工作面推进度x间相互关系如式(2)所示。

(2)

(3)1306采煤工作面瓦斯抽采量即为1306采煤工作面进风巷和回风巷瓦斯抽采管道中瓦斯抽采量之和。随着采煤工作面的回采，当采煤工作面推进12.1～50.6 m时，采煤工作面瓦斯抽采量缓慢升高至2.06 m3/min；当采煤工作面推进50.6～89.1 m时，1306采煤工作面瓦斯抽采量从2.06 m3/min迅速上升至最大值4.34 m3/min；当采煤工作面推进89.1～167.2 m时，采煤工作面瓦斯抽采量保持在4 m3/min上下。采煤工作面瓦斯抽采量Q与采煤工作面推进度x间相互关系如式(3)所示。

(3)

可见，随着1306采煤工作面推进度的不断增加，其瓦斯抽采量呈现缓慢升高、迅速上升、缓慢增加并总体稳定的变化规律。当采煤工作面推进度超过80 m后，随着钻孔数量的持续增加，采煤工作面瓦斯抽采量并不显著增大，而是总体保持在4 m3/min左右。