石窟煤矿工作面瓦斯单元法监测研究

张瀚超

（山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限公司，山西长治，047500）

1 引言

有效的瓦斯监控及防治是保障煤矿安全生产的基础。实际生产中通过单一增大进风量虽然在一定程度上可有效降低工作面瓦斯浓度，然而过量的风流可能在带走瓦斯的同时增大工作面粉尘浓度并降低工作环境温度恶化工作环境，新风的过量输入增加了采空区煤炭自燃的可能性，使工作面产生新的安全隐患。因此，为保证矿井安全生产的同时有效的提高瓦斯控制方面的经济效益，科学合理的监测工作面瓦斯相关参数并与通风系统运行高度结合对整个生产系统十分重要。对于瓦斯问题，付合生[1]经过对某煤矿综放开采过程中工作面瓦斯与地质条件、产量以及配风量等因素相互影响规律进行分析，在此基础上提出了一套完整的监控防治措施可有效降低工作面瓦斯浓度，为安全生产提供保障；聂百胜等[2-4]应运多种模型对比计算及研究对影响瓦斯气体在煤体运动方式进行了划分，并得出温度、气体性质、气压及煤体结构为主要影响因素为后人研究提供可靠的方向；吕贵春等[5-7]在总结前人预测方法的基础上吸取经验教训结合生产实际应用灰色理论利用已有的实际监测数据为矿井建立了动态瓦斯监测模型，且预测准确性较高具有很高的使用价值和意义。在前人研究的基础上本文应用单元法分析石窟煤矿工作面瓦斯浓度及漏风量的变化规律，为煤矿控制瓦斯事故的发生提高安全性提供参考，同时为有效的降低采空区煤炭自燃可能性以及一定程度上提高通风系统的工作效率及经济性。

2 工程概况

石窟煤矿现有工作面开采煤层属下二叠统山西组下部的3#煤层，煤层赋存相对稳定，结构简单，该煤层以块状为主，内生裂隙较发育，条痕为黑色，玻璃光泽，参差状—阶梯状断口，根据工作面附近的3 号钻孔资料以及两顺槽掘进时探明的情况，煤层厚度5.33 m～6.68 m，平均厚度6.10 m，坚固性系数2～3，整体呈单斜构造，倾向313°，走向N43°E，煤层倾角2°～5°，平均倾角3°。其中研究目标30106 工作面布置如图1 所示，其顶底板以砂质泥岩和细粒砂岩为主，透气性较弱易于瓦斯等气体的储存，工作面所处地质构造较复杂，同时结合采煤量及采空区和遗煤逸散等因素的影响，对工作面瓦斯浓度等监控对安全十分必要。

图1 工作面及巷道布置图

3 单元法检测原理及应用

应用单元法过程中需要对目标工作面进行等距均分，通过实际监测所得各个单元体内瓦斯和漏风量大小及分布规律对整个工作面瓦斯情况进行分析研究。

图2 瓦斯和风量平衡示意图

如图2 所示，根据单元体内瓦斯和风量的平衡关系建立如下平衡方程，并根据现场瓦斯浓度和风量监测数据带入下列方程计算得出各单元体内未知参数作为整体规律研究基础。

其中：Qi-表示单元体内流进风量，m3/min；

Qo-表示单元体内流出风量，m3/min；

Q1-表示从采空区进入单元体漏风量，m3/min；

q1-表示从采空区进入某单元体瓦斯量，m3/min；

qt-表示某单元体内其他原因产生的瓦斯量，m3/min；

C1-表示某单元体内瓦斯浓度，%；

Ci、Co-表示流入和流出单元体瓦斯浓度，%。

结合实际生产状况将30106工作面均匀分为11个单元进行检测，每一单元划为22 m×22 m单元体，具体布置方式如图3 所示，并且每个单元布置三个测点分别位于采空区、人行道和煤壁上，如图4 所示，具体检测并记录各测点的瓦斯浓度等数据，作为之后对比分析的基础。

图4 单元法中测点布置图

图5 各测点瓦斯浓度变化曲线

如图5所示，30106工作面监测数据显示三个测点瓦斯浓度变化趋势基本相同，即随着单元体距离进风巷越远瓦斯浓度逐渐增大，其增大率却逐步减小，且煤壁处的测点1 为三者中最大，三种监测位置瓦斯浓度在（大约工作面中部）第四单元中出现相同，由于工作面中部处于气压平衡处，导致距回风巷越近的单元体瓦斯浓度接近后又逐渐伴随着测点气压变化而增大，在回风巷瓦斯浓度升至峰值。同时沿工作面倾向的各个监测面的浓度实测数据都表现出人行道的瓦斯浓度最低，采空区整体瓦斯浓度次之，以煤壁处瓦斯浓度最高。支架部分人行道所占断面面积比最大，通风过程中人行道瓦斯浓度下降最快，虽然采空区与煤壁部分瓦斯因煤体产生而散逸至人行道，但是矿井通风效率保证人行道瓦斯浓度为最低处。

图6 工作面单元漏风量特征图

如图6、7所示，30106工作面漏风量同样具有中部突变而近进风巷与近回风巷则呈现数值相等或相近而正负方向相反的特征，即同时采空区瓦斯涌出量与其相应的漏风量关系密切，呈现同增同减趋势。在工作面大约中心处，风量及瓦斯对于采空区进入方向发生突变，及风量由漏入突变为漏出采空区，而瓦斯则由漏入突变为漏出采空区。且距离进风巷最近的50 m 范围内风量漏入采空区最为明显，此时风流保持稳定的较大值，进而漏风量为最大，30106工作面进风总量基本维持在1 583 m3/min，而采空区风量占比约为25.12%，50 m 后漏风量逐渐减小后至110 m 一直保持相对稳定，而在110 m即工作面中心部位，由于该位置的采空区的顶板处于充分冒落状态，新鲜空气进入工作面致使近回风巷道一侧的工作面漏风量逐渐趋于平稳状态。

图7 瓦斯涌出量变化曲线图

通过图8采空区瓦斯浓度变化云图可以清晰的看出，采空区瓦斯浓度变化趋势呈现距工作面越近其瓦斯浓度越小，且在50 m 以内其浓度增大幅度较小，之后瓦斯浓度逐渐增大同时其增大率不断增加，由于顶部冒落矸石空隙率及其吸附能力的不同在受到地应力加载过程中，50 m后的采空区矸石在应力地层应力作用下，压实度增大造成孔隙率的较小，其所形成的相对密闭空间造成瓦斯的集聚从而形成该区域的瓦斯浓度不断升高，形成高浓度瓦斯空间是较大的安全隐患。

图8 采空区瓦斯浓度变化云图

4 结语

应用单元法对石窟煤矿工作面漏风量及瓦斯浓度进行科学测定，并在此基础上对工作面及相应区域的瓦斯问题进行分析，得出30106工作面煤壁、人行道及采空区三处瓦斯浓度变化趋势基本相同，即随着单元体距离进风巷越远瓦斯浓度逐渐增大，其增大率却逐步减小，且煤壁处瓦斯浓度为三者中最大，三种监测位置瓦斯浓度工作面中心处出现相同。同时工作面漏风量同样具有中部突变而近进风巷与近回风巷则呈现数值相等或相近而正负方向相反的特征。由于采空区地应力分布不同，采空区瓦斯浓度在距工作面50 m后突增，后逐步形成高浓度瓦斯空间是生产的安全隐患。