刘家梁矿5136综放工作面瓦斯涌出构成及控制

任彦文，曹 有，任发科

（1.大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司 山西原平034114；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 辽宁抚顺113122）

0 前言

煤矿生产过程中，为保障采煤工作面瓦斯防治效果，需要根据工作面瓦斯来源及其涌出构成采取针对性治理措施。目前，国内外众多学者对采煤工作面瓦斯来源及构成进行了大量研究。俞启香等[1]将采煤工作面划分为煤壁、采落煤和采空区三部分，并给出了各部分瓦斯涌出量的计算公式；叶青等[2]在分析工作面瓦斯涌出来源及构成的基础上，得到了采空区瓦斯体积分数的分布规律；柴永兴等[3]利用碳同位素对矿井不同瓦斯源进行识别和定量分析；郭玉森等[4]利用单元法原理，得到回采工作面瓦斯涌出分布规律；王兆丰等[5]根据瓦斯日报表实测数据，采用分时分段统计的方法，得到工作面瓦斯来源构成；但是对于综放工作面瓦斯涌出构成及相应的瓦斯治理措施仍需进行深入研究。本文在分析综放工作面瓦斯来源的基础之上，对各瓦斯源的瓦斯涌出量进行定量研究与计算，据此选取针对性瓦斯治理措施，并考察其治理效果。

1 综放工作面瓦斯来源分析

大量研究结果表明，回采工作面瓦斯涌出量主要3部分组成：煤壁、采落煤块及采空区瓦斯涌出量。因此，综放工作面瓦斯来源主要包含煤壁、采放落煤及采空区。

1.1 煤壁

由于回采工作面处于均匀快速的推进过程中，在整个工作面回采过程中，进、回风巷道内暴露煤壁同回采工作面煤壁一样，会向风流中持续不断地缓慢释放瓦斯。因此，整个回采工作面煤壁不仅仅指工作面煤壁，也包括进、回风巷煤壁。

1.2 采放落煤

回采工作面开采时，新鲜煤壁不断暴露，在矿山压力作用下，工作面前方出现卸压带，导致煤体内部瓦斯沿卸压带的裂隙向工作面采煤空间涌出；而综放工作面除割煤机割煤外，还有放煤作业，放煤时，卸压顶煤也会向外界释放瓦斯；同时，这些回采和放落下来的煤块在其运输过程中，煤块内瓦斯仍会向外界缓慢释放。

1.3 采空区

采空区瓦斯主要包括两部分：采空区丢煤释放瓦斯及邻近层瓦斯，其中，邻近层瓦斯一般是在老顶第一次冒落后才涌入采空区。

2 瓦斯涌出量测定及计算方法

根据综放工作面瓦斯来源分析结果可知，工作面瓦斯涌出量=煤壁瓦斯涌出量+采空区瓦斯涌出量+采放落煤及运煤瓦斯涌出量。

2.1 煤壁瓦斯涌出量

一般情况下，煤壁瓦斯涌出量可以利用单位长度煤壁瓦斯涌出量来表示，其计算公式如下所示：

式中，Qb为单位长度煤壁瓦斯涌出量，m3/(min·100m)；C1，C2分别为两个测点的风流瓦斯体积分数，%；Q1，Q2分别为两个测点的风流量，m3/min；L为两个测点间的距离，m。

根据上式可知，单位长度煤壁瓦斯涌出量可以通过非生产班工作面巷道内不同地点的风排瓦斯量进行计算。因此，利用单元法将工作面回风巷划分为若干个测定单元（见图1），通过测定每一单元的瓦斯体积分数及风量可以得到该测定单元的风排瓦斯量，利用上述公式即可对单位长度煤壁瓦斯涌出量进行计算，再根据工作面进风巷、工作面、回风巷煤壁累计总长度即可计算整个工作面煤壁瓦斯涌出量。

2.2 采空区瓦斯涌出量

为方便研究，将采空区瓦斯涌出量分为涌出到工作面的瓦斯量和采空区抽采瓦斯量。

非生产条件下，风排瓦斯量主要包括煤壁瓦斯涌出量和采空区内被风流带入到工作面的瓦斯量，因此，采空区涌出到工作面的瓦斯量可以通过非生产班回风巷风排瓦斯量减去煤壁瓦斯涌出量来计算；采空区抽采瓦斯量为各种抽采采空区瓦斯方法的抽采瓦斯量总和。

2.3 采放煤及运煤瓦斯涌出量

通过分析可知，非生产条件下，回风巷风排瓦斯量由煤壁瓦斯涌出和采空区涌出到工作面的瓦斯量构成；生产条件下，回风巷风排瓦斯量由煤壁瓦斯涌出、采空区涌出到工作面的瓦斯量与采放煤及运煤瓦斯涌出量构成。因此，采放煤及运煤瓦斯涌出量可以通过生产班风排瓦斯量减去非生产班风排瓦斯量得到。

3 现场试验

5136工作面主采5#煤层，走向长1 141 m，倾向长125 m，平均煤厚9.2 m，采用放顶煤开采，循环进度0.6 m，割煤高度2.3 m。工作面采用U型通风系统，为上行通风方式，工作面采用底抽巷预抽煤层瓦斯+顶抽巷抽采采空区瓦斯综合治理措施。

3.1 煤壁瓦斯涌出量

由于5136工作面回风巷变形严重，在进风巷内每隔100 m划分1个测定单元（见图2所示），测定每个单元的瓦斯体积分数和风量，并利用相应计算公式得到单位长度煤壁瓦斯涌出量和整个工作面煤壁瓦斯涌出量。

图2 5136工作面测定单元划分示意图

通过对5136工作面每个测定单元瓦斯体积分数和风量多次测定，基本掌握各测定单元的瓦斯涌出量，将其带入式（1）中得到100 m长度煤壁瓦斯涌出量Qb=0.09 m3/min。整个5136工作面煤壁长度为1 120 m左右，即该工作面煤壁瓦斯涌出总量为0.09×1 120÷100=1.01 m3/min。

3.2 采放煤及运煤瓦斯涌出量

统计、整理5136工作面不同班次下风排瓦斯情况，如图3所示。

图3 5136工作面风流瓦斯涌出规律

据图3可知，生产班风排瓦斯量基本在5.0 m3/min～6.0 m3/min之间，最大风排瓦斯量为5.84 m3/min，平均为5.34 m3/min；检修班风排瓦斯量基本在3.0 m3/min～4.0 m3/min之间，最大为3.80 m3/min，平均为3.39 m3/min；平均风排瓦斯量生产班与检修班之差为1.95 m3/min，即采放煤和运煤瓦斯涌出量为1.95 m3/min。

根据现场实测，统计、计算生产班与非生产班风排瓦斯量结果表明，非生产班平均风排瓦斯量为2.48 m3/min，生产班平均风排瓦斯量为4.47 m3/min，二者之差为1.99 m3/min，该值即为采放煤、运煤瓦斯涌出量。

综上所述，统计结果与现场实测结果基本吻合，以下采放煤及运煤瓦斯涌出量均采用1.99 m3/min。

3.3 采空区瓦斯涌出量

采空区瓦斯涌出量计算公式如下：

式中，Qc为采空区瓦斯涌出量，m3/min；Qc-f为采空区涌出到风流中的瓦斯量，m3/min；Qc-c为采空区抽采瓦斯量，m3/min。

根据现场实际测定结果，经分析计算，采空区涌出到风流中的瓦斯量Qc-f为2.48-1.01=1.47 m3/min。

5136工作面采用底抽巷预抽煤层瓦斯+顶抽巷抽采采空区瓦斯综合瓦斯治理措施，由于底抽巷抽采的是煤层瓦斯，并且在工作面回采过程中，超前工作面20 m范围停止抽采。因此，针对于采空区瓦斯而言，仅有顶抽巷抽采采空区瓦斯。顶抽巷采用封闭式抽采方式，巷口密闭墙上布置有2趟ϕ377 mm抽采管路。为确定其抽采情况，对5136工作面顶抽巷抽采参数进行多次测定，顶抽巷两条抽采管路内的抽采瓦斯体积分数均较低，最高为2.10%。经计算，采空区平均抽采瓦斯量为5.13 m3/min，即采空区瓦斯涌出总量为1.47+5.13=6.60 m3/min，可见采空区瓦斯涌出量非常大。

3.4 工作面瓦斯涌出总量及构成

根据上述5136工作面各瓦斯来源的瓦斯涌出量可知，煤壁瓦斯涌出量为1.01 m3/min，采放煤及运煤瓦斯涌出量为1.99 m3/min，采空区瓦斯涌出到风流中的瓦斯量为1.47 m3/min，采空区抽采瓦斯量为5.13 m3/min。因此，生产条件下，5136工作面煤壁瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的10.52%，采放落煤及运煤瓦斯涌出量占20.73%，采空区涌出到工作面的瓦斯量15.31%，采空区抽采瓦斯量占53.44%。

4 上隅角瓦斯治理

生产条件下，工作面瓦斯涌出总量中，采空区瓦斯涌出量占比68.75%，为工作面主要瓦斯来源。为有效降低工作面上隅角瓦斯体积分数，提出增加上隅角插管抽采上隅角瓦斯治理措施。即在5136工作面回风巷内增加1趟ϕ377 mm抽采管路，连接矿井低负压抽采系统，抽采管路端头设置3趟4寸软管，插到垛袋墙内抽采上隅角及其附近区域内的瓦斯。

5136工作面增加上隅角插管抽采措施后，通过现场实测，上隅角插管抽采气体混量在60 m3/min～70 m3/min之间，其抽采瓦斯体积分数在0.8%～0.9%之间。为考察其抽采防治效果，在5136工作面增加上隅角插管抽采措施后，对其生产条件下上隅角瓦斯体积分数进行了35天的跟踪考察，工作面上隅角瓦斯体积分数最大为0.50%，最小为0.32%。说明工作面在增加上隅角插管抽采措施后，其上隅角瓦斯体积分数被有效控制在0.50%以下。

5 结论

（1）综放工作面非生产条件下瓦斯来源主要包括煤壁和采空区；生产条件下瓦斯来源主要包括煤壁、采空区和采放煤及运煤。

（2）生产条件下，煤壁瓦斯涌出量、采放落煤及运煤瓦斯涌出量、采空区涌出到工作面的瓦斯量和采空区抽采瓦斯量分别占工作面总瓦斯涌出量的10.52%、20.73%、15.31%和53.44%。

（3）增加上隅角插管抽采措施后，5136工作面上隅角瓦斯体积分数被有效控制在0.5%以下。