小庄矿40309工作面瓦斯涌出规律及影响因素分析

2020-10-19夏海斌郭林生林建成郭魏虎付航航孔祥国孙万杰

中国矿业 2020年10期

夏海斌，郭林生，林建成，郭魏虎，李可，付航航，孔祥国，孙万杰

(1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西咸阳 713500；2.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西咸阳 713500；3.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054)

瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一，严重威胁着井下人员的生命和矿井设施的安全[1]。矿井瓦斯涌出规律分析是瓦斯防治技术中的不可缺少的重要环节。由于瓦斯涌出影响因素较多，主要表现在煤层深度、厚度和构造等地质赋存条件[1-2]，回采方法、通风方法和回采速度等生产技术条件，因此，各个矿区瓦斯涌出规律不尽相同，给瓦斯防治带来了困难。

针对地质赋存条件对瓦斯涌出规律的影响，蔺亚兵等[2]研究发现随着采深增加，煤层开采厚度越大，褶曲翼部倾角越大，工作面瓦斯涌出量越大，断层附近游离瓦斯较多是引起瓦斯涌出增加的主要原因；刘军[3]发现煤层倾角对工作面回采瓦斯涌出具有显著影响，尤其是急倾斜煤层，通过现场分析开采过程中瓦斯涌出规律，提出了急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面瓦斯涌出量预测方法。近年来，现场实际生产过程中发现，冲刷带对工作面瓦斯异常涌出有明显影响，蔺亚兵等[4]通过对陕西胡家河煤矿和山西新景煤矿地质分析，研究了同生冲刷带和和后生冲刷带对煤层瓦斯赋存的影响，并阐释了对后续瓦斯涌出的危险性。

关于生产技术条件对工作面瓦斯涌出的影响，也取得了较多成果。工作面配风量的合理选择，直接影响工作面上隅角瓦斯浓度，贾廷贵等[5]通过Fluent数值模拟发现Y型通风可有效缓解工作面上隅角瓦斯的涌出，在配风量一定范围内，上隅角瓦斯涌出量随着配风量增加而减小；赵灿等[6]以晋煤集团寺河矿5301工作面为研究对象，建立了偏Y型通风方式下采空区瓦斯流场计算模型，研究了回采工作面采空区瓦斯流场分布特点，得出偏Y型通风方式可有效解决采空区通风联络巷瓦斯超限难题；高亮等[7]研究发现工作面推进速度和生产强度也是影响瓦斯涌出量的重要因素，而且发现矿压来压和显现会造成瓦斯涌出有明显的异常；何福胜等[8]研究大采高工作面矿压显现规律，进一步证实了矿压对瓦斯涌出特征的影响。

小庄矿40309工作面为综放工作面，采高较大，回采过程中瓦斯涌出较大。为了动态掌握40309工作面瓦斯涌出规律，防止瓦斯灾害，本文以40309工作面为研究对象，分析了工作面回采过程中的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量随时间变化规律，分析了日产量和日推进度对工作面瓦斯涌出特征的影响，并研究了风排瓦斯量和抽采瓦斯量与瓦斯涌出总量之间的关系。该研究有助于40309工作面瓦斯超限管理和灾害防治。

1 矿井概况

小庄矿位于咸阳市彬县义门镇鸭河湾村，为高瓦斯矿井，矿井通风方式为中央分列式。矿井主采4#煤层位于延安组第一段的中部，可采厚度为0.80～35.22 m，平均为18.01 m，厚度较为稳定，结构简单，煤层倾角小于5°。40309综放工作面位于小庄矿井田三盘区，走向长2 977 m，宽195 m，面积603 525 m2。工作面内煤层赋存连续完整，掘进过程中未发现大型断裂构造，顺槽掘进过程中在运顺揭露小型断层2条，距切眼分别为1 455 m、2 098 m，回顺揭露裂隙1条，距切眼1 395 m，对工作面回采影响均不大；煤层形态西部呈单斜构造，东部呈近水平状态，地层产状较为稳定，煤层及其顶底板具有弱冲击倾向性，工作面回采期间具有弱冲击地压危险。40309综放工作面采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。煤层开采平均厚度10 m，其中，割煤高度3.5 m，放煤厚度平均6.5 m，采放比为1∶1.86。工作面设计四条巷道，分别为胶带输送机顺槽、回风顺槽、泄水巷及高位瓦斯抽放巷。工作面布置如图1所示。

2 40309综放工作面瓦斯涌出构成比例分析

2.1 工作面瓦斯涌出

为了掌握40309工作面的瓦斯涌出情况，统计了2019年5月25日至2019年8月14日期间的瓦斯涌出量(包括风排瓦斯量和瓦斯涌出量)，经过数据分析，40309工作面回采期间最大瓦斯涌出量为35.4 m3/min，最小瓦斯涌出量为21.6 m3/min，平均瓦斯涌出量为28.7 m3/min。

2.2 开采层瓦斯涌出

工作面生产初期，工作面瓦斯的主要来源为开采层，邻近层与采空区瓦斯涌出很小，可以忽略不计。工作面瓦斯来源主要为煤壁与落煤。工作面不生产时，瓦斯涌出来源为煤壁；工作面生产时，瓦斯涌出来源为煤壁和落煤；两者之差为落煤的瓦斯涌出量。根据现场记录：2019年3月17日至2019年3月18日以及2019年4月6日至2019年4月7日期间没有进行生产，该段瓦斯涌出量为煤壁瓦斯涌出量，平均值为5.65 m3/min；2019年3月24日至2019年3月25日以及2019年4月8日至2019年4月9日期间进行回采作业，该段瓦斯涌出量作为落煤与煤壁瓦斯涌出量之和，平均值为7.67 m3/min；二者之差即为落煤瓦斯涌出量，约2.02 m3/min。

2.3 邻近层瓦斯涌出

工作面老顶初次垮落前，邻近层瓦斯涌出量很小，可以认为该部分为0；工作面老顶初次垮落后，采空区上方裂隙开始发育，邻近层瓦斯迅速涌出，使所测工作面瓦斯涌出量增加。因此，老顶垮落前后工作面瓦斯涌出量的差值即为邻近层瓦斯涌出量。40309工作面于2019年3月12日推进至38 m时老顶初次来压，此后周期来压步距平均约为27 m。经查询，2019年3月11日工作面瓦斯涌出量与2019年3月12日工作面瓦斯涌出量差值为16.41 m3/min(检修班数据)，即邻近层瓦斯涌出量近似为16.41 m3/min。

2.4 采空区瓦斯涌出量

采空区瓦斯涌出量主要包括采空区遗煤瓦斯涌出量与邻近层瓦斯涌出量。开切眼最初形成时，采空区尚未形成，工作面瓦斯涌出量仅包括煤壁瓦斯涌出；在工作面开始回采后、老顶初次来压之前的时间段内，采空区内邻近层瓦斯涌出量很小，因此此段时间测得工作面瓦斯涌出量与切眼形成时的瓦斯涌出量差值即为采空区瓦斯含量。经查询，采空区瓦斯含量近似为2.83 m3/min(检修班数据)。

40309综放工作面瓦斯涌出构成情况见表1。其中，开采层涌出占工作面总涌出量的35.48%，邻近层占工作面涌出量的64.52%。

表1 工作面涌出来源数据表Table 1 Data sheet of working face outflow source

3 40309综放工作面瓦斯涌出规律

3.1 绝对瓦斯涌出量

2019年5月25日至2019年8月14日，小庄矿40309工作面瓦斯监测系统数据显示：该工作面绝对瓦斯涌出量随工作面回采整体呈降低趋势，绝对瓦斯涌出量21.6～35.4 m3/min，平均28.7 m3/min。在工作面回采初期，绝对瓦斯涌出量较大，约35 m3/min，随着工作面回采，绝对瓦斯涌出量急剧下降，在2019年5月29日到2019年6月17日期间，绝对瓦斯涌出量相对较低且变化较小，6月17日后，绝对瓦斯涌出量出现短期增加，当绝对瓦斯涌出量达到32.5 m3/min后，其随着时间推移而逐渐稳步降低。40309工作面瓦斯涌出规律表明综放工作面初采时期，大面积煤体新近暴露，解吸释放瓦斯较多，随着工作面回采，各系统逐渐运行稳定，瓦斯涌出量逐渐减小。因此，在高瓦斯工作面回采初期，需严格瓦斯浓度监测，加强瓦斯排放，确保工作面安全顺利推进。

3.2 相对瓦斯涌出量

基于绝对瓦斯涌出量和日产量数据，分析了40309工作面相对瓦斯涌出量随时间变化规律，如图3所示。在2019年5月25日至2019年8月14日期间，40309工作面相对瓦斯涌出量变化范围较小，基本维持在1.58～4.11 m3/t，平均2.63 m3/t。该现象表明绝对瓦斯涌出量与日产量有明显的关系，日产量越大，绝对瓦斯涌出量越大，通过日产量将工作面绝对瓦斯涌出量归一化，相对瓦斯涌出量可以衡量煤体瓦斯含量的大小及瓦斯放散程度。

4 40309工作面瓦斯涌出影响因素

4.1 绝对瓦斯涌出量影响因素分析

为了进一步确定40309工作面瓦斯涌出规律，研究了日产量、日推进度和风排瓦斯量对绝对瓦斯涌出量的影响，见图4。由图4(a)可知，40309工作面绝对瓦斯涌出量随着日产量的增加而增加，由于日产量增加使得新暴露的煤体增加，采空区遗煤也相对增加，造成绝对瓦斯涌出量增大，在工作面回采初期，需严格控制工作面产量，防止瓦斯超限。由图4(b)可知，40309工作面绝对瓦斯涌出量随着日推进度增加而增大，主要是因为工作面推进速度的增加使得本煤层涌出瓦斯量较多；另外，工作面推进速度的快慢直接影响到围岩的移动和变形，当推进速度加快时，围岩变形相对减小，相应地减少了围岩的瓦斯涌出量，但由于本煤层瓦斯涌出量远远大于围岩瓦斯涌出量，表现为绝对瓦斯涌出量随日推进度的增加而增大。由图4(c)可知，40309工作面绝对瓦斯涌出量随风排瓦斯量的增加而增加，40309工作面瓦斯主要通过高位钻孔、煤层顺层钻孔和上隅角插管进行抽放，剩余的瓦斯通过风排解决，因此，当绝对瓦斯涌出量增加时，各抽采系统能力保持不变的情况下，风排瓦斯量将增加。因此，在工作面回采过程中，为了严格控制瓦斯涌出量，防止瓦斯超限，根据工作面生产计划适当减小日产量和放慢推进速度，并通过增加抽采负压和分源抽采措施来提升抽采系统能力，从而减小风排负担，保障工作面安全生产。

图2 绝对瓦斯涌出量随时间的变化Fig.2 Absolute gas emission changes with time

图3 相对瓦斯涌出量随时间的变化
Fig.3 Relative gas emission changes with time

图4 工作面绝对瓦斯涌出量与各生产因素的关系Fig.4 Relationship between absolute gas emission of working face and various production factors

4.2 相对瓦斯涌出量影响因素分析

40309综放工作面相对瓦斯涌出量随日产量、日推进度和风排瓦斯量变化如图5所示。由图5(a)可知，40309工作面相对瓦斯涌出量随日产量呈指数衰减，拟合关系为q=9.7e-0.07A，表明控制日产量是减小瓦斯涌出量的有效途径之一。由图5(b)可知，40309工作面相对瓦斯涌出量随日推进度的增加而减小，日推进度越大，日产量相对越大，由于煤层厚度变化和构造等因素会略有影响，因此，日推进度的增加也会造成瓦斯涌出量减小。由图5(c)可知，随着风排瓦斯量的增加，40309工作面相对瓦斯涌出量减小。