采煤工作面顶抽巷抽采气体来源及范围测定

李 丹

（挖金湾煤业有限责任公司，山西 大同 037000）

同忻矿C3-5#层8309 综放工作面煤层相对瓦斯涌出量为2.45 m3/t，因放顶煤开采强度大，瓦斯绝对涌出量较大，最大绝对瓦斯涌出量为22.53 m3/min。工作面设计采用顶抽巷抽采采空区瓦斯，但抽采瓦斯浓度偏低，为0.3%～0.6%，略高于回风流瓦斯浓度，远未达到设计抽采浓度。为了探明缘由，需要对顶抽巷实际抽采影响范围及抽采气体来源进行测试与分析，决定采用SF6示踪气体技术开展相关研究。

1 工程概况

同忻矿C3-5#层8309综放工作面走向长2844 m，倾向长200 m，平均煤厚14.09 m，平均倾角9°。工作面西部为矿井边界煤柱，东部为盘区大巷，北部为实煤区，南部为8307 综放工作面采空区。工作面为三巷布置，分别是2309 进风巷、5309 回风巷、8309 顶抽巷，通风方式为“U+I”型。8309 综放工作面风量由同忻矿三盘区主扇担负，工作面回风直接进入三盘区回风大巷后由三盘区回风立井排出地面，沿途无采掘工作面。

2 顶抽巷抽采气体来源及范围测试

2. 1 测试原理

SF6示踪气体测定技术是通过释放SF6示踪气体并使用SF6检测仪检出的技术。本次测试采用连续定量释放法，即在回采工作面、上隅角、采空区等区域连续释放高浓度SF6气体，然后瓦斯抽采系统排气侧采取气样[1]，通过分析气样中是否含有SF6具体确定抽采影响范围和抽采气体来源构成。工作面测点分布如图1。

图1 工作面测点分布总图

2.2 测试方案

检测人员分为3 组，分别为地面泵站接收组、5309 回风巷接收组、8309 工作面释放组。各组人员到达指定位置后，检查仪器是否正常，准备完毕后，地面与井下人员通过电话联系，校对时间，约定释放时间，井下接收组与释放组通过人工传话联系。同时做好数据记录，包括释放时间、接收时间、释放量。

2.3 数据测试及分析

检测人员利用SF6示踪技术对8309 顶抽巷抽采气体来源进行19 次测试，为了方便说明将8309 工作面人为划分为6 大部分，分别为前运输机至煤壁（简称前部）、工作面支架部分（简称中部）、后运输机至采空区直接顶垮落岩石（简称后部）、工作面采空区、上部采空区、邻近采空区。

（1）工作面前部测试

工作面前部释放位置为支架前摆梁距煤壁1 m处，如图2，地面泵站接收到示踪气体。前部属于工作面主风流，前部风流直接经工作面进入回风巷，理论上不存在前部风流绕至工作面后部被顶抽巷抽采的可能性[2-3]。可以推测工作面前部顶煤存在与顶抽巷沟通通道。初步分析原因如下：工作面割煤扰动使得上部顶煤部分松动卸压，产生少量裂隙，与上部顶抽巷小范围沟通；放煤工艺使后部顶煤垮落，工作面前部顶煤整体性进一步受到破坏，产生更多裂隙，与上部顶抽巷进一步沟通；放煤结束后工作支架需要完成卸压下降、移动支架、接顶承压三个步骤，综采支架的卸压下降使得原本承压顶煤突然卸压，煤体间弹性受到破坏，以塑性破碎状下降，丧失整体性，与顶抽巷产生大量缝隙沟通。虽然随后支架再次接顶承压，部分煤体缝隙体积受到压缩，但煤体塑性状态不具有可逆性，破碎煤体缝隙难以全部压实，而且综采支架再次接顶承压对顶煤整体性又造成二次破坏，产生新的缝隙。综上所述，受采煤工艺影响，工作面前部存在与顶抽巷提前沟通通道，顶抽巷存在抽采工作面前部风流现象。

（2）工作面中部测试

工作面中部释放位置为综采支架后支柱偏后0.3 m 处，如图2 所示，地面泵站接收到示踪气体。中部属于工作面次主风流，正常情况下，中部风流直接经支架空隙进入回风巷，理论上不存在中部风流绕至工作面后部被顶抽巷抽采的可能性，因此可以推测工作面中部顶煤存在与顶抽巷沟通通道。初步分析原因如下：放煤工艺使顶煤垮落，工作面中部顶煤整体性受到破坏，产生裂隙存在与顶抽巷沟通的可能性；由于该处距离综采支架后摆梁较近，预放煤体以不规则状垮落，该部分煤体与工作面中部顶煤断裂线也为不规则状态，具有与顶抽巷之间存在不规则通道的可能性；由于破碎煤体以不规则块状垮落，也存在该部分气体通过破碎煤体缝隙被抽采的可能；根据工作面前部测试结果分析，工作面放煤工艺对中部顶煤也产生同样影响，导致顶抽巷与工作面中沟通。综上所述，受放煤工艺影响，工作面中部存在与顶抽巷沟通通道，顶抽巷存在抽采工作面中部风流现象。

图2 工作面释放位置剖面图

（3）工作面后部测试

工作面后部释放位置为超过后刮板0.5 m，离地1.5 m，如图2 所示，地面泵站接收到示踪气体。后部属于工作面次风流，正常情况下，后部风流经运输机上部通道，在上隅角区域与采空漏风风流混合后进入回风巷。因同忻矿顶抽巷布置在煤层内，存在随放随垮现象，因此可以推测工作面后部存在与顶抽巷直接沟通通道，在顶抽巷上风侧释放示踪气体，存在示踪气体随风流流经顶抽巷下方被抽采现象。单纯依据上风侧测试结果不能直接证明示踪气体直接被顶抽巷抽采。在顶抽巷下风侧释放示踪气体，在无顶抽巷抽采作用下，在忽略气体扩散作用前提下，示踪气体不存在逆风流流动情况，地面泵站接收到示踪气体，能够说明该气体是受顶抽巷作用被直接抽采。综上所述，受顶抽巷布置层位影响，工作面后部存在与顶抽巷沟通的直接通道，顶抽巷存在抽采工作面后部风流现象。

（4）上、下隅角测试

工作面上、下隅角释放位置，如图3 所示，根据工作面风流运动规律，进风巷新鲜风流在动能作用下，部分进入工作面采空区，在下隅角释放的示踪气体随这部分漏风风流进入采空区，随后在工作面与采空区压差作用下涌向工作面。在地面抽采泵站接收到示踪气体，说明顶抽巷能够截流部分采空区漏风风流。在5309 回风巷接收到示踪气体，说明顶抽巷并未完全截流采空区气体，部分采空区漏风风流涌入回风巷。根据工作面气体流动规律，由于工作面上隅角区域是多股风流交汇地，存在多重流场，是工作面最容易引起瓦斯集聚的场所，也是工作面瓦斯灾害防治最难解决的区域，瓦斯治理措施能否有效降低上隅角瓦斯浓度，是评判该措施是否有效的最直观评价指标。在工作面上隅角释放，在地面抽采泵站接收到示踪气体，说明顶抽巷能够抽采上隅角气体，能够拦截部分采空区瓦斯，对降低工作面上隅角瓦斯浓度及工作面瓦斯治理起到一定效果，但总体来看同忻矿顶抽巷抽采瓦斯浓度较低，推测抽采效果一般。结合同忻矿顶抽巷布置位置，说明目前条件下，顶抽巷抽采影响范围大于20 m。

图3 上、下隅角测点分布及漏风通道示意图

（5）上部采空区气体下泄测试

上部采空区测试释放位置在5309 回风巷采位120 m 处的上部采空区放水孔，如图4 所示。

图4 上部采空区释放剖面示意图

经检测人员考察，该处探水孔当时处于封堵状态，测试前打开探水孔阀门，无积水、杂物流出，利用瓦斯便携仪进行测试，便携仪无变化。后采用压风装置进行透孔作业，透孔时间约为15 min，孔内气体释放后再次利用瓦斯便携仪测试，瓦斯浓度迅速升高至1%以上，基本可以判断透孔作业有效。随后对该钻孔释放示踪气体，释放时间约为10 min。为防止示踪气体集聚钻孔内部未进入上部采空区，利用压风装置进行助推，随后井下接收点接收到示踪气体。根据工作面上隅角区域测试结果，顶抽巷抽采影响范围已影响到上隅角区域，而井下接收点为回风巷距离工作面10 m 处，可以推测示踪气体应经上隅角流入回风巷。因此可以推断：顶抽巷抽采气体组分含有上部采空区下泄气体。

（6）邻近采空区气体测试

8307 工作面初采期间施工了地面钻孔，因此检测人员利用地面钻孔向8307 采空区释放示踪气体，在5309 回风巷采位100 m 处进行接收，观测8307工作面采空区气体在8309 回采期间是否涌向工作面。测试时工作面采位在70 m，经检测人员现场检测，确认接收到SF6信号。根据回采工作面矿山压力规律及采场覆岩移动规律，8309 工作面回采至70 m 处时，存在本工作面采空区与邻近采空区沟通现象，存在邻近采空区气体通过工作面采空区涌向回风巷的可能性。结合上部采空区气体下泄测试结果，也存在8309 工作面采空区与上部采空区沟通后示踪气体通过上部采空区涌出工作面回风巷的可能性。结合8309 上隅角测试结果可以推断：当8309 工作面推进至邻空段70 m 后，8309 顶抽巷抽采气体组分应含有邻近采空区气体，即8309 工作面采空区与8307 工作面采空区存在漏风通道。

3 现场测定结果

通过对8309 综放工作面顶抽巷抽采气体来源及范围测定，可以初步得出如下结果：

（1）8309 顶抽巷抽采气体来源分为四部分，分别是：工作面新鲜风流、上部采空区气体、邻近采空区气体、本工作面采空区气体。除了工作面新鲜风流外均为高瓦斯浓度气体。

（2）8309 工作面顶抽巷抽采影响范围约20 m。

（3）8309 工作面顶抽巷存在抽采工作面新鲜风流情况，主要通道为工作面前运输机上部煤体裂隙、综采支架中部煤体裂隙、后运输机上部缝隙。

（4） 8309 工作面推进至采位70 m 后，本工作面采空区与相邻8307 采空区存在漏风通道。

4 结语

同忻矿8309 综放工作面SF6示踪气体测定结果表明，造成顶抽巷瓦斯浓度偏低的原因主要是工作面大量新鲜风流通过顶煤裂隙进入了顶抽巷，要加强工作面顶板管理，控制放煤工艺，避免过度放煤，确保支架前后柱初撑力合格，减少因工作面顶煤破碎而形成的漏风通道，从而杜绝工作面新鲜风流直接进入顶抽巷致使顶抽巷抽排瓦斯效果减弱。