下峪口矿工作面瓦斯分布规律研究

李慧鹏 刘志华

(中国矿业大学应用技术学院,江苏省徐州市,221008)

下峪口矿工作面瓦斯分布规律研究

李慧鹏 刘志华

(中国矿业大学应用技术学院,江苏省徐州市,221008)

针对在保护层开采过程中,保护层与被保护层中的瓦斯同时涌到开采工作面导致瓦斯超限的问题,以韩城矿务局下峪口矿为例,通过实测得到风量、瓦斯沿工作面方向的分布规律,结果表明,工作面靠近采空区侧瓦斯浓度最高,工作面中部位置瓦斯浓度最低,距离回风巷道越近瓦斯浓度越高;受尾巷影响,在工作面靠近回风巷道一侧,采空区瓦斯浓度呈现了平缓趋势。

保护层 卸压瓦斯 单元法 瓦斯分布规律

下峪口矿隶属于韩城矿务局,矿区瓦斯、水、煤尘、顶板灾害并存,地质条件复杂,生产条件恶劣,特别是瓦斯灾害尤为严重,极大地威胁着矿井安全生产,制约了企业的生存发展。主采的3#煤层瓦斯含量为14 m3/t以上,煤层透气性低,煤与瓦斯突出危险性大。为此,以开采2#煤层作为保护层来掩护3#煤层的方式进行安全开采,工作面布置如图1所示。

2#煤层和3#煤层间距为4.8～28.4 m,变化比较大,对卸压瓦斯涌出造成很大影响。2#煤层开采过程中,3#煤层的卸压瓦斯将从底板涌向2#煤层工作面,造成2#煤层回采过程中上隅角瓦斯频频超限。为确保2#煤层的快速安全回采,特开展工作面回采过程中瓦斯涌出规律的测试研究工作。

图1 工作面布置图

1 单元法测试工作面瓦斯分布规律

1.1 测试过程及测试结果

在下峪口煤矿21206工作面利用单元法进行工作面瓦斯涌出量测试,工作面宽度为130 m,将工作面平均划分为13个单元,每10 m为1个单元。在每个单元内分别于靠近工作面(位置a)、行人通道(位置b)和靠近采空区(位置c)3个位置测试风量、过风断面和瓦斯浓度。测点布置见图2。

图2 测点布置位置

按照上述的测量布置,在各个测点依次测量,获取的数据如表1所示。

1.2 工作面瓦斯分布规律

图3给出了沿工作面方向风量分布规律,可以看出,在靠近进风巷道50 m范围之内,风量逐步减少,这表明,在此阶段从采空区涌入到工作面的风量较少;而在靠近回风巷道50～80 m之间,工作面风量呈现增加趋势,这表明从采空区进入工作面的风量增加,这会把采空区的瓦斯带入工作面。由于工作面留设了尾巷,因此,在距离回风巷道一侧风量呈现了降低的趋势,这阻碍了采空区瓦斯流入工作面,从而避免了瓦斯浓度超限。可见留设尾巷可以解决上隅角瓦斯超限问题,同时由于工作面配置风量小,直接导致漏风量也相对减少。

表1 单元法测试数据

图3 “U+L”工作面风量分布规律

根据现场实测数据,得到不同测点沿工作面倾斜方向的瓦斯浓度分布,如图4所示。图中显示:从测点1(进风巷)到测点14(回风巷处)瓦斯浓度逐渐增大。近采空区侧瓦斯浓度最高,工作面中间瓦斯浓度最低,且距离回风巷道越近瓦斯浓度越高。同时,在工作面靠近回风巷道一侧,采空区瓦斯浓度呈现了平缓趋势,变化幅度小,这主要是受到了尾巷的影响,使得部分风流不再回到工作面,而是顺采空区一侧并流向回风巷道被排出。

图4 工作面各测点瓦斯浓度分布

2 工作面初采期间瓦斯涌出规律研究

开采工作面的瓦斯涌出总体上由3部分构成,即落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出,而采空区的瓦斯涌出又由围岩瓦斯涌出、分层瓦斯涌出、开采丢煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出4部分组成。由于韩城矿区2#煤层极薄,作为保护层开采时采取煤岩同采的办法,实现了一次采全高,不存在分层瓦斯涌出和严重的采空区丢煤现象,采空区瓦斯主要为邻近层3#煤层的卸压瓦斯。单纯从本煤层瓦斯治理的角度考虑,利用风排即可解决2#煤层开采过程中的瓦斯问题。但是,由于3#煤层在采空后卸压,其瓦斯将向2#煤层工作面流动,造成2#煤层瓦斯增多,将为2#煤层主要瓦斯来源,单纯依靠通风的办法根本不能解决瓦斯超限问题,因此2#煤层开采过程的瓦斯治理问题,主要是针对3#煤层卸压瓦斯的治理问题。为了进一步分析2#煤层保护层工作面通风排放瓦斯的能力,同时考察2#煤层开采过程中邻近层瓦斯涌出规律,在2#煤层开采初期,测试不同时刻瓦斯涌出规律。

工作面初采推进到10 m以前,由于直接顶尚未断裂,顶、底板未卸压,工作面的瓦斯主要来源于本煤层落煤和煤壁瓦斯涌出,其回风流瓦斯浓度0.14%,上隅角瓦斯浓度0.24%,绝对瓦斯涌出量0.8 m3/min;随着工作面的逐渐推进,直接顶逐渐冒落,顶板开始卸压,工作面推进到16 m时,回风流瓦斯浓度0.1%～0.26%,上隅角瓦斯浓度0.3%～0.8%,绝对瓦斯涌出量0.63～1.64 m3/min,瓦斯涌出量呈明显增大趋势;当工作面推进到19 m时,回风流瓦斯浓度增大到0.6%～0.8%,上隅角瓦斯浓度最大值达到0.98%,并出现瞬间超限情况,绝对瓦斯涌出量3.21～5.69 m3/min,工作面瓦斯涌出出现第一次高峰。据此,认为自推进16 m开始,随着顶板的初次跨落,底、顶板岩石出现剧烈活动,3#煤卸压瓦斯开始涌入到采掘空间,到19 m时,在未采取采空区瓦斯治理措施的情况下,开采工作面出现了瓦斯超限现象,表明此时依靠风排瓦斯已经不能解决瓦斯问题,风排瓦斯的极限为绝对瓦斯涌出量5.5 m3/min,只能保证工作面开采不足19 m。工作面开采初期瓦斯涌出量、回风流瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度见表2。

表2 工作面开采初期瓦斯涌出规律

图5 工作面开采初期瓦斯涌出规律

在不同开采距离时,最大绝对瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度和回风流瓦斯浓度见图5。

在工作面开采初期,随着工作面的推进,绝对瓦斯涌出量呈现指数增长规律。表明邻近层瓦斯涌出占主导地位,当工作面开采19 m时,邻近层瓦斯涌出量占2#煤层工作面瓦斯涌出总量的80%～87.7%,为主要瓦斯来源。由于回风流瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度都超越了0.8%,表明单纯依靠通风已经不能有效解决工作面瓦斯问题。故将原通风系统调整为“U+L”型的方式,继续进行开采,并进行瓦斯抽放,各月瓦斯涌出量见表3。

图6 瓦斯涌出量变化

由图6中可看出,在工作面开采到64 m之前,工作面瓦斯总量不大,来自本煤层和邻近层的瓦斯基本相当,但是当工作面开采到64 m之后,3#煤层开始大幅度瓦斯卸压,煤层应力不断释放,瓦斯变为游离状态,并向上升浮运动,进入2#煤工作面,造成瓦斯骤增。

表3 4-9月瓦斯涌出量统计表

3 瓦斯涌出量与层间距的关系

从图6、表3中还可以看出,工作面累计开采371 m,从瓦斯涌出情况来看,8月份的瓦斯涌出量与前2个月相比降低了19%,绝对量减小了3 m3/min;9月份的瓦斯涌出量降低了38%,绝对量减小了6 m3/min。

从4217工作面2～3#煤层间距等值线图来看,在4～8月份时,2～3#煤层间距一般为10～12 m,自9月份开始,逐渐增大到11～14 m,虽然层间距变化程度不是很大,但因层间距的变化而引起的瓦斯涌出量的变化却非常的明显,但这足以说明层间距发生变化后势必造成瓦斯涌出量发生变化。

4 结论

(1)保护层工作面开采过程中瓦斯主要来源于本煤层和临近层,通过保护层工作面单元法测试工作面风量和瓦斯分布规律,并将U形通风和“U+L”形通风方法相对比,认为留设尾巷的通风方式可以减少采空区从上隅角涌入到工作面瓦斯量,很好地解决上隅角瓦斯超限问题。

(2)通过测试工作面开采过程中的瓦斯来源的演化规律,得出在工作面开采初期,瓦斯主要来源于本煤层,而随着开采距离的增大,特别是大于19 m之后,邻近层的瓦斯开始大量涌入到被保护层工作面,造成被保护层工作面瓦斯量激增,迫使常规的通风方法不能解决问题,必须采取瓦斯抽放的方法。

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[2] 林柏泉,周心权.矿井瓦斯防治技术优选—通风和应急救援[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008

[3] 胡千庭.矿井瓦斯防治技术优选—煤与瓦斯突出和爆炸防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008

[4] 胡殿明,林柏泉.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006

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[7] 杨建国,林柏泉,康国峰.煤矿生产安全风险管理机制的研究及应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009

Experimental study on gas distribution in working face

Li Huipeng,Liu Zhihua
(Polytechnic School,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

In view of such problem as gas from protective and protected coal seams simultaneously flowing into the working face and resulting in gas concentration exceeding limits during the protective coal seam mining,the air volume and the gas distribution law along the working face were measured in Xiayukou Coal Mine of Hancheng Mining Co.,Ltd.The results showed that the gas concentration was the highest in the goaf,and the lowest in the middle of working face.More gas gathered near the return airway.Influenced by tail roadway,however,the gas concentration in the goaf was stable at the side of working face near the return airway.

protective coal seam,pressure-relief gas,element method,gas distribution law

TD712.7

B

李慧鹏(1989-),男,山西长治人,就读于中国矿业大学应用技术学院。

(责任编辑 梁子荣)