黄陵矿业一号煤矿采空区瓦斯规律探究

闫国锋

采空区瓦斯涌出量，在一般的回采工作面瓦斯涌出构成中占有最大的比例。特别是随着采煤工艺的进步，众多的大型矿井多采用综采方式、长壁布置，采煤量大，工作面顺槽较长，因此工作面瓦斯涌出量较大，采空区也较长。而采用U 型通风加上工作面下隅角端头封堵不及时就不可避免的导致工作面相当大的一部分风量漏入采空区，使得回风巷的上隅角瓦斯涌出得不到有效稀释并随时有超限的危险。研究采空区瓦斯浓度分布和高浓度区域，对确定瓦斯抽放参数十分重要，它直接影响瓦斯抽放量、抽放浓度等参数。所以，采空区瓦斯涌出规律的研究，对有效地提高抽放效果，消除或减轻工作面瓦斯威胁，提高工作面安全水平，有效地利用瓦斯资源具有重大意义。

一、采空区瓦斯浓度分布的一般规律

黄陵矿区一号煤矿位于陕西省黄陵县店头镇，为高瓦斯矿井。含煤地层为下侏罗系延安组，共含煤5层。2号煤层为主要可采煤层，厚度0～5.65m，平均厚度2.02m，倾角3°～5°， 煤层构造由简单到较复杂。矿井采用综合机械化开采，长壁布置，采煤量大，工作面顺槽2700多米，全部垮落法管理顶板，工作面通风形式为“U型”，工作面正常配风量在1200㎡∕min左右。

1.在垂直于工作面的走向上。近工作面采空区由于漏风流流速大，受到的紊动作用大，浮煤吸出的瓦斯和邻近层涌入的瓦斯随漏风流经上隅角进入回风巷，瓦斯浓度较低；随距工作面距离的增大，采空区瓦斯受扰动作用减小，因而瓦斯浓度增高。在采空区深处，随时间的推移，瓦斯浓度会日趋平均。

2.在垂直方向。在垂直方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使采空区顶板附近的瓦斯浓度高于采空区底板附近的瓦斯浓度，并且这种分布特点适用于整个采空区。

3.在沿工作面方向。在沿工作面方向上，在漏风流影响到的区域，进风侧的瓦斯随风流向回风侧运移，导致回风侧瓦斯浓度的增大；在远离工作面，漏风流涉及不到的地方，这种回风侧比进风侧瓦斯浓度高的分布特点并不明显。

4.在邻近层瓦斯涌入量较小的采空区。在邻近层瓦斯涌入量较小的采空区，采空区瓦斯的分布以本煤层吸出瓦斯的分布特点为主。在涌入点形成瓦斯局部高浓度区，随距工作面距离的不断增大，局部高浓度瓦斯扩散而趋于符合上面的规律。

5.在有大量邻近层瓦斯涌入的采空区。采空区瓦斯的分布以邻近层涌入瓦斯的分布特点为主，本煤层采空区析出的瓦斯是叠加在邻近层涌入瓦斯的分布之上。

6.其他。采煤工作面的通风方式和漏风情况对采空区瓦斯运移分布有很大的影响，具体情况要视工作面实际情况而定。

二、采空区瓦斯规律研究的观测方法和测点布置

为研究采空区瓦斯浓度分布的一般规律和黄陵矿区一号煤矿采空区瓦斯浓度分布规律是否一致，考察其采空区瓦斯浓度分布规律的一般性和特殊性本次工作选取了304工作面和603工作面。

1.观测方法。本次采用采空区埋管定点取样实测法来分析采空区瓦斯浓度分布情况。测试管路系统具有以下功能：①能通过管路系统抽取各测点的气样并测定气样的瓦斯浓度。②相对工作面而言，随着工作面向前推进，各测点不断地向采空区后方移动，从而能测定出到工作面不同距离的瓦斯浓度，能测出采空区瓦斯浓度分布状况。

2.埋管定点取样实测法的布置方案。根据试验目的和采空区的岩石冒落特点以及工作面巷道支护情况，304工作面布置的测试管路系统见图1-1所示。

（1）预先从305进风巷2米高度打一Φ75mm钻孔，穿越保护煤柱30m进入304回风巷。在304进风巷布置一趟测试管路，长103m，其测气室位置与上述钻孔在同一水平，在开始测试前预先布置好。

（2）測试管路由测管和保护管组成。测管采用Φ6mm的聚氯乙烯塑料管，为了使测管在采空区内不被砸坏，测管外面套上Φ20mm的高压无缝钢管（壁厚应不低于3mm）作为保护管。埋入采空区进气的部分可称为进气管，其加工方式如图1-2所示。

进气管长度为3m，一端闭死，另一端测管与保护管之间用玛丽散等材料填充；保护管外面打若干Φ6mm的花眼，作为进气孔，且用细铁纱网裹好，防止堵塞进气孔。

（3）随着工作面不断向前推进，观测点逐渐进入采空区，通过测管在集气站利用CHZ—I型气体自动负压式气泵取采空区的气样测定瓦斯浓度，考察距工作面不同距离的采空区瓦斯浓度及其变化规律。

（4）每天井下实测，并做好采空区距工作面距离、瓦斯浓度等记录。在603回风巷中从605进风巷靠603侧1米和2米高度各打一钻孔穿越保护煤柱30米，并在其中埋管，管路与304回风巷一致。603进风巷无埋管。

三、黄陵矿区一号煤矿采空区瓦斯浓度分布规律

通过对304工作面和603工作面的瓦斯浓度实测数据分析，发现其采空区具有如下规律：

1.沿采空区深处方向，瓦斯浓度变化规律。从工作面到采空区深处方向30m 左右，瓦斯浓度连续增大，在27m处瓦斯浓度达到最大值，是工作面上隅角瓦斯浓度的20倍左右。形成这一结果有以下两个原因：① 在距工作面10～50m 左右的采空区正是卸压区，瓦斯压力变化大，解吸速度快，向采空区涌出的瓦斯量大，这就构成了采空区内距工作面30m左右处的瓦斯浓度达到峰值的直接原因。② 靠近工作面附近采空区岩石初始冒落、岩块松散、空隙大、漏风流速度较大，且越靠近工作面，风速越大，因而对瓦斯的稀释、运移作用程度大，瓦斯浓度小，使这一区域存在较大的瓦斯浓度梯度。从距工作面30m 处向采空区深处方向，瓦斯浓度减小。其原因：随着与工作面的距离增大，周围瓦斯来源减小，由于采空区风流的稀释、运移作用，瓦斯浓度下降，并且逐渐趋于平稳。

随着继续向采空区深处方向发展，采空区瓦斯来源进一步减小，但采空区内风流速度逐渐减弱，因而对瓦斯的扩散、运移作用减弱，瓦斯浓度呈现了上升趋势。但这种趋势在304工作面并不十分明显，分析其原因应为304工作面的高位裂隙瓦斯抽放钻场布置在305进风巷，其装卸不会影响304工作面回采，所以在工作面推过一定时间后仍可使用并抽采瓦斯，因此瓦斯浓度没有出现明显上升。但是在603工作面中因为高位裂隙钻孔布置在603回风巷中随工作面推进钻场必须及时拆除，所以瓦斯浓度后来又出现了明显的上升。

2.沿工作面方向。本次工作原计划在304工作面的进风巷、回风巷和工作面中间各埋管路一趟。但是经考察工作面中间无法埋管，只在进风巷和回风巷埋管。埋管过程中在304进风巷因为工作面低鼓严重且影响皮带端头回退，管路只能捆扎在离底板1米高的锚杆上。可在随后的测气工作中发现管路被采空区冒落岩石砸死，无瓦斯抽出，埋管失败。考虑在以后的工作中可考虑埋设高压油管。工作中发现进风巷下隅角端头收做并不及时，时常有6米左右。这必然把大量风流引入采空区，进风侧的瓦斯浓度在一定距离范围内会低于回风侧。

3.在垂直方向。在603工作面中埋设的两趟管路离工作面底板分别为1米和2米。通过实测发现上孔管路瓦斯浓度明显高于下孔管路，普遍相差0.3%～0.5%，证明在采空区中瓦斯由于浮力的原因顶板处的瓦斯会明显高于底板处。

另外，在实测工作中还发现上午的瓦斯浓度会明显低于下午。这是因为上午为检修班组，并不进行生产。工作面在生产时涌出大量瓦斯随漏风流进入采空区，但是在测点离工作面30米后这种现象就逐渐减弱。

利用埋管定点取样法对采空区瓦斯浓度分布进行了实测，得到了采空区瓦斯浓度的分布规律：在沿工作面纵向方向上，其瓦斯浓度随工作面的推进逐渐增加，达到峰值后减小，然后又稍有增大；沿工作面高度方向上，上部瓦斯浓度高于下部，随工作面推进，这种浓度差基本不会变化。另外，验证了高位裂隙钻孔对降低采空区瓦斯有明显的作用，可对以后的采空区瓦斯管理提供依据。

（作者单位：黄陵矿业集团公司一号煤矿）