高强度开采工作面瓦斯涌出规律及防治技术研究＊

赵 帅 付茂政 代华明

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.中国矿业大学艺术与设计学院，江苏省徐州市，221116）

高强度开采工作面瓦斯涌出规律及防治技术研究＊

赵 帅1，2付茂政3代华明1，2

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.中国矿业大学艺术与设计学院，江苏省徐州市，221116）

为探明塔山煤矿山4＃煤层8101工作面的瓦斯来源及涌出规律，以解决该工作面自开采以来出现的瓦斯频繁超限情况，经测定，该工作面绝对瓦斯涌出总量约为7.6872 m3／min，其中，煤壁及割落煤涌出瓦斯量最大为7.0137m3／min，约占工作面绝对瓦斯涌出总量的90%，且位于50＃～105＃支架之内的瓦斯涌出量最大，应着重治理。针对该情况，预采用工作面煤壁“浅孔快速、高效、强化抽采卸压瓦斯”技术。

单元法 瓦斯来源 瓦斯涌出量 瓦斯抽采

塔山煤矿8101工作面为综采高强度工作面，平均日产量为6243.3t，位于山4＃煤层盘曲巷道东部、东翼盘曲巷的南部，为山4＃煤层的首采工作面。该工作面自2011年7月21日开始生产，目前已推进348m。工作面开采初期，瓦斯涌出量较小，但自2011年9月15号工作面推进至175m时，工作面开始出现瓦斯超限，9月15日、16日和17日，工作面回风瓦斯均出现瓦斯超限报警现象，最大浓度1.2%，随后开采中工作面回风瓦斯浓度有明显的增加，平均保持在0.4%左右。塔山矿先后对工作面瓦斯超限进行了统计分析，发现割煤速度、煤层硅化煤条带的存在、邻近层瓦斯的涌出等对工作面瓦斯超限有直接影响，但其根本原因尚未查清。在前期治理中先后采取了增大工作面风量、降低割煤速度以及采空区头尾封堵等措施，收效甚微且严重影响生产进度，并未从根本上解决超限的难题。本文的主要目地是为探明山4＃煤层8101工作面瓦斯的来源及涌出规律，为后期瓦斯治理提供理论基础及指导。

1 单元法工作面瓦斯涌出量及其分布规律实际测定

回风瓦斯浓度监测数据见图1。从图1来看，瓦斯超限（0.5%）发生频率极高，严重影响煤矿安全生产，因此，瓦斯治理势在必。

1.1 单元法测定工作面瓦斯涌出的原理

将工作面分成若干个单元，测定每个单元的瓦斯涌出量大小和进出断面瓦斯浓度，然后进行累加合成分析，可得出整个工作面的不同瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小和工作面的瓦斯浓度分布，这种方法称为瓦斯单元测定法。

图1 回风瓦斯浓度监测数据

由于山4＃煤层8101综采工作面较长（228 m），本次测试将工作面划分为13个单元。单元划分情况见图2，采煤工作面测点布置见图3。每个单元断面按图3所示的位置布置测点，分布测定每个断面的瓦斯浓度C1、C2、C3、C4（也可在断面布置3个测点）和进出单元断面的进出风量Qin、Qout。

图2 单元划分示意图

图4为瓦斯平衡和风量平衡的计算示意图，根据每个单元所应遵循的瓦斯平衡方程、风量平衡方程：

式中：Qin、Qout——流入和流出单元的风量，m3／min；

Q1——从采空区流入本单元的漏风量，m3／min；

qgoaf——从采空区涌入本单元的瓦斯量，m3／min；

qface——本单元内煤壁、顶底板及采落煤炭的瓦斯涌出量，m3／min；

c1——漏风流中（支架尾部）的瓦斯浓度，%；

cout、cin——分别为流出和流入本单元风流中的瓦斯浓度，%。

可计算出每个单元中采空区的漏风量和采空区的瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭瓦斯涌出量。

图3 采煤工作面测点布置示意图

图4 瓦斯平衡和风量平衡计算示意图

1.2 单元法测定工作面瓦斯涌出源的步骤

（1）将每个工作面沿倾斜长度划分为13个单元、共计14个断面，使用目前常用的瓦检仪、风速表及米尺进行瓦斯浓度、风速及断面尺寸的测定。

（2）测定每个单元的进风量和出风量大小。

（3）测定每个单元进风断面和回风断面由煤壁至采空区各测点的瓦斯浓度。

（4）根据瓦斯平衡方程、风量平衡方程，计算每个单元的采空区漏风量、采空区瓦斯涌出量、煤壁及采落煤炭的瓦斯涌出量。

2 工作面单元法实测数据及处理结果分析

山4＃煤层三盘区8101工作面为两巷布置，见图5。2101巷为带式输送机巷道、5101巷为辅助运输巷道。分别测定每个单元中的特定尺寸（见图3），其中，煤厚H变化幅度在2.9～3.1m，煤壁到挡板的距离L1为2.7m，挡板到支架尾部的距离L2为1.7m，根据所测的断面特征尺寸，求出每个单元的断面面积。按图3所示，测定每个单元4个测点的风速及风流中的瓦斯浓度，最后将所得数据带入公式，得出瓦斯涌出规律。

连续测定2个循环（即采煤班、检修班各测两次），然后根据实际所测数据，分析工作面瓦斯的涌出规律。

2.1 工作面倾向方向瓦斯浓度分布规律

根据现场实测数据（测点2），得到沿工作面倾斜方向的瓦斯浓度分布，见图6。实测结果表明，工作面瓦斯浓度从进风侧至回风侧逐渐增大。其中从40＃～105＃支架位置的风流瓦斯浓度迅速增加，表明该范围内存在较大的瓦斯涌出源；105＃支架至回风上隅角范围内瓦斯浓度有所减低，表明采空区向工作面的漏风对来流瓦斯有所稀释（实测表明上隅角瓦斯浓度一直较低，大约在0.13%～0.16%之间）。

图6 8101工作面倾向方向瓦斯浓度分布（测点2）

2.2 煤壁瓦斯浓度沿工作面倾向的分布规律

实测数据（测点1）所得到煤壁瓦斯浓度沿工作面倾斜方向的分布规律见图7。实测结果表明，工作面煤壁瓦斯浓度从进风侧至回风侧的范围内存在两个显著的峰值，分别为45＃～75＃支架间的1号峰以及85＃～110＃支架间的2号峰，其中以2号峰的强度最大。表明煤壁瓦斯涌出强度在工作面倾向方向上存在两个较强的涌出源，在45＃～75＃支架的范围和85＃～110＃支架的范围内。此结果与工作面风流瓦斯浓度的变化规律对应完好，表明测试规律基本准确。

图7 煤壁瓦斯浓度沿倾向的分布规律（测点1）

2.3 支架尾部及底板瓦斯浓度沿工作面倾向的变化规律

支架尾部瓦斯浓度沿工作面倾向的分布规律见图8，底板处瓦斯浓度沿工作面倾向的分布规律见图9。从图8、图9可知，采空区涌出瓦斯浓度以及靠近底板处瓦斯浓度均较低，其中底板涌出气体在靠近回风侧稍有增加，其峰值浓度不超过0.18%。该结果表明：由于山4＃煤层8101工作面为沿煤层顶底板进行开采，采空区遗煤少，瓦斯释放量较低；工作面不存在上下临近层瓦斯的涌出或者说邻近层瓦斯的涌出基本可以忽略。

图8 支架尾部瓦斯浓度沿工作面倾向的分布规律（测点3）

2.4 煤壁及落煤瓦斯涌出量沿工作面倾向的变化规律

从图6、图7、图8、图9的分析结果来看，工作面的瓦斯涌出主要为煤壁及割落煤所释放的瓦斯，综合各测试单元内的瓦斯平衡、风量平衡可得煤壁及落煤所造成的绝对瓦斯涌出量以及其沿工作面倾向方向上的分布规律，见图10。从结果可知，检修期间瓦斯的总涌出量为5.6192m3／min，其中煤壁及机道内由煤壁垮落的遗煤所涌出瓦斯总量约为4.4013m3／min，对应回风风量3046m3／min，回风瓦斯浓度0.19%，煤壁瓦斯涌出占78%。两个采煤班测试期间，日平均煤炭产量约为4998t／d，两次测试中最大绝对瓦斯涌出总量约为7.6872 m3／min，对应回风风量3291m3／min，回风瓦斯浓度0.24%，煤壁及割落煤涌出瓦斯量最大7.0137m3／min，约占工作面绝对瓦斯涌出总量的90%左右。由此可知，对于山4＃煤层8101工作面来讲，煤壁及落煤瓦斯释放是工作面瓦斯涌出的主要源头。

图9 底板处瓦斯浓度沿工作面倾向的分布规律（测点4）

此外，由涌出量沿工作面倾向的分布规律可知，采煤期间，煤壁及割落煤瓦斯涌出量较大的位置在50＃～105＃支架之间，且两次测试结果基本类同。因此，煤壁及落煤瓦斯涌出治理的关键在50＃～105＃支架的位置。

图10 煤壁及落煤瓦斯涌出量沿工作面倾向的分布规律

3 工作面瓦斯涌出量统计分析

8101工作面风量、风排瓦斯实时监测浓度、风排瓦斯量、工作面瓦斯涌出总量及工作面月平均日产量等相关数据的分析见图11和图12，自工作面回采至今，相对瓦斯涌出量有所增加，回采200m之前相对瓦斯涌出量平均约为1.7680m3／t，从200m处回采至今平相对瓦斯涌出量平均约为2.7106m3／t，总体可得8101工作面相对瓦斯涌出量平均约为2.2393m3／t。

工作面绝对瓦斯涌出量随工作面日产量的变化情况见图13，随着工作面回采日产量的增加，工作面绝对瓦斯涌出量呈现增加的趋势。两个采煤班实际测试期间，日平均产量约为4998t／d，两次测试中最大绝对瓦斯涌出总量约为7.6872m3／min，对应回风风量3291m3／min，进风量2934m3／min，回风瓦斯浓度0.24%。在工作面产量达到设计产量6243.3t／d的情况时，绝对瓦斯涌出量由原有数据推算将达到10.2301m3／min。

4 工作面煤壁“浅孔快速、高效、强化抽采卸压瓦斯”技术

针对塔山煤矿8101工作面瓦斯涌出规律，预采取“浅孔快速、高效、强化抽采卸压瓦斯”技术。并着重治理50＃～105＃支架之间的瓦斯。

4.1 技术原理

在集中应力的作用下，工作面前方煤层出现扩容膨胀现象，煤层透气性显著提高，为瓦斯流动提供了有利通道，同时在集中应力峰后区，煤层整体变为塑性状态，钻孔周围的极限塑性区范围急剧扩大，这为动压区抽放瓦斯提供了有利条件。在工作面附近施工抽放钻孔时，在抽放负压的作用下，煤层瓦斯的流向发生了变化，不同状态时煤层瓦斯的流动状态见图14，由向煤壁的平行流动转变为向钻孔的径向流动，从而减少了工作面的瓦斯涌出量。

图14 不同状态时煤层瓦斯的流动状态

4.2 钻孔布置参数和抽放参数

钻孔布置参数和抽放参数包括钻孔深度、抽放影响半径、抽放时间、钻孔直径、钻孔抽放负压、钻孔布置方式、钻孔流量变化规律等需根据现场实际情况合理布置。

一般钻孔深度要求进入工作面前方的塑性极限应力区；增大钻孔直径可以提高钻孔抽放量，但钻孔直径越大，越不利于钻孔施工。同时，由于工作面浅孔动压抽放钻孔要穿过工作面前方的卸压区，进入塑性极限应力区，所以钻孔直径不宜超过100mm，一般建议钻孔直径为75～100mm较为合适。

图15 综采工作面卸压区浅孔抽采示意图

本技术实施需充分、有效利用检修班的时间进行工作面煤壁瓦斯的高效、强化抽采。

5 结论

8101工作面相对瓦斯涌出量约为2.2393m3／t，日平均产量约为4998t／d时，工作面绝对瓦斯涌出总量约为7.6872m3／min，其中煤壁及割落煤涌出瓦斯量最大7.0137m3／min，约占工作面绝对瓦斯涌出总量的90%；煤壁瓦斯涌出量在工作面倾向方向上的分布以50＃～105＃支架间的范围为最大，应当着重治理。

［1］ 林柏泉等.矿井瓦斯防治理论与技术［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010

［2］ 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

［3］ 邬剑明，闫凯等.不同孔隙应力下瓦斯吸附与解吸初速度研究［J］.中国煤炭，2010（4）

［4］ 彭海涛，刘怀连，王校友.高突工作面浅孔抽放技术应用与改进［J］.煤矿安全，2009（9）

Rules of gas gushing at high intensive mining face and its control technology

Zhao Shuai1，2，Fu Maozheng3，Dai Huaming1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.School of Arts and Design，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

The gas source and its gushing law at 8101mining face of No.4coal seam in Tashan Coalmine were verified to solve frequent gas exceeding limit after mining.It was found that the abstract gas emission was 7.6872m3／min，of which the maximum gas emission from the coal wall and the dropped coal was 7.0137m3／min，accounting for 90%of the abstract gas emission.Moreover，the maximum gas emission was in the region of No.50－105supports，which should be controlled as a key.In view of this，such technique as"rapid，high efficient and enhanced drainage via shallow borehole"should be adopted.

element method，methane source，gas emission，gas drainage

TD712.52

A

＊国家重点基础研究发展（973）计划（2011CB201205）；国家自然科学基金项目（51074161）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目（09KF09）

赵帅（1987－），男，山东滨州人，现为中国矿业大学在读硕士研究生，主要从事矿井瓦斯防治的研究工作。

（责任编辑 张艳华）