安阳地区综放工作面瓦斯涌出及流动规律分析

尹大州 王振宇

摘要：综放工作面瓦斯涌出及流动规律研究结合综放工作面的作业情况，对工作面、采空区的瓦斯涌出及流动规律进行了比较详细的分析，为综放工作面上隅角和采空区瓦斯抽放提供了科学的理论基础，对提高采空区和上隅角瓦斯抽采效果起到了很好的促进作用，具有极好的推广前景和应用价值。

关键词：瓦斯涌出；综放工作面；流动规律；游离瓦斯；吸附瓦斯

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0098-02

1 概述

综采放顶煤工作面的瓦斯主要来源于工作面顶煤。综采放顶煤工作面的顶煤厚度往往是工作面采煤机割煤厚度的2倍以上，加之工作面上下顺槽的预抽钻孔主要布置在煤层的中底部，使综放工作面的顶煤成为瓦斯的主要赋存源。综采放顶煤工作面存在两个地应力的卸压区：煤壁前方0～5m、工作面支架上方。在卸压区内，煤层的层状裂隙得到了扩张，煤层吸附瓦斯解吸后，沿层状裂隙向工作面采空区运移，然后从采空区通过放煤口以及工作面的上隅角涌向工作面，造成工作面瓦斯超限。

2 可行性研究

综放工作面采空区治理是制约工作面安全、高效回采的关键因素，综放工作面瓦斯涌出及流动规律研究是对综放工作面瓦斯涌出的途径、采空区的瓦斯赋存状态和涌出规律进行比较详细的分析，为更加科学地制定采空区瓦斯抽放措施提供了理论基础。

3 项目研究的主要内容

3.1 综放工作面瓦斯涌出的途径

瓦斯在煤层中的赋存状态有两种：一种是游离状态，另一种是吸附状态。瓦斯含量中绝大多数为吸附瓦斯量，吸附的瓦斯量约占煤层瓦斯含量的80%～90%。综放工作面的瓦斯涌出形式属于普通涌出，即瓦斯从采落的煤炭及煤层的暴露面上，通过细小的孔隙缓慢而长时间地涌出，首先是游离瓦斯，而后是部分解吸的吸附瓦斯。

沿工作面推进方向，顶煤裂隙发育和破坏程度可分为4个破坏区，自煤壁前方至采空区方向依次为完整区、破坏发展区、裂隙发育区和垮落破碎区。综放工作面瓦斯涌出的途径有以下4种：

3.1.1 工作面采落煤炭。工作面采落的煤炭在落煤时瓦斯涌出速度最大，然后涌出速度逐渐减小，除了煤体内残存瓦斯量以外，煤体内绝大多数瓦斯涌入了工作面空间或工作面风流中去。

3.1.2 工作面煤壁。工作面煤壁前方煤体内的瓦斯在煤体内瓦斯压力的作用下，向工作面煤壁运移，然后自工作面煤壁缓慢涌出，这种涌出可以视为瓦斯单向均匀涌出。

3.1.3 顶部煤炭瓦斯涌向工作面空间。顶部煤炭瓦斯涌向综放工作面空间有两个途径：一个是支架卸压及支架上方煤体水平位造成的支架前端顶煤与煤壁之间的裂隙，一个是支架上方煤体在工作面空间的裸露面积。由于综放工作面支架的支撑强度比较富裕，工作面推进速度较快，以及在实际生产中，支架不断补液，支架前端顶煤与煤壁之间的裂隙并不十分发育。由于综放工作面支架几乎全部掩护顶部煤体，支架上方煤体在工作面空间的裸露面积很小。因此，顶部煤炭瓦斯涌向工作面空间的瓦斯量较小。

3.1.4 顶部煤炭瓦斯涌向工作面采空区空间。沿工作面推进方向，自煤壁前方到综放支架顶煤，受采动影响，煤体的地应力依次可分为原岩应力区、应力集中区、卸压区；而在卸压区内，顶煤裂隙发育和破坏程度可分为破坏发展区、裂隙发育区和垮落破碎区；即在煤壁前方的卸压区内，煤体开始出现破坏，裂隙开始发育，而在支架上方，由于支架移架等反复在作用，煤体的裂隙进一步发育，直到进入放煤区，煤体得到充分的破坏。因此，自煤壁前方到综放支架顶煤放煤区，煤体瓦斯涌出、吸附瓦斯解吸的速度在逐渐加快，煤体内瓦斯运移的阻碍在减小，透气性在增加。所以，加强对顶部煤体涌向采空区的瓦斯的抽采和治理，是治理综放工作面瓦斯的关键环节。

3.2 综放工作面采空区的瓦斯流动

顶部煤体瓦斯通过顶煤裂隙涌向工作面采空区，然后向采空区上部漂移。由于综放工作面开采工艺的特点，使综放工作面比同采高分层开采工作面的直接顶厚度厚、冒落带高度高，也造成裂隙带的层位较高。同时由于顶煤的滞后放出，当直接顶厚度较大时，易在上位直接顶中形成某种“半拱”式结构。因此，综放工作面采空区瓦斯积聚的位置较同采高分层采工作面高，所以，综放工作面采空区瓦斯的流动受工作面风流流动的影响较小，随风流带到工作面空间的瓦斯量较小。综放工作面采空区瓦斯主要受工作面上、下安全出口的负压差的作用，在采空区上部沿切顶线附近向上顺槽方向漂移，并从工作面上隅角涌出，因此，综放工作面采空区瓦斯涌向工作面空间的范围较小、较集中。

3.3 综放工作面采空区内瓦斯的赋存形态

在顶板垮落法管理顶板的工作面采空区，上覆盖层自下向上一次分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。

对于综放工作面采空区而言，由于综放工作面实际采高很高，冒落带高度增加，裂隙带上移，也就造成了上部岩层“应力拱”位置上移。而综放工作面的斜长一般都在150m以上，加上上覆盖岩层移动的垮落角的因素，很难在上下区段煤体之间的采空区形成永久的应力拱，而是随着上覆盖岩层的移动，在采空区中部形成一个“重新压实区”，随着综放工作面的不断回采，采空区的范围不断增加，重新压实区也不断地向工作面推采方向扩大。重新压实区在采空区呈条带分布。

在工作面切眼到中心压实区之间，由于上覆盖岩层仍在活动中，顶板裂隙发育，在这个区域内地应力属于减压区范围；在上下相邻区段煤体与采空区重新压实区之间，由于相邻区段煤体的支撑作用，使相邻区段煤体与重新压实区之间的上覆盖岩层形成应力拱，在这一区域内，顶板裂隙大量存在，成为工作面采空区瓦斯大量积聚的地区。这两个减压区环绕着重新压实区的周围，被学术界称为瓦斯富集的O形圈。

在O形圈内，由于上覆盖岩层存在大量的裂隙或者空隙，积聚着大量的高浓度瓦斯，在这个区域内，瓦斯的流动性较好，抽放这一区域内的瓦斯，效果好、影响范围大。淮南矿区的研究和实践证明，相邻区段煤体到重新压实区的瓦斯富集区的宽度，一般为20～30m。

4 现场应用效果

基于上述理论分析，在主焦煤矿22101工作面下顺槽设计了相邻高位钻场，取得了良好效果。单孔平均流量为0.482m3/min，工作面回采期间上隅角的瓦斯浓度均在0.7%以下，均没有出现瓦斯超限的情况。

5 取得的经济及安全效益

（1）本课题对综放工作面瓦斯涌出的途径、采空区的瓦斯赋存状态和涌出规律进行了比较详细的分析，为更加科学地制定采空区瓦斯抽放措施提供了理论基础。

（2）结合综放工作面瓦斯涌出和流动规律，在主焦煤矿22101工作面下顺槽设计了相邻高位钻场，单孔平均流量为0.482m3/min，工作面回采期间上隅角的瓦斯浓度均在0.7%以下，均没有出现瓦斯超限的情况。

作者简介：尹大州（1987—），男，河南夏邑人，供职于安阳鑫龙煤业（集团）有限责任公司，研究方向：矿井通风安全；王振宇（1985—），男，河南永城人，安阳鑫龙煤业（集团）有限责任公司助理工程师，研究方向：科技创新管理。

（责任编辑：吴 涛）