水平分段综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征

刘　军，孙秉成，黄中峰

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400030；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400030；3.神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830027)



水平分段综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征

刘军1，2，孙秉成3，黄中峰1，2

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400030；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400030；3.神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830027)

摘要：为了深化急倾斜特厚煤层水平分段综放工作面瓦斯灾害理论和技术，分析总结了工作面瓦斯涌出来源，实测了工作面瓦斯浓度分布，利用分源法与估算法对采空区瓦斯涌出量进行了计算，得到了瓦斯浓度沿工作面长度和垂直断面方向的分布规律。研究表明：工作面瓦斯浓度沿风流方向逐渐增大，沿工作面走向断面分布不均，受采空区瓦斯涌出、瓦斯抽采及通风影响，采空区侧的瓦斯浓度高于煤壁侧，考虑瓦斯抽采影响，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的85.08%。因此，建议工作面在开采过程中，采用采空区、邻近层抽采及下部煤体卸压拦截抽采的综合措施防治瓦斯灾害。

关键词：水平分段；综放工作面；瓦斯涌出；瓦斯分布

瓦斯灾害是影响煤矿企业高产、高效的主要灾害之一[1]。尽管近些年我国煤矿瓦斯灾害治理技术取得显著进步，但瓦斯灾害仍是煤炭企业需解决的重大难题。瓦斯抽采是有效解决瓦斯灾害的重要措施，而瓦斯涌出来源、瓦斯涌出、分布规律则是进行瓦斯抽采设计的主要依据，是瓦斯灾害“治本”工作的重要基础[2]。由于国内大部分急倾斜特厚煤层开采矿井以前开采深度较浅，矿井瓦斯涌出量相对较小，随着开采深度的增加，瓦斯灾害正逐渐成为影响我国急倾斜特厚煤层开采矿井安全、高效生产的重要影响因素。目前，国内对急倾斜特厚煤层水平分段工作面瓦斯灾害治理基础理论及技术的相关研究相对缺少，直接制约了该类开采矿井的瓦斯灾害治理工作的开展。煤层群开采工作面瓦斯涌出分为开采层和邻近层(包括围岩)瓦斯涌出，开采层瓦斯涌出包括工作面落煤和煤壁涌出。然而针对急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面，由于煤层赋存和工作面布置方式的特殊性，其瓦斯涌出规律以及瓦斯涌出来源与一般工作面有所区别。目前，对近水平、缓倾斜开采工作面[3-4]瓦斯涌出分布规律研究较多，但对水平分段开采工作面瓦斯分布研究尚未见到相关报道。为了更加合理、有效治理该类工作面瓦斯灾害，做到有的放矢，需对该类工作面进行瓦斯来源以及瓦斯涌出分布构成分析，为该类工作面的综合措施治理瓦斯灾害提供科学依据。

1工作面概况

乌东煤矿位于乌鲁木齐东北部，矿井主采43#、45#煤层，均为易自燃煤层，煤层平均厚度分别为27.06m和19.7m，煤层倾角43～51°，平均45°。主采层与邻近层情况见表1。

表1　主采层和邻近层情况

+575m水平45#西综采工作面埋深约200m，工作面水平布置，平均长度30.6m，阶段高度为25m，回采长度1124m。工作面上部位已回采工作面采空区，下部为实体煤，两侧为煤层顶底板，煤层顶、底板分别为泥钙质胶结的粉砂岩和泥质粉砂岩。工作面采用水平分段走向长壁综采放顶煤开采，采3.5m，放21.5m，采煤机截深0.8m，放煤步距1.6m，采用全部垮落法管理顶板和U型抽出式通风，煤层瓦斯含量为5.21m3/t。回采之前已布置顺层长钻孔对工作面煤体进行预抽，预抽后残余瓦斯含量最大值为4.66m3/t，平均为2.78m3/t。回采过程中采取顶板走向高位钻孔和采空区埋管抽采措施进行工作面瓦斯治理。

2水平分层综放面瓦斯涌出来源分析

根据急倾斜特厚煤层水平分段工作面布置方式及回采工艺特点，工作面瓦斯涌出来源可归结为以下几方面。

1)开采分段煤壁瓦斯涌出。开采分段煤壁包括切割煤壁、顶、底部暴露煤体。随着工作面不断推进，其开采分段新鲜煤壁不断暴露，新暴露煤壁的吸附瓦斯快速解吸对游离瓦斯进行补充和原有煤体中游离瓦斯源源不断涌向工作面。同时，受煤层采动影响，开采分层回采工作面前方形成“横三区”[5]。在应力降低区，煤体受到采动应力作用发生破坏，产生大量采动裂隙，在工作面通风负压与煤体瓦斯压力的压差的作用下，区内瓦斯经孔、裂隙涌向工作面。

2)落煤瓦斯涌出。在工作面生产过程中，割煤机的外力作用使煤体产生破坏，破坏后的煤体暴露的表面积成倍增加，割落煤体在未运输出工作面之前，煤体中含有游离瓦斯将涌向工作面，煤体中的吸附瓦斯也会迅速解吸产生游离瓦斯涌向工作面。

3)顶煤瓦斯涌出。研究表明急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面回采后会形成“跨层拱”结构[6-7]，该结构不利于顶煤垮落，会降低工作面回采率，常对顶煤进行超前松动爆破措施。超前预后，工作面上覆煤体产生大量的人造裂隙，受放煤和工作面负压影响，赋含在上部煤体中的瓦斯会经裂隙和支架间隙涌向工作面。

4)邻近层瓦斯涌出。受工作面开采影响，在工作面上方仍会形成“竖三带”，而煤层底板产生膨胀变形，形成采动煤岩裂隙，邻近层中的高压瓦斯会经采动形成的优势瓦斯通道流入采掘空间[8]。

5)下部卸压瓦斯涌出。由于分段开采，工作面空间应力突然释放，致使开采分段下部一定范围的煤层受采动影响，煤体应力状态由受压转为受拉，产生膨胀变形，形成离层裂隙和竖向裂隙，为下部高压瓦斯涌向工作面提供流动通道，从而使下部煤体瓦斯一部分涌向工作面，另外大部分涌向采空区[9]，通过采空区进入工作面。

6)采空区瓦斯涌出。由于综放开采，且采放比较大，工作面回采率与常用的综合机械化采煤方法相比较低。采空区存在大量的遗煤，遗煤中的吸附瓦斯会解吸形成游离瓦斯，加上原有的游离瓦斯在通风负压作用下，通过架间和回风隅角涌向工作面，造成架间和回风隅角处瓦斯积聚。

7)老空区瓦斯涌出。工作面上部为已封闭的回采工作面采空区，封闭采空区中积聚瓦斯在工作面开采和通风负压影响下涌向回采工作面[10]。

通过对急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面瓦斯涌出源的分析发现开采分段遗煤、下部卸压煤体以及邻近层、围岩瓦斯会造成采空区大量瓦斯积聚。因此，该类工作面应该在煤层预抽的基础上，进行采取采空区、邻近层以及对下部煤体卸压瓦斯拦截抽采措施。

3工作面瓦斯涌出分布及构成

3.1工作面瓦斯涌出测定

单元法是测定工作面瓦斯涌出分布的常用方法[11-13]，根据单元法原理和测定步骤对工作面瓦斯分布进行现场测定。测定过程共计布置5个测站，其中回采工作面布置了3个测站，进风巷和回风巷各布置1个测站，测站布置如图1所示，工作面上每一个测站在沿工作面走向断面上布置4个测点，如图2所示。

测定每个断面的瓦斯浓度C1、C2、C3、C4和进出单元断面的进出风量Qin、Qout。每天检修班测定工作面瓦斯分布，连续测定3个检修班，每班测定3次。最后根据实测值计算各测点的平均瓦斯浓度和平均风量，实测记录见表2。

3.2沿工作面长度方向瓦斯浓度分布

工作面水平方向瓦斯分布见图3。工作面共计15副支架，从北巷至南巷依次从1～15编号，北巷为回风巷，南巷为进风巷。根据现场实测数据得到工作面瓦斯浓度沿工作面风流方向分布规律：整体上距回风巷距离越小，瓦斯浓度越大；煤壁、前溜及人行道测点测得瓦斯浓度均随距离进风巷距离增大而近似均匀增大，而支架尾部瓦斯浓度在工作面中部到上隅角的范围显著增大，特别是在靠近上隅角5m左右的范围迅速增大(上隅角瓦斯浓度在0.3%左右)。分析原因发现由于工作面长度较小且采用U型通风，在距离进风巷较短的范围内瓦斯并不会聚集，瓦斯浓度变化并不明显；而受综放开采方法限制，采空区存在大量遗煤，在压差作用下采空区瓦斯大量涌向上隅角附近区域(尚未采取措施时，上隅角最大瓦斯浓度可达0.8%左右)。

图1　测站布置图

图2　测点布置图

测站编号测点瓦斯浓度/%支架尾部人行道前溜煤壁风速/(m/s)断面/m2风量/(m3/min)1进风巷0.051.3011.10865.800213架0.060.050.050.061.0812.92837.21638架0.080.060.050.071.0312.92797.68042架0.130.070.060.061.0212.92790.7045回风巷0.141.2013.00803.400

图3　工作面水平方向瓦斯分布

3.3工作面沿煤层走向断面瓦斯浓度分布规律

工作面不同测站断面上瓦斯浓度分布如图4所示，从图4中可以看出沿着煤层走向断面上瓦斯浓度呈现抛物线(类似马鞍形)分布，即工作面煤壁侧和采空区侧的瓦斯浓度较大，而工作面中部对应的瓦斯浓度较小，前溜上方处的瓦斯浓度最小。在靠近进风侧，煤壁的瓦斯浓度与支架尾部的瓦斯基本一致，而在中部瓦斯浓度较小，说明采空区瓦斯涌出量占有相当量；在工作面中部断面上煤壁至前溜瓦斯浓度减小明显，而支架尾部瓦斯浓度大于煤壁瓦斯浓度，由此说明不仅煤壁、工作面顶、底煤瓦斯涌出，采空区瓦斯同样也在涌向工作面空间；而在工作面靠近回风巷侧区域，支架尾部瓦斯浓度明显大于其他测站的同一位置，说明采空区瓦斯大量涌向隅角附近区域。

3.4采空区涌出量

从工作面瓦斯分布测定结果发现采空区瓦斯涌出较大，有必要进一步对采空区瓦斯涌出进行量化分析。因采空区无法深入且瓦斯涌出复杂，现场无法直接测量其瓦斯涌出量，因此，常采用间接法分析瓦斯涌出。采空区瓦斯涌出量计算一般有分源计算法、用老顶跨落前后回风瓦斯涌出量的变化来估算、作图法估算法和当采空区抽放量较大条件下的涌出量估算方法[14]。受急倾斜煤层开采结构影响，老顶的初次来压并不容易判定[15]，所以不选用老顶垮落前后的瓦斯涌出量的变化来估算采空区瓦斯涌出量，而是采用分源计算法和采空区瓦斯抽采较大情况的估算方法进行工作面采空区涌出量分析。

1)分源法计算采空区瓦斯涌出比例。利用瓦斯、风量平衡方程，计算每个单元的漏风量、瓦斯涌出量。图5为计算示意图。

图4　工作面断面瓦斯浓度分布

图5　瓦斯和风量平衡计算示意图

计算单元采空区漏风量、瓦斯涌出量及工作面煤壁及采落煤炭的瓦斯涌出量，计算式见式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：Qin为流入单元的风量，m3/min；Qout为流入和流出单元的风量，m3/min；Q1为从采空区流入(出)本单元的漏风量，m3/min；qgoaf为是从采空区涌入本单元的瓦斯量，m3/min；qface为本单元内煤壁、顶、底部煤层瓦斯涌出量，m3/min；C1为漏风流中的瓦斯浓度，%；Cin、Cout分别为流进和流出单元风流中的瓦斯浓度，%。

对表2数据进行处理得到：在不考虑抽采措施情况下，采空区涌出量为0.05m3/min，煤壁(包含顶、底)及落煤瓦斯涌出量为0.66m3/min。即：在不考虑采空区抽采的情况下，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的7.02%，煤壁及落煤的瓦斯涌出占工作面瓦斯涌出总量的92.98%。实际上，工作面采取了抽采措施，根据测定日期对抽采数据监测得到高位钻孔抽采和采空区埋管抽采的抽采量分别为1.60m3/min和6.60m3/min，若考虑采空区抽采对瓦斯涌出量的影响，将采空区抽采量计入瓦斯涌出量中，则采空区瓦斯涌出量为8.25m3/min，整个工作面瓦斯涌出量为8.91m3/min。可得到采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的92.59%，来自煤壁以及工作面顶、底煤层瓦斯占7.41%。

2)采空区瓦斯抽采量大的估算方法。研究表明当采空区抽采量较大时，可采用式(4)计算采空区瓦斯涌出量[15]。

(4)

式中：R为采空区瓦斯涌出量占工作面总涌出量的比例，%；Q1为采空区(含邻近层、下部煤体)瓦斯抽采量，m3/min；Q为工作面瓦斯涌出量(包括抽采量)，m3/min。

根据抽采数据和风排瓦斯量数据得到，采空区抽采量为8.20m3/min，风排瓦斯量为2.37m3/min，因此采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的77.58%。

综合两种方法，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出总量的77.58%～92.59%，二者均值为85.08%。由此说明，经历煤层预抽之后，高瓦斯急倾斜特厚煤层水平分段工作面瓦斯涌出主要是采空区瓦斯涌出(包括围岩)，在工作面回采过程中进行采空区抽采措施，邻近层、下部煤体抽采是瓦斯灾害治理的关键。但对于易自燃煤层采取采空区抽采和卸压瓦斯拦截抽采措施时，应加强对CO、C2H4、C2H6等标志气体的监测，做好防火工作，且尽量采用低负压抽采。

4结论

1)急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面瓦斯体积分数从进风巷至回风巷逐渐增大。

2)回采工作面沿煤层走向断面上，采空区和工作面煤壁瓦斯浓度较大，而断面中部瓦斯浓度较小。

3)在靠近进风侧，煤壁瓦斯浓度与采空区瓦斯浓度基本一致，而在靠近回风侧，采空区瓦斯浓度远大于其他测点瓦斯浓度，说明采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量较大比例。

4)采空区瓦斯涌出占整个工作面瓦斯涌出的85%左右。采空区瓦斯灾害治理应该看作为预抽后瓦斯灾害治理重点，应有效采取采空区瓦斯抽采及下部煤体卸压瓦斯拦截抽采措施。

参考文献

[1]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2]周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

[3]赵长春，屈庆栋，许家林，等.超长综放面瓦斯涌出特征及其影响因素[J].采矿与安全工程学报，2007，24(3)：334-337.

[4]Zhao Chang-chun，Qu Qing-dong，Xu Jia-lin，et al.Characteristics of gas emission and its in fluential factors of the super-length fully-Mechanized top-coal caving face[J].Journal of Mining & Safe ty Engineerin，2007，24(3)：334-337.

[5]杨茂林，薛友欣，姜耀东，等.离柳矿区综采工作面瓦斯涌出规律研究[J].煤炭学报，2009，34(10)：1349-1353.

[6]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社.1991.

[7]高召宁.石平五.急斜煤层开采老顶破断力学模型分析[J].矿山压力与顶板管理，2003(1)：81-84.

[8]鞠文君，李文洲.急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型[J].煤炭学报，2008，33(6)：606-608.

[9]刘洪永，程远平，周红星，等.综采长壁工作面推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制作用[J].煤炭学报，2015，40(4)：810-814.

[10]孟贤正，唐兵，夏永军，等.急倾斜特厚突出煤层水平分层开采自保护范围的研究[J].矿业安全与环保，2007，(34)：1-5.

[11]陈建强.杨贵儒.急倾斜煤层综放工作面瓦斯涌出治理[J].煤矿安全，2012(zk)：12-15.

[12]叶青，林柏泉.回采工作面瓦斯涌出规律研究[J].中国矿业，2006，15(5)：38-41.

[13]范满长，杨胜强，王国臣，等.综采面瓦斯来源与浓度分布单元法测定及分析[J].煤炭科学技术，2004，32(3)：23-26.

[14]陈开岩，张占国，林柏泉，等.综放工作面抽放条件下瓦斯涌出及分布特征[J]，采矿与安全工程学报，2009，26(4)：418-422.

[15]张兴华.测算综采面采空区瓦斯涌出量的几种方法[J]，煤矿安全，2004，35(4)：42-44.

[16]鞠文君，李前，魏东，等.急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征[J].煤炭学报，2006，31(5)：558-561.

收稿日期：2015-11-06

基金项目：神华集团科技创新项目资助(编号：SHJT-15-09)

作者简介：刘军(1988-)，男，硕士，2013年毕业于煤炭科学研究总院重庆分院，主要从事瓦斯动力灾害防治技术研究。E-mail：liujunhebei2006@126.com。

中图分类号：TD712

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)07-0097-05

Study on the gas emission and distribution at the horizontal stratification fully mechanized working face

LIU Jun1，2，SUN Bing-cheng3，HUANG Zhong-feng1，2

(1.Chongqing Research Institute，China Coal Technology Engineering Group,Chongqing 400030，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting & Controlling or Emergency Technology，Chongqing 400030，China；3.Wudong Coal Mine,Shenhua Xinjiang Energy Co.,Ltd,Urumqi 830027，China)

Abstract:In order to further study the theory and technology of gas disaster at the horizontal section of steeply inclined thick coal seam，analyzing and making summary of the working surface gas gushing source，calculating gas concentration distribution at the working surface，measuring the gas emission quantity at mined out area by the method of source and estimation，obtaining the gas concentration distribution law along the length of the working surface and the direction of the vertical section.The research shows that the gas concentration at the working face increases gradually along the airflow direction，uneven distribution along the working surface vertical section，the gas concentration at the mined out area higher than coal wall with the effect of mined out gas emission，gas drainage and airflow.Considering the effect of gas drainage，The amount of gas emission in the mined out area accounts for 85.08% of the gas emission at the working face.Therefore，comprehensive measures are suggested to prevent gas disasters by the mining method of the mine out area and adjacent layer or lower coal pressure reduction during mining process.

Key words：horizontal stratification；fully mechanized working face；gas emission；gas distribution