工作面采空区瓦斯分布及涌出规律

李 军

（山西汾西瑞泰正中煤业， 山西 灵石 031300）

1 工程概况

四采区位于井田的东中部，地表位于工业广场以北，井下东起F8断层与二采区相邻，西至八里铺东断层与六采区相接，北部为十四采区，南靠井底车场。采区东西宽1.0 ～1.2 km，南北长1.6 ～1.8 km。3下煤层全区发育，3下煤层在采区西北部冲刷无煤，无煤区东西宽约0 ～0.9 km，南北约0 ～1.1 km，近似三角形面积约为0.66 km2。其中43上03工作面位于四采区西部，3上辅助运输巷北侧，西临八里铺东断层，东临43下02工作面（未采），南至设计停采线，北至预测冲刷边界，下部为已回采的43下03综放工作面采空区。

43上03工作面埋深平均533 m。走向长980 m，倾斜长74 m。煤厚平均2 m，煤层倾角3°～5°，煤层顶板直接顶为2.8 m的泥岩及粉砂岩，老顶为8.5 m厚粉砂岩及粉细砂岩互层，无伪顶，直接底为0.51～3.0 m泥岩，老底为1.44～4.07 m的粉砂岩。瓦斯含量低级，但根据4303、4302综放工作面回采时的情况，该区域是瓦斯涌出异常区域，瓦斯含量相对较高，回采对工作面回风隅角CH4含量最高达8%以上，回风巷达0.3%。

2 巷道掘进期间3下采空区气体分布

2.1 下采空区气体分布观测

1）巷道掘进期间气体涌出情况。由于43上03工作面位于4303采空区上部的裂隙带中部，3上煤层有众多的裂隙与3下采空区沟通，而且是在瓦斯含量相对较高的采空区上部，所以采空区顶部的高浓度瓦斯，在风压分配不合理的情况下，极有可能短期从底板大量涌出，对安全有一定威胁，特别是43上03辅顺在掘进过程中，危险性更大[1-2]。因此，在掘进和回采期间要对43下03采空区气体进行监测。

2）43下03采空区气体监测点的布置。根据43上03综采面的特殊情况，在巷道掘进期间，分别在43下03胶顺、辅顺向43下03综放面采空区打钻，对下部采空区气体空间分布进行考察，通过钻孔内下束管取样分析。

3）43上03钻孔概况。43上03辅顺全长985.3m，掘进期间布置三个钻孔，用于43下03采空区的气体观测。胶顺全长890 m，布置2个钻孔对43下03采空区的气体观测。

2.2 掘进期间钻孔观测数据分析

切眼贯通前后，由局部压入式通风变为矿井负压通风，采空区外界压力发生变化，因此，采空区内气体的流动也随之发生了变化。因此，分别对43上03辅顺和胶顺钻孔的气体进行观测。

从观测结果可知，在氧浓度较高时，瓦斯浓度较低，此时为钻孔向3下采空区进气；在氧浓度下降时，瓦斯浓度上升，当43下03采空区气体压力大于巷道内气体的压力时，此时钻孔由采空区向外出气，气体从采空区涌向掘进巷道，所以瓦斯浓度高而氧气浓度低。

2月初氧气和瓦斯浓度变化很大，主要原因是切眼贯通，压力突然变小，造成3下气体上涌，但调整风量以后氧浓度上升，瓦斯浓度降低。

开切眼几天后，l号和2号孔的氧浓度和瓦斯浓度又有小的变化，氧气浓度降低，瓦斯浓度升高。其主要原因是切眼贯通后还要扩大切眼，在风量没有调整的情况下，切眼扩大，造成辅顺和胶顺的压差变小，从而使3下采空区的气体上涌。但切眼扩大以后，调整风量，氧气浓度和瓦斯浓度又恢复到原来的状况。

观测结果表明，2号孔的氧气浓度变化比1号孔要小，而且2号氧浓度比1号要小，主要原因是1号孔位于3下停采线处，2号孔距1号孔200 m，离迎头较近，在掘进期间压力比1号大，气体多为进气，1号孔处压力较小，受3下采空区影响较大。2号孔的瓦斯的浓度比1号低，交化率比1号孔要小，而且2号孔瓦斯浓度升高的概率比1号孔要低，气体成分较为稳定，说明掘进期间2号孔的压力比1号孔要大，气体多为进气。1号点瓦斯浓度要高于2号点，也说明距离停采线越近，瓦斯浓度越高。

3 回采期间采空区气体分布规律

3.1 回采期间采空区气体束管监测

为了研究43上03采空区瓦斯分布及流动规律，拟在43上03工作面回风巷采用埋管和施工钻孔观测43下03工作面采空区气体分布及流动规律。以考察3上、3下采空区气体的分布情况。在43上03胶顺布置束管共275 m，测点共四个，其具体位置为:1号束管在切眼位置，2号、3号、4号测点依次向后布置，且间距为40 m。

3.2 瓦斯浓度分布

1）3上03瓦斯浓度分布。根据胶顺和辅顺布置的束管观测数据可以得到采空区瓦斯随工作面推进时的瓦斯浓度等值线图:由图可知，随着距工作面距离的增加，采空区瓦斯浓度呈递增趋势，且随着距工作面距离的增大，递增速度增大[3-4]。

2）回采期间43下03采空区瓦斯分布规律。43上03工作面在回采过程中必然会影响到43下03采空区的气体分布。根据胶顺和辅顺布置的钻孔观测数据可以得到采空区瓦斯随工作面推进时的瓦斯浓度的变化情况可以得出，随着工作面的推进，2个钻孔内取得的43下03采空区的气体中，瓦斯浓度逐渐降低。43上03工作面的开采。影响了43下03气体的分布，43上03的风流通过破碎带渗流到43下03采空区，使得瓦斯浓度降低:又由于胶顺为回风巷压力较低，辅顺为进风巷压力较高，所以胶顺钻孔内瓦斯较辅顺高。

4 采空区瓦斯涌出特点及规律

4.1 43下03采空区瓦斯涌出监测分析

回采期间，工作面风量始终保持在800 m3/min左右，风量没有明显变化；43上03工作面是综采面，煤厚2 m左右，在回风隅角的瓦斯超限时，并没有发现冲击地压和顶板大面积陷落的现象，所以瓦斯超限只能是周边气体的压力差引起的，与掘进期间迎头瓦斯从底板涌出十分相似。

随着工作面的推进，3上采空区面积增大，与3下采空区的连通的范围也在增大，再加上3上与3下之间存在裂隙沟通，当大气压力降低时，采空区压力高于外界压力，瓦斯通过3上煤层底板向上涌出，致使瓦斯浓度超限。调压以后，使43下03采空区压力低于43上03采空区压力，从而达到抑制瓦斯涌出的目的。在风机吹风，加大风量，挂风帘和调压这些措施中，调压的作用是最明显的，这也说明压力的变化是引起瓦斯超限的主要原因（见图1 ～图4）。

图1 辅顺1号孔钻孔内外压力变化图

图2 辅顺2号钻孔内外压力变化图

图3 胶顺1号钻孔内外压力变化图

图4 胶顺2号钻孔内外压力变化图

图1 ～4可以看出，除辅顺l号孔以外，其余三个钻孔内的压力开始小于钻孔外压力，钻孔内外压差随时间的推移逐渐变小，在13:00左右钻孔内压力大于钻孔外压力，这说明采空区内的气体开始向43上03巷道内涌入，这与地面大气压力观测中一天气压的最低点相吻合，这说明大气压力的变化在采空区气体涌出中起了很关键的作用。图5钻孔外压力始终大于钻孔内压力，即气体始终是从巷道涌入采空区的，这是由于辅顺l号点位于进风巷最外端，压力较大，受风机影响要大于受大气压力的影响，只是在13:00以后钻孔内外的压力差减小，但钻孔外压力始终是大于钻孔内压力的。

图5 43上03工作面回风隅角瓦斯变化

从图5中可以看出:回风隅角瓦斯浓度在14:00左右比较高，此时正是大气压力最低的时候，由于43上03采空区和43下03采空区连通，当大气压力下降到比43下03采空区压力低的时候，43下03采空区的气体便会沿裂隙涌向43上03采空区，致使43上03回风隅角瓦斯超限。

4.2 采空区瓦斯涌出规律

由以上观测分析可以看出采空区瓦斯涌出主要呈现如下的规律:

1）在工作面风量和温度保持不变的情况下，瓦斯涌出量变化的时间和幅度与地面大气压变化的时间和幅度有关，而与大气压的绝对值大小无关。

2）地面大气压的变化影响采空区瓦斯涌出。地面气温升高，大气压变小时，采空区瓦斯有向外涌出的趋势，地面气温降低，大气压变大时，工作面气体有向里涌入的趋势。

3）为了防治43下03采空区的气体对43上03工作面的影响，采用调压的措施，使43下03采空区的两个密闭前气压降低，形成一个波泄漏通道，密闭前有害气体浓度升高，注意密闭前的安全管理，防止对人员造成伤害。

5 结论

1）掘进期间的瓦斯涌出主要与掘进时局部通风机的风压有关，增大掘进工作面的风流压力可以防止43下03采空区瓦斯涌出。

2）回采期间对43下03采空区瓦斯分布有影响，距离工作面越近的区域受到43上03风流的影响，瓦斯浓度较低，而且在43上03胶顺（回风侧）下方的采空区的瓦斯浓度大于43上03辅顺（进风侧）下方的采空区的瓦斯浓度。

3）回采期间瓦斯的涌出，主要是受大气压的影响，降低43下03采空区压力，防止大气压力降低时，瓦斯由下部采空区进入43上03采空区及工作面。

4）密闭前的防灭火工作。由于下部采空区两个密闭成为了良好的漏风通道，并且两密闭距离43下03停采线很近，附近有大量遗煤，在良好的通风条件下，很有可能遗煤缓慢氧化，成为火灾隐患。因此，必须加强两密闭内的气体观测，防止遗煤自燃。