深部环境高产高效工作面瓦斯涌出规律试验研究

李 奇, 高中宁，张 怡, 杜宏罡

(1.成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000；2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059； 3.煤科集团沈阳研究院有限公司，沈阳 110016)

1 试验矿区概况

试验矿井为中国神华能源股份有限公司保德煤矿，位于山西省忻州市保德县桥头镇，生产能力500万t/a，采用主斜副平开拓，开采水平位于+750m，现采8#煤层，综采放顶煤采煤工艺，高瓦斯矿井，水文地质类型中等，8#煤层具有自燃倾向性[1-2]。当前由于浅部资源日益减少，矿井开采逐步进入深部，而矿井生产能力有比较高，近些年保德煤业矿井瓦斯涌出量居高不下，成为矿井安全高效生产的瓶颈。为了更好地提高保德煤矿瓦斯防治的针对性、科学性与可靠性，结合该矿井多年来的开采实际，在矿区范围实行瓦斯分级管理，分为浅部瓦斯风化区和深部瓦斯区。标高+750m以上范围属瓦斯风化区，瓦斯量很小；标高范围+750～+650m，可燃质瓦斯含量2.22～4.81m3/t·r；标高+650m以深该区域瓦斯含量相对较大，可燃质瓦斯含量最小达到4.81m3/t·r[3]。通过井田分区管理“因地制宜”以及深入研究保德矿深部区域瓦斯涌出规律，对于矿井瓦斯的综合治理大有裨益[4]。

2 高产高效工作面瓦斯涌出规律研究

2.1 高产高效工作面试验测点布置

试验区88303回采工作面位于三盘区，标高754.5～810.1m，工作面倾斜长度2 871.5m、走向长度302.53m、面积868 714m2。煤层平均厚度5.64m，设计采高5.3m，采用走向长壁后退式全部垮落一次采全高的采煤方法,通风方式采用“U”型通风。

为了搞清保德矿高产高效工作面在走向方向与倾向方向上瓦斯浓度的变化规律特征，在88303工作面第30号、60号、90号、 120号、150号支架以及进回风端位置设置28个测试点，测试瓦斯浓度变化进而研究工作面瓦斯涌出变化规律。测点布设如图1，测试数据见表1。

表1 工作面走向各测点瓦斯浓度及瓦斯量测量数据表

图1 回采面测点布设位置图

2.2 采面沿倾向瓦斯浓度分布规律

为更直观地体现此表数据，以进风顺槽端口处设定初始位置，规定每个测试点同进风顺槽的距离为横坐标，每个测试点对应瓦斯浓度波动值作为纵坐标,工作面倾向瓦斯浓度变化曲线如图2-图5所示。

图2 沿工作面倾向测点瓦斯浓度变化图(距煤壁0m处)

图3 沿工作面倾向测点瓦斯浓度变化图(距煤壁1.6m处)

图4 沿工作面倾向测点瓦斯浓度变化图(距煤壁3.2m处)

图5 沿工作面倾向测点瓦斯浓度变化图(距煤壁4.8m处)

从图2-图5可看出，自进风巷道至回风巷道88303回采面瓦斯浓度逐渐变大，同时瓦斯涌出量在生产班明显大于检修班，主要是生产班煤体随即暴露出来，涌出瓦斯的能力很大，采煤机割裂煤体以后，破裂的碎煤块从采场运送至地面的整个过程都会涌出瓦斯。

回采面利用“U”型通风系统，在采场的中间至后方区域会出现采空区的漏失风流，它们把采空区内涌出的瓦斯携带出来汇入到回风巷道内，因此自采场中间到回风巷道这一区间瓦斯涌出强度很大，但进风端至采煤面中部瓦斯浓度增长不显著。

2.3 采面沿走向瓦斯浓度变化规律

在考查88303采面走向方向上瓦斯的涌出特征，规定以暴露的煤壁作为零点，设定横坐标为各个测试点与进风巷的间距，设定的纵坐标为瓦斯浓度波动,将表2.8中的数据测点沿工作面走向瓦斯浓度波动曲线图，如图6-图11所示[5]。

图6 采面走向50m位置测点瓦斯浓度波动曲线

图7 采面走向100m位置测点瓦斯浓度波动曲线

图8 采面走向150m位置测点瓦斯浓度波动曲线

图9 采面走向200m位置测点瓦斯浓度波动曲线

图10 采面走向250m位置测点瓦斯浓度波动曲线

图11 采面走向300m位置测点瓦斯浓度波动曲线

从图6-图11可知，88303面走向上瓦斯浓度从采面煤壁开始逐渐减少，最后接近中间区域后低后又不断抬升，变化趋势构成不对等的字母“V”型。

2.4 采面瓦斯涌出不均衡性分析

矿井在回采过程中，回采面受到自然因素与开采技术因素影响，如采煤工艺、回采方法、巷道布置、煤层透气性、原煤瓦斯含量等，导致回采面瓦斯涌出规模具有不均衡性，体现在从煤层中涌出的瓦斯速度和瓦斯量有很大不同。为此要准确预测保德煤矿高产高效工作面的瓦斯涌出规模，以便进一步优化采面的通风配风，有效开展瓦斯治理，对回采面瓦斯的涌出不均衡性研究，确定其瓦斯涌出不均衡性系数(Kn)意义重大[5]。

利用保德煤矿瓦斯监测系统，对88303综采面全程进行了跟踪测定，计算出回采工作面绝对瓦斯涌出不均衡系数Kn=1.40～1.55，平均为1.48。

图12 88303回采工作面瓦斯涌出量随时间变化规律图

图13 88303回采工作面瓦斯涌出量随时间变化规律图

图14 88303回采工作面瓦斯涌出量随时间变化规律图

3 结论

通过统计分析研究保德矿矿井瓦斯实时监测数据， 在连续测试了三个生产作业班后，完成了88303综采工作面的数据跟踪测定，经分析确定了该面绝对瓦斯涌出不均衡系数Kn=1.40～1.55，平均为1.48。经过分析计算得出掘进工作面绝对瓦斯涌出不均衡系数Kn=1.34～1.54，平均为1.44。

试验在88303工作面第30号、60号、90号、120号、150号支架以及进回风端位置设置28个测试点，用于搞清保德矿高产高效工作面在走向方向与倾向方向上瓦斯浓度的变化规律特征，研究得出88303面倾向上的瓦斯涌出规律为采面中间区域到回风侧瓦斯涌出幅度较大，但进风端至采煤面中部瓦斯浓度增长不显著，这主要出于回采面利用“U”型通风系统，在采场的中间至后方区域会出现采空区的漏失风流，它们把采空区内涌出的瓦斯携带出来汇入到回风巷道内造成的。88303面走向上的瓦斯涌出规律为瓦斯浓度从采面煤壁开始逐渐减少，最后接近中间区域后又不断抬升，变化趋势构成不对等的字母“V”型。