高强度开采低瓦斯煤层时瓦斯涌出的时空分布特征及关键影响因素

龚选平，陈 龙，陈善文，白廷海，林海飞，高 涵，成小雨

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300； 3.西安科技大学，陕西 西安 710054)

瓦斯事故是矿井五大灾害事故之一，严重威胁着煤矿的安全生产。涌出瓦斯浓度若达到瓦斯爆炸界限，就可能会引发瓦斯爆炸或者瓦斯窒息事故，因此针对工作面瓦斯涌出特点的相关研究是防止瓦斯事故的首要任务[1-3]。工作面的瓦斯涌出量呈现不同的分布特征，沿工作面倾斜方向，工作面涌出的瓦斯浓度分布不同，一般靠近回风巷道附近的工作面区域的瓦斯浓度大于远离回风巷道附近区域的瓦斯浓度，且由于瓦斯的密度小于空气的密度，一般由煤层底板垂直向上方向，瓦斯浓度逐渐增大。目前常用的研究工作面瓦斯分布的方法有数值模拟和现场测定方法，现场测定法能够更真实准确地掌握工作面瓦斯的实际分布情况[4-7]。此外，煤层的瓦斯涌出量也受自然因素和开采因素的影响，自然因素包括煤层的瓦斯含量、地面大气压强、煤的透气性系数等参数，开采因素主要有煤层的开采速度和产量、工作面的配风量、工作面矿压等。这些因素对工作面的瓦斯涌出量的影响程度不同，学者们对煤层的瓦斯涌出量进行了大量研究，大多数学者只针对单一影响因素进行了研究，较少对瓦斯涌出量的影响因素进行系统的研究[8-11]。

在煤层瓦斯含量、地质条件、通风方式等相同条件下，采用综采放顶煤采煤方法的煤层一般情况下要比普通综采工作面的瓦斯涌出量大，主要与煤层的厚度、回采率和瓦斯涌出的不均衡性有关[12-16]，所以综放工作面瓦斯的来源、流动通道及在时间和空间上的分布特征还需深入研究。

笔者以王家岭矿12322综放工作面为研究对象，针对王家岭矿大采高综放工作面生产中面临的瓦斯隐患问题，采用立体网格状的测点布置，对该工作面瓦斯浓度的三维时空分布特征进行现场测定，研究生产班、检修班工作面的瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度的时空分布特征，并进一步探究煤炭产量、配风量、矿山压力、工作面推进速度、瓦斯含量对综放工作面瓦斯涌出的影响，对于瓦斯涌出的治理具有一定的理论与现实指导意义。

1 矿井概况

王家岭矿设计生产能力为6.0 Mt/a，煤层地质条件较好，2018年瓦斯涌出量测定结果：矿井的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量分别为17.46 m3/min和1.48 m3/t，而回采工作面和掘进工作面的绝对瓦斯涌出量分别为8.29、0.42 m3/min，其回采工作面瓦斯涌出量大，具有“低瓦斯含量、低透气性，高开采强度、高瓦斯涌出”的“两低两高”特征，是我国典型的低瓦斯煤层高强度开采导致的高瓦斯矿井。王家岭矿12322综放工作面走向长度为3 414 m，倾向长度为300 m，煤层平均厚度为6.2 m，工作面采用U型通风方式，综采放顶煤采煤方法，采放比约为1∶1。

2 工作面瓦斯涌出分布及变化特征

2.1 测点布置

为了全面掌握低瓦斯厚煤层高强度开采条件下综放工作面的瓦斯涌出特征，通过检修班和生产班实现工作面瓦斯涌出观测，检修班沿工作面每10 m设置一个测量断面，每个断面设置5×3个测点；生产班沿工作面每10 m设置一个测点，测点位于刮板输送机上方。用甲烷检测仪测定每个测点的瓦斯浓度，若测点位置较高或人员难以到达，则将瓦斯探测杖与气体采样泵连接，与扩散式甲烷检测仪配合使用，实现对甲烷气体的采集、取样和检测。

2.2 工作面瓦斯浓度分布特征

对12322综放工作面各测点的瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)测定结果进行分析。2019年5月26日至6月2日期间，综放工作面生产班瓦斯浓度分布如图1所示，检修班三维空间瓦斯浓度云图如图2所示。

(a)5月26日

(a)5月26日

由图1和图2可以看出，沿12322综放工作面倾向，检修班与生产班期间工作面的瓦斯浓度的变化规律基本一致，瓦斯浓度随着与进风巷的距离增大而逐渐增加；但是生产班所测瓦斯浓度整体要大于检修班所测瓦斯浓度，生产班所测得的最大瓦斯浓度可达0.30%左右，检修班所测得的最大瓦斯浓度约为0.10%，这是由于生产班煤体破碎使更多的瓦斯源源不断地涌出，因此生产班大于检修班所测的瓦斯浓度；生产班和检修班所测得的瓦斯浓度的增大速率有一定的差异，生产班所测得的瓦斯浓度的增大速率变化幅度较小，随着与进风巷距离的增大，瓦斯浓度一直处于增长的趋势且趋于线性增长，所以其瓦斯浓度的增大速率变化幅度较小。而对于检修班，距进风巷远的瓦斯浓度的平均梯度明显大于距进风巷近的瓦斯浓度的平均梯度。以6月2日为例，自工作面150 m到230 m处瓦斯浓度变化较为平稳，瓦斯浓度从0.01%增加到0.05%，瓦斯浓度增大的平均梯度为0.000 5%/m;自工作面 230 m 到300 m处瓦斯浓度变化较大，瓦斯浓度从0.05%增大到0.11%，瓦斯浓度增大的平均梯度为0.008 6%/m。且可以明显看出上隅角处瓦斯浓度最大，其值为0.08%～0.12%，主要原因是采空区携带高浓度瓦斯的漏风流经此区域进入工作面，故此区域瓦斯浓度较高，表明检修班所测得的瓦斯浓度受采空区漏风流中高浓度瓦斯的影响较大，而生产班所测得的瓦斯浓度主要受工作面采落煤释放的瓦斯的影响。

2.3 上隅角瓦斯浓度分布特征

2019年5月26日至6月2日期间，检修班和生产班所测得的上隅角瓦斯浓度分布如图3所示。由图3可以看出，相比于检修班所测得的上隅角瓦斯浓度，生产班所测得的上隅角瓦斯浓度的最大值和最小值均较大，这是由于检修班煤壁暴露时间长，瓦斯涌出量少，而生产班新鲜煤壁不断被暴露，瓦斯涌出量大，同时采落煤炭也涌出大量瓦斯。此外，生产班的采动影响也使顶板处于活动状态，受采动影响的卸压瓦斯通过裂隙大量涌入综放工作面和采空区。生产班风流中瓦斯浓度基数较检修班大，因此经过相同的瓦斯运移和流动，生产班上隅角瓦斯浓度明显高于检修班上隅角瓦斯浓度。

(a)检修班上隅角瓦斯浓度分布

生产班距切顶线0 m处平面靠近支架端瓦斯浓度大于远离支架端瓦斯浓度，高浓度的瓦斯由采空区经工作面最末端支架进入上隅角区域，该风流吹向巷帮后被改变方向，形成涡流。距切顶线0 m处平面远离支架端由于高浓度瓦斯风流已经拐弯流入下一平面，故距切顶线0 m平面远离支架端相较于靠近支架端瓦斯浓度较低；而对于距切顶线2 m处远离支架端瓦斯浓度大于靠近支架端的瓦斯浓度，这是由于在此处的高浓度瓦斯风流处于涡流状态，风流与巷帮侧距离较近，故距巷帮较近处的瓦斯浓度相较于距支架位置较近处的瓦斯浓度大，部分现象不明显处则处于涡流的中间位置或者已经完成涡流；距切顶线1 m处瓦斯浓度有多种情况，但是变化规律处于上述二者之间，原因是其处于风流方向转变期间，所以上隅角瓦斯浓度在距切顶线1 m和2 m之间变化。

2.4 工作面瓦斯涌出来源权重分析

工作面瓦斯主要由煤壁及采空区涌出的瓦斯构成，共同影响工作面的瓦斯分布特征，其各自影响范围可通过断面上瓦斯浓度最低值点的连线来划分。连线两侧所占工作面面积的比例即为煤壁与采空区涌向工作面瓦斯量之比。工作面瓦斯浓度分布最低值点曲线靠采空区一侧的面积越大，说明采空区涌入工作面的瓦斯量就越大；相反，靠近煤壁一侧的面积越大，说明煤壁涌入工作面的瓦斯量就越大。

以实测断面瓦斯浓度最低值点至工作面煤壁距离为纵坐标，各测量断面至工作面进风端口距离为横坐标，采用多项式拟合的方法，求得12322综放工作面断面瓦斯浓度最低值点分布最佳拟合函数为y=1.662×10-4x2+0.033x+3.271，函数曲线如图4 所示。

图4 综放工作面横断面瓦斯浓度最低值点分布曲线

根据图4，得出12322综放工作面煤壁涌出影响面积Sb=771.245 m2，采空区涌出影响面积Sg=S-Sb=254.755 m2。煤壁瓦斯涌出量约为75.17%，采空区瓦斯涌出量约为24.83%，表明煤壁瓦斯涌出量大于采空区瓦斯涌出量。

3 工作面瓦斯涌出影响因素分析

3.1 瓦斯涌出量与煤炭产量之间的关系

对2019年4—6月12322综放工作面的瓦斯涌出量(定向钻孔、风排瓦斯、埋管抽采)与煤炭产量的数据进行统计，如图5所示。

(a)2019年4月

由图5可知，在2019年4月和5月期间，回采速度较快，煤炭产量大，瓦斯涌出量也较大，最高值达14 m3/min；6月期间，煤炭产量基本维持在较低的水平，瓦斯涌出量也较低，最大值不超过11 m3/min；在工作面煤炭产量稳定的情况下瓦斯涌出量变化幅度较小。

风排瓦斯量大于定向钻孔和埋管抽采瓦斯量，风排瓦斯量、绝对瓦斯涌出量与煤炭产量之间的相关性最强，二者随煤炭产量的变化而波动。将风排瓦斯量、工作面绝对瓦斯涌出量与煤炭产量分别进行线性拟合，拟合结果如图6、图7所示。

图6 12322综放工作面风排瓦斯量与煤炭产量关系

图7 12322综放工作面绝对瓦斯涌出量与煤炭产量关系

由图6、图7可知，工作面风排瓦斯量与煤炭产量的拟合关系为y=1.165×10-4x+3.849，工作面绝对瓦斯涌出量与煤炭产量的拟合关系为y=1.388×10-4x+7.378，表明工作面煤炭产量与绝对瓦斯涌出量、风排瓦斯量基本呈线性关系，即煤炭产量越大，风排瓦斯量和工作面的绝对瓦斯涌出量越大，这是由于采、落煤期间，煤体涌出的瓦斯量大，且在工作面停留，煤体瓦斯得到充分释放，因此煤炭产量越大，风排瓦斯和绝对瓦斯涌出量也越大。因此，加快回采工作面采、落、运煤的速度，减少瓦斯在工作面停留的时间，可相应地减少涌到回采工作面的瓦斯量。

3.2 瓦斯涌出量与配风量之间的关系

采煤工作面的配风量对瓦斯涌出量和瓦斯排放量大小有一定的影响。配风量过小，上隅角及回风巷道瓦斯浓度易超限。但配风量过大，会导致采空区瓦斯涌出量增大，同样易造成上隅角瓦斯浓度超限。根据2019年3月至6月的实测资料，分析得到采煤工作面配风量、风排瓦斯量、绝对瓦斯涌出量的关系，如图8所示。

图8 12322综放工作面配风量、风排瓦斯量、绝对瓦斯涌出量关系

由图8可以看出，风排瓦斯量、绝对瓦斯涌出量与工作面配风量的变化趋势相似，配风量增加时，风排瓦斯量和绝对瓦斯涌出量增加，反之亦然。分析表明，配风量与瓦斯涌出量呈正相关关系，根据矿井的地质条件和采煤方式，确定王家岭矿12322综放工作面的配风量为2 000～2 200 m3/min时较为合理。

3.3 瓦斯涌出量与矿山压力之间的关系

综放开采强度大，引起采场应力产生较大变化与重新分布，从而导致综放工作面的不同区域与空间内的煤岩体发生大变形和大面积破坏，由于采场应力的影响，采场煤岩在原生裂隙的基础上继续发展并产生新的裂隙，这将对综放工作面不同空间与区域的瓦斯赋存与运移产生较大影响。2019年5月至6月期间的工作面绝对瓦斯涌出量、矿山压力的关系如图9所示。

图9 12322综放工作面矿山压力、绝对瓦斯涌出量关系

由图9可以看出，在统计期间共发生5次来压事件，在每次来压的前几天，工作面瓦斯涌出量均有一个相对减小的趋势，在来压当天的瓦斯涌出量最小，来压结束后瓦斯涌出量大幅增加并达到瓦斯涌出量的最大值，表明瓦斯涌出量峰值的出现略晚于工作面周期来压。这是由于在来压时，煤体的破坏程度、渗透性、瓦斯赋存状态和瓦斯压力等都受到了影响，瓦斯流动通道增多，瓦斯释放更加充分，因此可以认为矿山压力增大是瓦斯涌出量增大的前兆，对工作面瓦斯涌出量的预测和瓦斯治理具有一定的指导意义。

3.4 瓦斯涌出量与工作面推进速度之间的关系

收集统计了12322综放工作面2019年7月1日至8月20日工作面的日推进距离和瓦斯涌出量，统计时间共计51 d，其中有15 d的推进距离为0 m，即当天工作面未生产。通过分析同一回采工作面日推进距离和瓦斯涌出量的关系，得到12322综放工作面日推进距离、瓦斯涌出量变化关系，如图10 所示。

图10 综放工作面日推进距离与瓦斯涌出量变化关系图

由图10可以看出，整个统计期间，工作面日推进距离和瓦斯涌出量有着相似的变化趋势，且相关性较高，整体来看工作面日推进距离越大，瓦斯涌出量也越大，未生产期间的瓦斯涌出量大小均处于变化曲线的谷底，例如7月11日、7月18日和8月 5日，这3天的工作面日推进距离较大，分别为10.6、7.8、11.2 m，当日的瓦斯涌出量分别为7.58、7.33、7.09 m3/min，均达到变化曲线的峰值；而7月29日至8月3日期间工作面未生产，工作面平均瓦斯涌出量为2.03 m3/min;对工作面日推进距离与瓦斯涌出量进行拟合及误差分析，发现工作面日推进距离与瓦斯涌出量能较好地服从线性回归方程，拟合关系如图11所示。

图11 工作面瓦斯涌出量与日推进距离拟合关系图

由图11可知，拟合方程为y=0.35x+3.2，表明工作面日推进距离越大，工作面瓦斯涌出量也越大，这是由于工作面日推进距离增大，呈破碎状态的采落煤体增多，可解吸出的瓦斯量多，瓦斯涌出量也就越大，反之亦然。为此，从高强度开采综放工作面的生产实践来看，需确定合理的工作面推进速度，以减少高强度开采条件下工作面的瓦斯涌出量。

3.5 瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量之间的关系

为了进一步详细掌握工作面前方回采区域煤层瓦斯含量与瓦斯涌出量的关系，在12322综放工作面前方煤层待回采区域布置5个瓦斯含量测点，测定结果如表1所示。12322综放工作面不同时间段风排瓦斯量计算结果如表2所示。

表1 12322综放工作面煤层瓦斯含量测定结果

表2 12322综放工作面不同时间段风排瓦斯量计算结果

12322综放工作面2019年1月初回采至900 m左右，距离12322回风巷2 260 m处煤层瓦斯含量测定点150 m左右，从表1和表2可以看出，此处煤层瓦斯含量约为3.07 m3/t，可解吸瓦斯量为1.65 m3/t，割煤放煤时释放的瓦斯量为0.32 m3/t；12322综放工作面5月回采至距离回风巷1 690 m处煤层瓦斯含量测定点110 m左右，此处煤层瓦斯含量约为3.69 m3/t，可解吸瓦斯量为2.31 m3/t，割煤放煤时释放的瓦斯量为0.76 m3/t。

通过12322综放工作面1月、4月、5月份的日吨煤平均风排瓦斯量可以看出，05-05—05-11期间吨煤平均风排瓦斯量相比01-04—01-29、04-03—04-10、04-12—04-28分别增大0.44、0.43、0.06 m3/t；日静态、平均、最大风排瓦斯量相比1月、4月中下旬和5月上旬明显升高，而日平均回采进度有所降低，这说明此阶段煤层瓦斯含量和可解吸瓦斯量是影响工作面回采时期瓦斯涌出量的主要原因，煤层瓦斯含量越大，瓦斯涌出量也越大。根据地质资料分析，12322综放工作面回采至4月12日之后，工作面进入向斜构造区域，煤体破碎，煤层瓦斯含量增加，煤层瓦斯可解吸量增大，是造成此阶段工作面瓦斯涌出量增大的主要原因。

4 结论

1)王家岭矿12322综放工作面的瓦斯浓度随着与进风巷距离的增大而逐渐增大，且生产班工作面瓦斯浓度整体要大于检修班工作面瓦斯浓度；检修班工作面的瓦斯浓度受采空区漏风流高浓度瓦斯的影响较大，而生产班工作面的瓦斯浓度主要受工作面采落煤释放瓦斯的影响。

2)上隅角的瓦斯浓度大于工作面的瓦斯浓度；距切顶线0 m处平面靠近支架端瓦斯浓度大于远离支架端瓦斯浓度；距切顶线2 m处远离支架端瓦斯浓度大于靠近支架端瓦斯浓度；而距切顶线1 m处瓦斯浓度的变化规律处于距切顶线1 m和2 m之间；对工作面瓦斯涌出来源权重分析得出，煤壁瓦斯涌出量大于采空区瓦斯涌出量。

3)通过研究各影响因素对工作面的瓦斯涌出影响特点，发现配风量对风排瓦斯量影响大。在过地质构造时，煤层的瓦斯含量和可解吸瓦斯量对瓦斯涌出量也有一定的影响。来压前、后瓦斯涌出量也会相应的减少和增加，通过对比研究及现场的实际情况，得出低瓦斯煤层高强度开采综放工作面的煤炭产量和工作面的推进速度是影响工作面瓦斯涌出的关键因素。