黄瑞玲,税 坤
(四川省煤炭设计研究院 昆明分院,云南 昆明 650041)
煤炭对我国的经济快速发展起着重要的推动作用,在国民经济中具有重要的战略地位。我国煤矿地质条件较为复杂,随着煤矿资源逐渐向深部开采,矿井面临的安全问题越来越多,其中瓦斯灾害最为严重,煤矿对于瓦斯灾害也高度重视,采空区瓦斯赋存规律和采空区遗煤与漏风密不可分。其采空区遗煤自燃造成瓦斯爆炸很容易被忽视,并且很难治理。国内对自燃煤矿自然发火防治和采空区瓦斯治理措施已经非常成熟,但是在采空区瓦斯排放、抽采与防灭火的内部联系方面仍缺少理论指导。要想科学合理地对采空区瓦斯进行治理,必须要清楚采空区内部瓦斯运移规律[1-4]。本文研究了综采工作面采空区瓦斯运移规律,通过在采空区现场布置测点,使用束管对采空区各个监测点的瓦斯浓度进行监测,得到了综采工作面采空区瓦斯分布特征,研究对矿井采空区瓦斯治理具有重要的指导意义。
研究矿井位于煤田东部中段,井田共有4层煤,其中主采二1煤层,煤层厚度5.0~12.0 m,平均厚3 m,埋深580~600 m,煤层瓦斯最大压力0.96 MPa,煤层透气性系数0.104 m2/(MPa2·d),煤层瓦斯含量为16 m3/t,煤层倾角为1°~6°,平均为5°,煤层中有一层夹矸,平均厚度为0.2 m。研究区二1煤层工业分析见表1。
表1 研究区二1煤层工业分析
研究工作面平面布置如图1所示。
图1 研究工作面平面布置
为了研究综采工作面采空区瓦斯运移规律,共布置11个监测点,各测点位置分布如图2所示。
图2 各测点位置分布情况
在采空区中部布置5号—11号测点,采空区两侧边缘布置1号—4号测点,监测的空气成分主要为氧气、二氧化碳、瓦斯、一氧化碳等。现场埋设束管,一段时候后,分析不同距离下采空区各监测点瓦斯浓度变化规律。采空区中部测点间距为20 m,采空区两侧边缘测点间距为20 m。
研究工作面每推进20 m,采集1次采空区各气体,其中采样周期为200 m。采用Matlab软件[5-8],对现场观测的原始数据进行处理,并绘制了不同工作面推进距离时采空区瓦斯和氧气浓度分布。现场监测点瓦斯浓度数据见表2。
表2 现场监测点瓦斯浓度数据
不同推进距离时采空区瓦斯浓度分布、等值线如图3所示。由图3可知:①沿采空区走向方向,随着深入采空区,瓦斯浓度逐渐变大,且瓦斯主要集聚在采空区中部靠回风侧位置。②沿采空区倾向方向,在回风侧向进风侧方向,采空区瓦斯浓度有减小的趋势,并且回风侧的瓦斯浓度梯度大于进风侧的瓦斯浓度梯度,造成瓦斯在回风侧集聚。③随着采煤工作面不断推进,各监测点的采空区瓦斯浓度有升高的趋势,距离工作面越远,采空区瓦斯浓度越大,采空区漏风量越小,集聚在采空区深部。在回风侧,在距离工作面35 m范围处,采空区瓦斯浓度低于5%;在进风侧,在距离工作面90 m范围处,采空区瓦斯浓度低于5%。
图3 不同推进距离时采空区瓦斯浓度分布、等值线
根据图2以及瓦斯浓度梯度的变化速率,将采空区瓦斯运移区域划分为CH4稀释区、CH4快速集聚区、CH4缓慢集聚区。具体分布如图4所示。
图4 采空区瓦斯运移区域划分
由图4可知,沿采空区走向上,空区瓦斯运移区域划分3个区域,瓦斯缓慢集聚区位于采空区深部,要是该区域为岩石压实区,孔隙率低、漏风量小,容易造成瓦斯的集聚;瓦斯快速集聚区于采空区中部,该区域孔隙率相对较低、漏风量相对较弱,风流量相对较大,致使瓦斯浓度及瓦斯浓度变化较大;瓦斯浓度稀释区位于采空区浅部,主要受到漏风的影响,此处瓦斯浓度较低。
现场监测点氧气浓度数据见表3。不同推进距离时采空区氧气浓度分布、等值线[9-12]如图5所示。由图5可知:①沿采空区走向方向,采空区氧气浓度沿中心线呈不对称分布,其中回风侧氧气浓度低于进风侧氧气浓度。②沿采空区倾向方向,越靠近工作面,氧气浓度约高,越靠近采空区深部,氧气浓度约低,回风侧向进风侧的氧化自燃带由窄变宽。③随着采煤工作面不断推进,各监测点的采空区氧气浓度有降低的趋势,回风侧氧气浓度下降速率明显快于进风侧的氧气浓度下降速率。
图5 不同推进距离时采空区氧气浓度分布、等值线
表3 现场监测点氧气浓度数据
综上所述,当进行抽放采空区瓦斯时,需布置走向瓦斯高抽巷,密封插管进行采空区瓦斯的抽放,能够显著降低采空区瓦斯浓度,也可在抽放位置形成瓦斯负压场,减少采空区漏风,从而降低了上隅角瓦斯浓度。
(1)沿采空区走向上,空区瓦斯运移区域划分3个区域:CH4稀释区、CH4快速集聚区、CH4缓慢集聚区,瓦斯主要集聚在采空区中部靠回风侧位置;随着采煤工作面不断推进,各监测点的采空区瓦斯浓度有升高的趋势。
(2)随着采煤工作面不断推进,各监测点的采空区氧气浓度有降低的趋势,越靠近工作面,氧气浓度约高,越靠近采空区深部,氧气浓度约低,采空区氧气浓度沿中心线呈不对称分布。
(3)当进行抽放采空区瓦斯时,需布置走向瓦斯高抽巷,密封插管进行采空区瓦斯的抽放,来治理采空区瓦斯隐患和上隅角瓦斯积聚。