任彥文，曹 有，任發(fā)科

（1.大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司 山西原平034114；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧撫順113122）

0 前言

煤礦生產(chǎn)過程中，為保障采煤工作面瓦斯防治效果，需要根據(jù)工作面瓦斯來源及其涌出構(gòu)成采取針對性治理措施。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對采煤工作面瓦斯來源及構(gòu)成進(jìn)行了大量研究。俞啟香等[1]將采煤工作面劃分為煤壁、采落煤和采空區(qū)三部分，并給出了各部分瓦斯涌出量的計(jì)算公式；葉青等[2]在分析工作面瓦斯涌出來源及構(gòu)成的基礎(chǔ)上，得到了采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律；柴永興等[3]利用碳同位素對礦井不同瓦斯源進(jìn)行識別和定量分析；郭玉森等[4]利用單元法原理，得到回采工作面瓦斯涌出分布規(guī)律；王兆豐等[5]根據(jù)瓦斯日報(bào)表實(shí)測數(shù)據(jù)，采用分時(shí)分段統(tǒng)計(jì)的方法，得到工作面瓦斯來源構(gòu)成；但是對于綜放工作面瓦斯涌出構(gòu)成及相應(yīng)的瓦斯治理措施仍需進(jìn)行深入研究。本文在分析綜放工作面瓦斯來源的基礎(chǔ)之上，對各瓦斯源的瓦斯涌出量進(jìn)行定量研究與計(jì)算，據(jù)此選取針對性瓦斯治理措施，并考察其治理效果。

1 綜放工作面瓦斯來源分析

大量研究結(jié)果表明，回采工作面瓦斯涌出量主要3部分組成：煤壁、采落煤塊及采空區(qū)瓦斯涌出量。因此，綜放工作面瓦斯來源主要包含煤壁、采放落煤及采空區(qū)。

1.1 煤壁

由于回采工作面處于均勻快速的推進(jìn)過程中，在整個工作面回采過程中，進(jìn)、回風(fēng)巷道內(nèi)暴露煤壁同回采工作面煤壁一樣，會向風(fēng)流中持續(xù)不斷地緩慢釋放瓦斯。因此，整個回采工作面煤壁不僅僅指工作面煤壁，也包括進(jìn)、回風(fēng)巷煤壁。

1.2 采放落煤

回采工作面開采時(shí)，新鮮煤壁不斷暴露，在礦山壓力作用下，工作面前方出現(xiàn)卸壓帶，導(dǎo)致煤體內(nèi)部瓦斯沿卸壓帶的裂隙向工作面采煤空間涌出；而綜放工作面除割煤機(jī)割煤外，還有放煤作業(yè)，放煤時(shí)，卸壓頂煤也會向外界釋放瓦斯；同時(shí)，這些回采和放落下來的煤塊在其運(yùn)輸過程中，煤塊內(nèi)瓦斯仍會向外界緩慢釋放。

1.3 采空區(qū)

采空區(qū)瓦斯主要包括兩部分：采空區(qū)丟煤釋放瓦斯及鄰近層瓦斯，其中，鄰近層瓦斯一般是在老頂?shù)谝淮蚊奥浜蟛庞咳氩煽諈^(qū)。

2 瓦斯涌出量測定及計(jì)算方法

根據(jù)綜放工作面瓦斯來源分析結(jié)果可知，工作面瓦斯涌出量=煤壁瓦斯涌出量+采空區(qū)瓦斯涌出量+采放落煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量。

2.1 煤壁瓦斯涌出量

一般情況下，煤壁瓦斯涌出量可以利用單位長度煤壁瓦斯涌出量來表示，其計(jì)算公式如下所示：

式中，Qb為單位長度煤壁瓦斯涌出量，m3/(min·100m)；C1，C2分別為兩個測點(diǎn)的風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；Q1，Q2分別為兩個測點(diǎn)的風(fēng)流量，m3/min；L為兩個測點(diǎn)間的距離，m。

根據(jù)上式可知，單位長度煤壁瓦斯涌出量可以通過非生產(chǎn)班工作面巷道內(nèi)不同地點(diǎn)的風(fēng)排瓦斯量進(jìn)行計(jì)算。因此，利用單元法將工作面回風(fēng)巷劃分為若干個測定單元（見圖1），通過測定每一單元的瓦斯體積分?jǐn)?shù)及風(fēng)量可以得到該測定單元的風(fēng)排瓦斯量，利用上述公式即可對單位長度煤壁瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)工作面進(jìn)風(fēng)巷、工作面、回風(fēng)巷煤壁累計(jì)總長度即可計(jì)算整個工作面煤壁瓦斯涌出量。

2.2 采空區(qū)瓦斯涌出量

為方便研究，將采空區(qū)瓦斯涌出量分為涌出到工作面的瓦斯量和采空區(qū)抽采瓦斯量。

非生產(chǎn)條件下，風(fēng)排瓦斯量主要包括煤壁瓦斯涌出量和采空區(qū)內(nèi)被風(fēng)流帶入到工作面的瓦斯量，因此，采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量可以通過非生產(chǎn)班回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量減去煤壁瓦斯涌出量來計(jì)算；采空區(qū)抽采瓦斯量為各種抽采采空區(qū)瓦斯方法的抽采瓦斯量總和。

2.3 采放煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量

通過分析可知，非生產(chǎn)條件下，回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量由煤壁瓦斯涌出和采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量構(gòu)成；生產(chǎn)條件下，回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量由煤壁瓦斯涌出、采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量與采放煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量構(gòu)成。因此，采放煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量可以通過生產(chǎn)班風(fēng)排瓦斯量減去非生產(chǎn)班風(fēng)排瓦斯量得到。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

5136工作面主采5#煤層，走向長1 141 m，傾向長125 m，平均煤厚9.2 m，采用放頂煤開采，循環(huán)進(jìn)度0.6 m，割煤高度2.3 m。工作面采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，為上行通風(fēng)方式，工作面采用底抽巷預(yù)抽煤層瓦斯+頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯綜合治理措施。

3.1 煤壁瓦斯涌出量

由于5136工作面回風(fēng)巷變形嚴(yán)重，在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)每隔100 m劃分1個測定單元（見圖2所示），測定每個單元的瓦斯體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)量，并利用相應(yīng)計(jì)算公式得到單位長度煤壁瓦斯涌出量和整個工作面煤壁瓦斯涌出量。

圖2 5136工作面測定單元劃分示意圖

通過對5136工作面每個測定單元瓦斯體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)量多次測定，基本掌握各測定單元的瓦斯涌出量，將其帶入式（1）中得到100 m長度煤壁瓦斯涌出量Qb=0.09 m3/min。整個5136工作面煤壁長度為1 120 m左右，即該工作面煤壁瓦斯涌出總量為0.09×1 120÷100=1.01 m3/min。

3.2 采放煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量

統(tǒng)計(jì)、整理5136工作面不同班次下風(fēng)排瓦斯情況，如圖3所示。

圖3 5136工作面風(fēng)流瓦斯涌出規(guī)律

據(jù)圖3可知，生產(chǎn)班風(fēng)排瓦斯量基本在5.0 m3/min～6.0 m3/min之間，最大風(fēng)排瓦斯量為5.84 m3/min，平均為5.34 m3/min；檢修班風(fēng)排瓦斯量基本在3.0 m3/min～4.0 m3/min之間，最大為3.80 m3/min，平均為3.39 m3/min；平均風(fēng)排瓦斯量生產(chǎn)班與檢修班之差為1.95 m3/min，即采放煤和運(yùn)煤瓦斯涌出量為1.95 m3/min。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，統(tǒng)計(jì)、計(jì)算生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班風(fēng)排瓦斯量結(jié)果表明，非生產(chǎn)班平均風(fēng)排瓦斯量為2.48 m3/min，生產(chǎn)班平均風(fēng)排瓦斯量為4.47 m3/min，二者之差為1.99 m3/min，該值即為采放煤、運(yùn)煤瓦斯涌出量。

綜上所述，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本吻合，以下采放煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量均采用1.99 m3/min。

3.3 采空區(qū)瓦斯涌出量

采空區(qū)瓦斯涌出量計(jì)算公式如下：

式中，Qc為采空區(qū)瓦斯涌出量，m3/min；Qc-f為采空區(qū)涌出到風(fēng)流中的瓦斯量，m3/min；Qc-c為采空區(qū)抽采瓦斯量，m3/min。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測定結(jié)果，經(jīng)分析計(jì)算，采空區(qū)涌出到風(fēng)流中的瓦斯量Qc-f為2.48-1.01=1.47 m3/min。

5136工作面采用底抽巷預(yù)抽煤層瓦斯+頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯綜合瓦斯治理措施，由于底抽巷抽采的是煤層瓦斯，并且在工作面回采過程中，超前工作面20 m范圍停止抽采。因此，針對于采空區(qū)瓦斯而言，僅有頂抽巷抽采采空區(qū)瓦斯。頂抽巷采用封閉式抽采方式，巷口密閉墻上布置有2趟?377 mm抽采管路。為確定其抽采情況，對5136工作面頂抽巷抽采參數(shù)進(jìn)行多次測定，頂抽巷兩條抽采管路內(nèi)的抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)均較低，最高為2.10%。經(jīng)計(jì)算，采空區(qū)平均抽采瓦斯量為5.13 m3/min，即采空區(qū)瓦斯涌出總量為1.47+5.13=6.60 m3/min，可見采空區(qū)瓦斯涌出量非常大。

3.4 工作面瓦斯涌出總量及構(gòu)成

根據(jù)上述5136工作面各瓦斯來源的瓦斯涌出量可知，煤壁瓦斯涌出量為1.01 m3/min，采放煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量為1.99 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出到風(fēng)流中的瓦斯量為1.47 m3/min，采空區(qū)抽采瓦斯量為5.13 m3/min。因此，生產(chǎn)條件下，5136工作面煤壁瓦斯涌出量占工作面總瓦斯涌出量的10.52%，采放落煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量占20.73%，采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量15.31%，采空區(qū)抽采瓦斯量占53.44%。

4 上隅角瓦斯治理

生產(chǎn)條件下，工作面瓦斯涌出總量中，采空區(qū)瓦斯涌出量占比68.75%，為工作面主要瓦斯來源。為有效降低工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)，提出增加上隅角插管抽采上隅角瓦斯治理措施。即在5136工作面回風(fēng)巷內(nèi)增加1趟?377 mm抽采管路，連接礦井低負(fù)壓抽采系統(tǒng)，抽采管路端頭設(shè)置3趟4寸軟管，插到垛袋墻內(nèi)抽采上隅角及其附近區(qū)域內(nèi)的瓦斯。

5136工作面增加上隅角插管抽采措施后，通過現(xiàn)場實(shí)測，上隅角插管抽采氣體混量在60 m3/min～70 m3/min之間，其抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.8%～0.9%之間。為考察其抽采防治效果，在5136工作面增加上隅角插管抽采措施后，對其生產(chǎn)條件下上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了35天的跟蹤考察，工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大為0.50%，最小為0.32%。說明工作面在增加上隅角插管抽采措施后，其上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)被有效控制在0.50%以下。

5 結(jié)論

（1）綜放工作面非生產(chǎn)條件下瓦斯來源主要包括煤壁和采空區(qū)；生產(chǎn)條件下瓦斯來源主要包括煤壁、采空區(qū)和采放煤及運(yùn)煤。

（2）生產(chǎn)條件下，煤壁瓦斯涌出量、采放落煤及運(yùn)煤瓦斯涌出量、采空區(qū)涌出到工作面的瓦斯量和采空區(qū)抽采瓦斯量分別占工作面總瓦斯涌出量的10.52%、20.73%、15.31%和53.44%。

（3）增加上隅角插管抽采措施后，5136工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)被有效控制在0.5%以下。