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)
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。
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)。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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%。
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。
(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。