龔選平，陳 龍，陳善文，白廷海，林海飛，高 涵，成小雨

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300； 3.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

瓦斯事故是礦井五大災(zāi)害事故之一，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。涌出瓦斯?jié)舛热暨_(dá)到瓦斯爆炸界限，就可能會引發(fā)瓦斯爆炸或者瓦斯窒息事故，因此針對工作面瓦斯涌出特點的相關(guān)研究是防止瓦斯事故的首要任務(wù)[1-3]。工作面的瓦斯涌出量呈現(xiàn)不同的分布特征，沿工作面傾斜方向，工作面涌出的瓦斯?jié)舛确植疾煌?，一般靠近回風(fēng)巷道附近的工作面區(qū)域的瓦斯?jié)舛却笥谶h(yuǎn)離回風(fēng)巷道附近區(qū)域的瓦斯?jié)舛龋矣捎谕咚沟拿芏刃∮诳諝獾拿芏?，一般由煤層底板垂直向上方向，瓦斯?jié)舛戎饾u增大。目前常用的研究工作面瓦斯分布的方法有數(shù)值模擬和現(xiàn)場測定方法，現(xiàn)場測定法能夠更真實準(zhǔn)確地掌握工作面瓦斯的實際分布情況[4-7]。此外，煤層的瓦斯涌出量也受自然因素和開采因素的影響，自然因素包括煤層的瓦斯含量、地面大氣壓強(qiáng)、煤的透氣性系數(shù)等參數(shù)，開采因素主要有煤層的開采速度和產(chǎn)量、工作面的配風(fēng)量、工作面礦壓等。這些因素對工作面的瓦斯涌出量的影響程度不同，學(xué)者們對煤層的瓦斯涌出量進(jìn)行了大量研究，大多數(shù)學(xué)者只針對單一影響因素進(jìn)行了研究，較少對瓦斯涌出量的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究[8-11]。

在煤層瓦斯含量、地質(zhì)條件、通風(fēng)方式等相同條件下，采用綜采放頂煤采煤方法的煤層一般情況下要比普通綜采工作面的瓦斯涌出量大，主要與煤層的厚度、回采率和瓦斯涌出的不均衡性有關(guān)[12-16]，所以綜放工作面瓦斯的來源、流動通道及在時間和空間上的分布特征還需深入研究。

筆者以王家?guī)X礦12322綜放工作面為研究對象，針對王家?guī)X礦大采高綜放工作面生產(chǎn)中面臨的瓦斯隱患問題，采用立體網(wǎng)格狀的測點布置，對該工作面瓦斯?jié)舛鹊娜S時空分布特征進(jìn)行現(xiàn)場測定，研究生產(chǎn)班、檢修班工作面的瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛鹊臅r空分布特征，并進(jìn)一步探究煤炭產(chǎn)量、配風(fēng)量、礦山壓力、工作面推進(jìn)速度、瓦斯含量對綜放工作面瓦斯涌出的影響，對于瓦斯涌出的治理具有一定的理論與現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

王家?guī)X礦設(shè)計生產(chǎn)能力為6.0 Mt/a，煤層地質(zhì)條件較好，2018年瓦斯涌出量測定結(jié)果：礦井的絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量分別為17.46 m3/min和1.48 m3/t，而回采工作面和掘進(jìn)工作面的絕對瓦斯涌出量分別為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、低透氣性，高開采強(qiáng)度、高瓦斯涌出”的“兩低兩高”特征，是我國典型的低瓦斯煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)致的高瓦斯礦井。王家?guī)X礦12322綜放工作面走向長度為3 414 m，傾向長度為300 m，煤層平均厚度為6.2 m，工作面采用U型通風(fēng)方式，綜采放頂煤采煤方法，采放比約為1∶1。

2 工作面瓦斯涌出分布及變化特征

2.1 測點布置

為了全面掌握低瓦斯厚煤層高強(qiáng)度開采條件下綜放工作面的瓦斯涌出特征，通過檢修班和生產(chǎn)班實現(xiàn)工作面瓦斯涌出觀測，檢修班沿工作面每10 m設(shè)置一個測量斷面，每個斷面設(shè)置5×3個測點；生產(chǎn)班沿工作面每10 m設(shè)置一個測點，測點位于刮板輸送機(jī)上方。用甲烷檢測儀測定每個測點的瓦斯?jié)舛?，若測點位置較高或人員難以到達(dá)，則將瓦斯探測杖與氣體采樣泵連接，與擴(kuò)散式甲烷檢測儀配合使用，實現(xiàn)對甲烷氣體的采集、取樣和檢測。

2.2 工作面瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

對12322綜放工作面各測點的瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)測定結(jié)果進(jìn)行分析。2019年5月26日至6月2日期間，綜放工作面生產(chǎn)班瓦斯?jié)舛确植既鐖D1所示，檢修班三維空間瓦斯?jié)舛仍茍D如圖2所示。

(a)5月26日

(a)5月26日

由圖1和圖2可以看出，沿12322綜放工作面傾向，檢修班與生產(chǎn)班期間工作面的瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律基本一致，瓦斯?jié)舛入S著與進(jìn)風(fēng)巷的距離增大而逐漸增加；但是生產(chǎn)班所測瓦斯?jié)舛日w要大于檢修班所測瓦斯?jié)舛?，生產(chǎn)班所測得的最大瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)0.30%左右，檢修班所測得的最大瓦斯?jié)舛燃s為0.10%，這是由于生產(chǎn)班煤體破碎使更多的瓦斯源源不斷地涌出，因此生產(chǎn)班大于檢修班所測的瓦斯?jié)舛?；生產(chǎn)班和檢修班所測得的瓦斯?jié)舛鹊脑龃笏俾视幸欢ǖ牟町悾a(chǎn)班所測得的瓦斯?jié)舛鹊脑龃笏俾首兓容^小，隨著與進(jìn)風(fēng)巷距離的增大，瓦斯?jié)舛纫恢碧幱谠鲩L的趨勢且趨于線性增長，所以其瓦斯?jié)舛鹊脑龃笏俾首兓容^小。而對于檢修班，距進(jìn)風(fēng)巷遠(yuǎn)的瓦斯?jié)舛鹊钠骄荻让黠@大于距進(jìn)風(fēng)巷近的瓦斯?jié)舛鹊钠骄荻取Ｒ?月2日為例，自工作面150 m到230 m處瓦斯?jié)舛茸兓^為平穩(wěn)，瓦斯?jié)舛葟?.01%增加到0.05%，瓦斯?jié)舛仍龃蟮钠骄荻葹?.000 5%/m;自工作面 230 m 到300 m處瓦斯?jié)舛茸兓^大，瓦斯?jié)舛葟?.05%增大到0.11%，瓦斯?jié)舛仍龃蟮钠骄荻葹?.008 6%/m。且可以明顯看出上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲?，其值?.08%～0.12%，主要原因是采空區(qū)攜帶高濃度瓦斯的漏風(fēng)流經(jīng)此區(qū)域進(jìn)入工作面，故此區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高，表明檢修班所測得的瓦斯?jié)舛仁懿煽諈^(qū)漏風(fēng)流中高濃度瓦斯的影響較大，而生產(chǎn)班所測得的瓦斯?jié)舛戎饕芄ぷ髅娌陕涿横尫诺耐咚沟挠绊憽?/p>

2.3 上隅角瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

2019年5月26日至6月2日期間，檢修班和生產(chǎn)班所測得的上隅角瓦斯?jié)舛确植既鐖D3所示。由圖3可以看出，相比于檢修班所測得的上隅角瓦斯?jié)舛?，生產(chǎn)班所測得的上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾岛妥钚≈稻^大，這是由于檢修班煤壁暴露時間長，瓦斯涌出量少，而生產(chǎn)班新鮮煤壁不斷被暴露，瓦斯涌出量大，同時采落煤炭也涌出大量瓦斯。此外，生產(chǎn)班的采動影響也使頂板處于活動狀態(tài)，受采動影響的卸壓瓦斯通過裂隙大量涌入綜放工作面和采空區(qū)。生產(chǎn)班風(fēng)流中瓦斯?jié)舛然鶖?shù)較檢修班大，因此經(jīng)過相同的瓦斯運移和流動，生產(chǎn)班上隅角瓦斯?jié)舛让黠@高于檢修班上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

(a)檢修班上隅角瓦斯?jié)舛确植?/p>

生產(chǎn)班距切頂線0 m處平面靠近支架端瓦斯?jié)舛却笥谶h(yuǎn)離支架端瓦斯?jié)舛?，高濃度的瓦斯由采空區(qū)經(jīng)工作面最末端支架進(jìn)入上隅角區(qū)域，該風(fēng)流吹向巷幫后被改變方向，形成渦流。距切頂線0 m處平面遠(yuǎn)離支架端由于高濃度瓦斯風(fēng)流已經(jīng)拐彎流入下一平面，故距切頂線0 m平面遠(yuǎn)離支架端相較于靠近支架端瓦斯?jié)舛容^低；而對于距切頂線2 m處遠(yuǎn)離支架端瓦斯?jié)舛却笥诳拷Ъ芏说耐咚節(jié)舛龋@是由于在此處的高濃度瓦斯風(fēng)流處于渦流狀態(tài)，風(fēng)流與巷幫側(cè)距離較近，故距巷幫較近處的瓦斯?jié)舛认噍^于距支架位置較近處的瓦斯?jié)舛却?，部分現(xiàn)象不明顯處則處于渦流的中間位置或者已經(jīng)完成渦流；距切頂線1 m處瓦斯?jié)舛扔卸喾N情況，但是變化規(guī)律處于上述二者之間，原因是其處于風(fēng)流方向轉(zhuǎn)變期間，所以上隅角瓦斯?jié)舛仍诰嗲许斁€1 m和2 m之間變化。

2.4 工作面瓦斯涌出來源權(quán)重分析

工作面瓦斯主要由煤壁及采空區(qū)涌出的瓦斯構(gòu)成，共同影響工作面的瓦斯分布特征，其各自影響范圍可通過斷面上瓦斯?jié)舛茸畹椭迭c的連線來劃分。連線兩側(cè)所占工作面面積的比例即為煤壁與采空區(qū)涌向工作面瓦斯量之比。工作面瓦斯?jié)舛确植甲畹椭迭c曲線靠采空區(qū)一側(cè)的面積越大，說明采空區(qū)涌入工作面的瓦斯量就越大；相反，靠近煤壁一側(cè)的面積越大，說明煤壁涌入工作面的瓦斯量就越大。

以實測斷面瓦斯?jié)舛茸畹椭迭c至工作面煤壁距離為縱坐標(biāo)，各測量斷面至工作面進(jìn)風(fēng)端口距離為橫坐標(biāo)，采用多項式擬合的方法，求得12322綜放工作面斷面瓦斯?jié)舛茸畹椭迭c分布最佳擬合函數(shù)為y=1.662×10-4x2+0.033x+3.271，函數(shù)曲線如圖4 所示。

圖4 綜放工作面橫斷面瓦斯?jié)舛茸畹椭迭c分布曲線

根據(jù)圖4，得出12322綜放工作面煤壁涌出影響面積Sb=771.245 m2，采空區(qū)涌出影響面積Sg=S-Sb=254.755 m2。煤壁瓦斯涌出量約為75.17%，采空區(qū)瓦斯涌出量約為24.83%，表明煤壁瓦斯涌出量大于采空區(qū)瓦斯涌出量。

3 工作面瓦斯涌出影響因素分析

3.1 瓦斯涌出量與煤炭產(chǎn)量之間的關(guān)系

對2019年4—6月12322綜放工作面的瓦斯涌出量(定向鉆孔、風(fēng)排瓦斯、埋管抽采)與煤炭產(chǎn)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，如圖5所示。

(a)2019年4月

由圖5可知，在2019年4月和5月期間，回采速度較快，煤炭產(chǎn)量大，瓦斯涌出量也較大，最高值達(dá)14 m3/min；6月期間，煤炭產(chǎn)量基本維持在較低的水平，瓦斯涌出量也較低，最大值不超過11 m3/min；在工作面煤炭產(chǎn)量穩(wěn)定的情況下瓦斯涌出量變化幅度較小。

風(fēng)排瓦斯量大于定向鉆孔和埋管抽采瓦斯量，風(fēng)排瓦斯量、絕對瓦斯涌出量與煤炭產(chǎn)量之間的相關(guān)性最強(qiáng)，二者隨煤炭產(chǎn)量的變化而波動。將風(fēng)排瓦斯量、工作面絕對瓦斯涌出量與煤炭產(chǎn)量分別進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 12322綜放工作面風(fēng)排瓦斯量與煤炭產(chǎn)量關(guān)系

圖7 12322綜放工作面絕對瓦斯涌出量與煤炭產(chǎn)量關(guān)系

由圖6、圖7可知，工作面風(fēng)排瓦斯量與煤炭產(chǎn)量的擬合關(guān)系為y=1.165×10-4x+3.849，工作面絕對瓦斯涌出量與煤炭產(chǎn)量的擬合關(guān)系為y=1.388×10-4x+7.378，表明工作面煤炭產(chǎn)量與絕對瓦斯涌出量、風(fēng)排瓦斯量基本呈線性關(guān)系，即煤炭產(chǎn)量越大，風(fēng)排瓦斯量和工作面的絕對瓦斯涌出量越大，這是由于采、落煤期間，煤體涌出的瓦斯量大，且在工作面停留，煤體瓦斯得到充分釋放，因此煤炭產(chǎn)量越大，風(fēng)排瓦斯和絕對瓦斯涌出量也越大。因此，加快回采工作面采、落、運煤的速度，減少瓦斯在工作面停留的時間，可相應(yīng)地減少涌到回采工作面的瓦斯量。

3.2 瓦斯涌出量與配風(fēng)量之間的關(guān)系

采煤工作面的配風(fēng)量對瓦斯涌出量和瓦斯排放量大小有一定的影響。配風(fēng)量過小，上隅角及回風(fēng)巷道瓦斯?jié)舛纫壮?。但配風(fēng)量過大，會導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量增大，同樣易造成上隅角瓦斯?jié)舛瘸?。根?jù)2019年3月至6月的實測資料，分析得到采煤工作面配風(fēng)量、風(fēng)排瓦斯量、絕對瓦斯涌出量的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 12322綜放工作面配風(fēng)量、風(fēng)排瓦斯量、絕對瓦斯涌出量關(guān)系

由圖8可以看出，風(fēng)排瓦斯量、絕對瓦斯涌出量與工作面配風(fēng)量的變化趨勢相似，配風(fēng)量增加時，風(fēng)排瓦斯量和絕對瓦斯涌出量增加，反之亦然。分析表明，配風(fēng)量與瓦斯涌出量呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)礦井的地質(zhì)條件和采煤方式，確定王家?guī)X礦12322綜放工作面的配風(fēng)量為2 000～2 200 m3/min時較為合理。

3.3 瓦斯涌出量與礦山壓力之間的關(guān)系

綜放開采強(qiáng)度大，引起采場應(yīng)力產(chǎn)生較大變化與重新分布，從而導(dǎo)致綜放工作面的不同區(qū)域與空間內(nèi)的煤巖體發(fā)生大變形和大面積破壞，由于采場應(yīng)力的影響，采場煤巖在原生裂隙的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展并產(chǎn)生新的裂隙，這將對綜放工作面不同空間與區(qū)域的瓦斯賦存與運移產(chǎn)生較大影響。2019年5月至6月期間的工作面絕對瓦斯涌出量、礦山壓力的關(guān)系如圖9所示。

圖9 12322綜放工作面礦山壓力、絕對瓦斯涌出量關(guān)系

由圖9可以看出，在統(tǒng)計期間共發(fā)生5次來壓事件，在每次來壓的前幾天，工作面瓦斯涌出量均有一個相對減小的趨勢，在來壓當(dāng)天的瓦斯涌出量最小，來壓結(jié)束后瓦斯涌出量大幅增加并達(dá)到瓦斯涌出量的最大值，表明瓦斯涌出量峰值的出現(xiàn)略晚于工作面周期來壓。這是由于在來壓時，煤體的破壞程度、滲透性、瓦斯賦存狀態(tài)和瓦斯壓力等都受到了影響，瓦斯流動通道增多，瓦斯釋放更加充分，因此可以認(rèn)為礦山壓力增大是瓦斯涌出量增大的前兆，對工作面瓦斯涌出量的預(yù)測和瓦斯治理具有一定的指導(dǎo)意義。

3.4 瓦斯涌出量與工作面推進(jìn)速度之間的關(guān)系

收集統(tǒng)計了12322綜放工作面2019年7月1日至8月20日工作面的日推進(jìn)距離和瓦斯涌出量，統(tǒng)計時間共計51 d，其中有15 d的推進(jìn)距離為0 m，即當(dāng)天工作面未生產(chǎn)。通過分析同一回采工作面日推進(jìn)距離和瓦斯涌出量的關(guān)系，得到12322綜放工作面日推進(jìn)距離、瓦斯涌出量變化關(guān)系，如圖10 所示。

圖10 綜放工作面日推進(jìn)距離與瓦斯涌出量變化關(guān)系圖

由圖10可以看出，整個統(tǒng)計期間，工作面日推進(jìn)距離和瓦斯涌出量有著相似的變化趨勢，且相關(guān)性較高，整體來看工作面日推進(jìn)距離越大，瓦斯涌出量也越大，未生產(chǎn)期間的瓦斯涌出量大小均處于變化曲線的谷底，例如7月11日、7月18日和8月 5日，這3天的工作面日推進(jìn)距離較大，分別為10.6、7.8、11.2 m，當(dāng)日的瓦斯涌出量分別為7.58、7.33、7.09 m3/min，均達(dá)到變化曲線的峰值；而7月29日至8月3日期間工作面未生產(chǎn)，工作面平均瓦斯涌出量為2.03 m3/min;對工作面日推進(jìn)距離與瓦斯涌出量進(jìn)行擬合及誤差分析，發(fā)現(xiàn)工作面日推進(jìn)距離與瓦斯涌出量能較好地服從線性回歸方程，擬合關(guān)系如圖11所示。

圖11 工作面瓦斯涌出量與日推進(jìn)距離擬合關(guān)系圖

由圖11可知，擬合方程為y=0.35x+3.2，表明工作面日推進(jìn)距離越大，工作面瓦斯涌出量也越大，這是由于工作面日推進(jìn)距離增大，呈破碎狀態(tài)的采落煤體增多，可解吸出的瓦斯量多，瓦斯涌出量也就越大，反之亦然。為此，從高強(qiáng)度開采綜放工作面的生產(chǎn)實踐來看，需確定合理的工作面推進(jìn)速度，以減少高強(qiáng)度開采條件下工作面的瓦斯涌出量。

3.5 瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量之間的關(guān)系

為了進(jìn)一步詳細(xì)掌握工作面前方回采區(qū)域煤層瓦斯含量與瓦斯涌出量的關(guān)系，在12322綜放工作面前方煤層待回采區(qū)域布置5個瓦斯含量測點，測定結(jié)果如表1所示。12322綜放工作面不同時間段風(fēng)排瓦斯量計算結(jié)果如表2所示。

表1 12322綜放工作面煤層瓦斯含量測定結(jié)果

表2 12322綜放工作面不同時間段風(fēng)排瓦斯量計算結(jié)果

12322綜放工作面2019年1月初回采至900 m左右，距離12322回風(fēng)巷2 260 m處煤層瓦斯含量測定點150 m左右，從表1和表2可以看出，此處煤層瓦斯含量約為3.07 m3/t，可解吸瓦斯量為1.65 m3/t，割煤放煤時釋放的瓦斯量為0.32 m3/t；12322綜放工作面5月回采至距離回風(fēng)巷1 690 m處煤層瓦斯含量測定點110 m左右，此處煤層瓦斯含量約為3.69 m3/t，可解吸瓦斯量為2.31 m3/t，割煤放煤時釋放的瓦斯量為0.76 m3/t。

通過12322綜放工作面1月、4月、5月份的日噸煤平均風(fēng)排瓦斯量可以看出，05-05—05-11期間噸煤平均風(fēng)排瓦斯量相比01-04—01-29、04-03—04-10、04-12—04-28分別增大0.44、0.43、0.06 m3/t；日靜態(tài)、平均、最大風(fēng)排瓦斯量相比1月、4月中下旬和5月上旬明顯升高，而日平均回采進(jìn)度有所降低，這說明此階段煤層瓦斯含量和可解吸瓦斯量是影響工作面回采時期瓦斯涌出量的主要原因，煤層瓦斯含量越大，瓦斯涌出量也越大。根據(jù)地質(zhì)資料分析，12322綜放工作面回采至4月12日之后，工作面進(jìn)入向斜構(gòu)造區(qū)域，煤體破碎，煤層瓦斯含量增加，煤層瓦斯可解吸量增大，是造成此階段工作面瓦斯涌出量增大的主要原因。

4 結(jié)論

1)王家?guī)X礦12322綜放工作面的瓦斯?jié)舛入S著與進(jìn)風(fēng)巷距離的增大而逐漸增大，且生產(chǎn)班工作面瓦斯?jié)舛日w要大于檢修班工作面瓦斯?jié)舛?；檢修班工作面的瓦斯?jié)舛仁懿煽諈^(qū)漏風(fēng)流高濃度瓦斯的影響較大，而生產(chǎn)班工作面的瓦斯?jié)舛戎饕芄ぷ髅娌陕涿横尫磐咚沟挠绊憽?/p>

2)上隅角的瓦斯?jié)舛却笥诠ぷ髅娴耐咚節(jié)舛龋痪嗲许斁€0 m處平面靠近支架端瓦斯?jié)舛却笥谶h(yuǎn)離支架端瓦斯?jié)舛?；距切頂線2 m處遠(yuǎn)離支架端瓦斯?jié)舛却笥诳拷Ъ芏送咚節(jié)舛?；而距切頂線1 m處瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律處于距切頂線1 m和2 m之間；對工作面瓦斯涌出來源權(quán)重分析得出，煤壁瓦斯涌出量大于采空區(qū)瓦斯涌出量。

3)通過研究各影響因素對工作面的瓦斯涌出影響特點，發(fā)現(xiàn)配風(fēng)量對風(fēng)排瓦斯量影響大。在過地質(zhì)構(gòu)造時，煤層的瓦斯含量和可解吸瓦斯量對瓦斯涌出量也有一定的影響。來壓前、后瓦斯涌出量也會相應(yīng)的減少和增加，通過對比研究及現(xiàn)場的實際情況，得出低瓦斯煤層高強(qiáng)度開采綜放工作面的煤炭產(chǎn)量和工作面的推進(jìn)速度是影響工作面瓦斯涌出的關(guān)鍵因素。