趙 林，董子文，楊子劍，鄒 治，孟麗萍，柳勁甫

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024076；2.湖南工學(xué)院安全與環(huán)境學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002)

0 引言

綜放工作面的瓦斯來源一般包括新暴露煤壁瓦斯的涌出，采落煤炭的瓦斯涌出，采空區(qū)向工作面通風(fēng)空間的涌出等；采空區(qū)的瓦斯涌出主要包括在漏風(fēng)影響下采空區(qū)遺煤的涌出，鄰近層的涌出，對(duì)于厚煤層分層開采還有底分層的涌出等。影響采空區(qū)瓦斯涌出因素諸多，如煤階、地質(zhì)構(gòu)造、含量、開采順序與速度、采煤方法及工作面布置、頂?shù)装逄卣骷捌涫懿蓜?dòng)影響的規(guī)律、通風(fēng)方式與風(fēng)量等[1-4]。

除瓦斯抽采措施外，工作面瓦斯的稀釋功能主要依靠通風(fēng)完成，而風(fēng)流不但可以稀釋工作面的瓦斯也能誘導(dǎo)相關(guān)區(qū)域瓦斯向工作面涌入，因此風(fēng)流對(duì)工作面瓦斯的稀釋作用不能用簡(jiǎn)單的增加風(fēng)量線性、降低瓦斯?jié)舛鹊姆椒ㄟM(jìn)行描述。采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯量，受工作面布置方式及規(guī)模、開采工藝方法、風(fēng)量以及開采強(qiáng)度等影響，而采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯來源為相關(guān)區(qū)域的瓦斯賦存和殘留，因此煤層瓦斯含量或整體采空區(qū)的瓦斯源項(xiàng)強(qiáng)度大小也顯著影響著其向工作面的涌出。目前采用數(shù)學(xué)模型根據(jù)分源法等進(jìn)行瓦斯涌出預(yù)測(cè)和變化規(guī)律分析的方法較多，如灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)法、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)法、趨勢(shì)面預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、綜合動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)法等[5-9]。

1 瓦斯涌出量隨風(fēng)量變化規(guī)律

1.1 數(shù)值模擬結(jié)果

采空區(qū)瓦斯涌出影響因素較多，圖1為工作面推進(jìn)速度不同(vt：2～10 m/d)在風(fēng)速(vin)0.8 m/s、1 m/s、1.4 m/s、1.8 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s條件下，由初采至開采90 d期間采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯量。由圖可知，工作面開始采煤至90 d期間，開采初期隨開采時(shí)間的延續(xù)采空區(qū)向工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量急速增加，開采至一定時(shí)間時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到最大值，之后隨開采時(shí)間的延續(xù)絕對(duì)瓦斯涌出量逐漸降低，絕對(duì)瓦斯涌出量降低至一定量時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，即由初始采煤開始，采空區(qū)的絕對(duì)瓦斯涌出量先急速增加至最大值，之后涌出量逐漸衰減，然后趨于穩(wěn)定。

圖1 風(fēng)速及推進(jìn)速度對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出的影響Fig.1 Influence of wind speed and mining speed on gas emission from goaf

1.2 開采時(shí)間的影響

開采初始，隨著開采時(shí)間延續(xù)絕對(duì)瓦斯涌出量增加，主要是由于這個(gè)時(shí)期采空區(qū)未充分垮落、壓實(shí)。持續(xù)開采會(huì)導(dǎo)致可以涌出瓦斯的范圍逐漸擴(kuò)大，隨時(shí)間延續(xù)絕對(duì)涌出量具有顯著增加趨勢(shì)；達(dá)到最大值以后采空區(qū)的絕對(duì)瓦斯涌出量開始下降，其原因在于，此時(shí)采空區(qū)結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定，漏風(fēng)相對(duì)穩(wěn)定，且新形成的采空區(qū)中遺煤及鄰近層煤炭中的瓦斯在前期采動(dòng)影響下已經(jīng)有一定量的放散和涌出，后期新形成的采空區(qū)向外涌出瓦斯的源項(xiàng)強(qiáng)度顯著低于前期，雖然此時(shí)采空區(qū)可能有效涌出范圍更廣，但其含量和濃度相對(duì)較低，共同導(dǎo)致這個(gè)時(shí)期的瓦斯涌出量逐漸衰減；在后期采空區(qū)向工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量基本穩(wěn)定，可能是由于開采時(shí)間較長(zhǎng)以后，采空區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，有效涌出范圍或長(zhǎng)度相對(duì)穩(wěn)定，且新形成的采空區(qū)的瓦斯在前期受采動(dòng)影響的自由放散過程中很大程度上放散了大量的賦存含量，在未開采到該處時(shí)其可能涌出范圍內(nèi)的瓦斯基本涌出完成，距離巷道空間較深區(qū)域的瓦斯基本不能大量擴(kuò)散涌出，因此這些區(qū)域一旦落入新形成的采空區(qū)中，其瓦斯含量等基本一致，從而共同決定著在開采后期采空區(qū)的絕對(duì)瓦斯涌出量將保持在一個(gè)相對(duì)較低且穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

1.3 供風(fēng)速度的影響

圖1中(a)～(f)每幅圖單獨(dú)分析顯示，工作面的供風(fēng)速度越大，采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯量越大。工作面通風(fēng)過程中，存在著向采空區(qū)漏風(fēng)的問題，風(fēng)量越大，采空區(qū)漏風(fēng)范圍和漏風(fēng)量越大，瓦斯涌出量增加。但風(fēng)量增加、漏風(fēng)增強(qiáng)，采空區(qū)瓦斯涌出也存在降低的可能，風(fēng)量增加對(duì)采空區(qū)向工作面瓦斯涌出量的影響確實(shí)存在增加和降低2種可能，主要?dú)w因于采空區(qū)的瓦斯源項(xiàng)性質(zhì)及強(qiáng)度[14-16]。采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家话阌蓽\部向深部具有高—低或低—高—低的趨勢(shì)，所以采空區(qū)向工作面涌出瓦斯一般通過2種作用實(shí)現(xiàn)，一種是瓦斯?jié)舛忍荻犬a(chǎn)生的擴(kuò)散作用，另一種為風(fēng)壓、風(fēng)速梯度導(dǎo)致的對(duì)流作用。近鄰煤壁的淺部采空區(qū)瓦斯涌出過程中擴(kuò)散和對(duì)流引導(dǎo)作用均顯著；深部采空區(qū)由于與采煤工作面較遠(yuǎn)、壓實(shí)程度高、瓦斯?jié)舛鹊?，其通過擴(kuò)散作用向工作面涌出瓦斯較難實(shí)現(xiàn)，而在供風(fēng)量大、漏風(fēng)范圍大、漏風(fēng)量大的條件下，深部采空區(qū)瓦斯向工作面涌出主要受漏風(fēng)流場(chǎng)的影響，采空區(qū)瓦斯涌出的主導(dǎo)形式以對(duì)流作用為主。

1.4 漏風(fēng)流場(chǎng)的對(duì)流作用

漏風(fēng)流場(chǎng)的對(duì)流作用對(duì)采空區(qū)相對(duì)深部瓦斯的影響也存在2種不同的作用，其一為誘導(dǎo)攜帶作用，其二為抑制作用。

誘導(dǎo)攜帶作用:主要指漏風(fēng)對(duì)流較強(qiáng)區(qū)域風(fēng)流對(duì)周圍風(fēng)流場(chǎng)較弱區(qū)域的風(fēng)流誘導(dǎo)，瓦斯隨誘導(dǎo)漏風(fēng)流攜帶而出，以及漏風(fēng)流流經(jīng)過程對(duì)采空區(qū)瓦斯的直接攜帶作用，二者協(xié)同作用。誘導(dǎo)作用主要發(fā)生在兩道沿線附近，漏風(fēng)流在進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道沿線向內(nèi)漏入，在回風(fēng)巷道沿線向外漏出，均會(huì)誘導(dǎo)擾動(dòng)附近受采空區(qū)影響的采空區(qū)兩側(cè)區(qū)域內(nèi)部流場(chǎng)，從而誘導(dǎo)受擾動(dòng)影響區(qū)域的瓦斯涌向采空區(qū)并通過采空區(qū)涌出。

抑制作用：主要指經(jīng)工作面向采空區(qū)漏風(fēng)經(jīng)由淺部采空區(qū)流入較深部采空區(qū)、鄰近層、上覆巖層及其他相鄰貫通的裂隙帶等區(qū)域過程中會(huì)抑制上述區(qū)域涌出瓦斯向采空區(qū)淺部與工作面流動(dòng)，從而抑制了這些區(qū)域瓦斯的涌出。抑制作用主要發(fā)生在采空區(qū)的較深部區(qū)域，此區(qū)域漏入風(fēng)流向深部流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致深部瓦斯向外涌出難度增加；同時(shí)，在采空區(qū)附近同層位和上下鄰近層及其周圍區(qū)域由于采動(dòng)影響產(chǎn)生大量裂隙帶，當(dāng)漏風(fēng)流風(fēng)壓高于裂隙發(fā)育區(qū)域風(fēng)壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流向裂隙區(qū)域流動(dòng)從而抑制通過裂隙向本采空區(qū)涌出的瓦斯；當(dāng)裂隙發(fā)育區(qū)域風(fēng)壓高于漏風(fēng)風(fēng)壓時(shí)，裂隙發(fā)育區(qū)域風(fēng)流將向本采空區(qū)流動(dòng)帶來大量殘存瓦斯的涌出，并隨漏風(fēng)回流至本采空區(qū)進(jìn)而流向工作面，該情況的漏風(fēng)流對(duì)裂隙發(fā)育區(qū)域的瓦斯反而是誘導(dǎo)攜帶作用，會(huì)增加采空區(qū)的瓦斯涌出總量。

采空區(qū)向工作面涌出瓦斯過程中，漏風(fēng)流場(chǎng)的對(duì)流誘導(dǎo)攜帶作用占主導(dǎo)，因此，一般供風(fēng)量增加，瓦斯涌出量將顯著增強(qiáng)；當(dāng)采空區(qū)涌出瓦斯源項(xiàng)主要來源于鄰近層或相關(guān)裂隙發(fā)育區(qū)域時(shí)，漏風(fēng)流場(chǎng)的抑制作用顯著，瓦斯涌出量降低。

2 瓦斯涌出量隨推進(jìn)速度變化規(guī)律

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2為風(fēng)量一定時(shí)，不同推進(jìn)速度下采空區(qū)向工作面涌出的瓦斯量變化規(guī)律，可以看出，推進(jìn)速度不同采空區(qū)向工作面涌出瓦斯量存在顯著差異。圖2(a)，風(fēng)速0.8 m/s時(shí)除初采短暫的幾天內(nèi)存在一定波動(dòng)，在其它大部分時(shí)間內(nèi)，推進(jìn)速度越大，采空區(qū)向工作面涌入的瓦斯量越??；圖2(b)～(f)，在初采的一定時(shí)期內(nèi)，推進(jìn)速度越大，采空區(qū)向工作面涌入瓦斯量越大，開采一定時(shí)間后，工作面推進(jìn)速度越大，采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量越小。

圖2 推進(jìn)速度對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出的影響Fig.2 Influence of mining speed on gas emission from goaf

2.2 結(jié)果分析

在開采初期尤其是在初次來壓之前，采空區(qū)未壓實(shí)，開采速度越大采空區(qū)的范圍越大，雖然頂板未出現(xiàn)大面積垮落等，但開采初期本煤層與鄰近層及上下分層之間由于采動(dòng)影響裂隙等大量形成，導(dǎo)致瓦斯涌出的區(qū)域范圍較大且處于涌出初期源項(xiàng)強(qiáng)度較大，共同導(dǎo)致推進(jìn)速度越快，向工作面涌出的瓦斯量越大。推進(jìn)速度越大，采空區(qū)長(zhǎng)度越大，采空區(qū)深部?jī)?nèi)任意點(diǎn)的漏風(fēng)速度是衰減的，雖然殘余漏風(fēng)速度比小推進(jìn)速度大，但相對(duì)于較長(zhǎng)的采空區(qū)范圍和瓦斯到達(dá)工作面需要行經(jīng)的較長(zhǎng)路線相比是微弱的，即推進(jìn)速度增大瓦斯向工作面涌出時(shí)的單位長(zhǎng)度路徑內(nèi)的阻力降低，但需要經(jīng)過的路線大大增加，導(dǎo)致其沿程總阻力增加，所以開采一定時(shí)間后采空區(qū)深部瓦斯很難達(dá)到工作面，出現(xiàn)開采一定時(shí)間后瓦斯涌出量出現(xiàn)隨推進(jìn)速度增加而降低的現(xiàn)象；同時(shí)開采速度加快，頂板下沉量降低且對(duì)鄰近層的采動(dòng)影響低，所以鄰近層的瓦斯涌出會(huì)相應(yīng)降低。

3 瓦斯涌出達(dá)到最大值的時(shí)間及變化規(guī)律

3.1 工作面推進(jìn)速度對(duì)絕對(duì)瓦斯涌出量的影響

工作面推進(jìn)一段時(shí)間后，由于推進(jìn)速度越小，采空區(qū)長(zhǎng)度越小，雖然采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)較小，但深部瓦斯運(yùn)移至工作面的路徑較短，總阻力相對(duì)較低，所以后期推進(jìn)速度慢時(shí)瓦斯涌量越大，且采空區(qū)長(zhǎng)度小時(shí)漏風(fēng)對(duì)采空區(qū)的穿透和擾動(dòng)能力較強(qiáng)，共同導(dǎo)致這一結(jié)果。對(duì)于采空區(qū)的絕對(duì)瓦斯涌出量受工作面推進(jìn)速度影響的問題，前人研究持2種不同觀點(diǎn)，文獻(xiàn)[14]及文獻(xiàn)[15]認(rèn)為隨推進(jìn)速度的增加，采空區(qū)的絕對(duì)瓦斯涌出存在增加與降低2種可能；經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提出推進(jìn)速度增加，絕對(duì)瓦斯涌出量也相應(yīng)增加，這與圖2開采前期階段規(guī)律一致。因此，風(fēng)量相同條件下工作面開采速度對(duì)瓦斯涌出量的影響分為2個(gè)階段2種情形，在工作面開采的初期階段，開采推進(jìn)快，瓦斯涌出量高，開采一定時(shí)期后，規(guī)律則相反。

3.2 絕對(duì)瓦斯涌出量最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間

采空區(qū)瓦斯涌出量隨開采時(shí)間的持續(xù)先增加至最大值后隨時(shí)間衰減，一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定，采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間(tQCH4max)為開采過程中采空區(qū)瓦斯涌出的特殊時(shí)間點(diǎn)，該時(shí)間點(diǎn)前后的采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量受推進(jìn)速度影響，規(guī)律相反。圖3為采空區(qū)瓦斯涌出量最大值對(duì)應(yīng)開采時(shí)間的變化規(guī)律，圖3(a)顯示推進(jìn)速度越大采空區(qū)瓦斯涌出量達(dá)到最大值所需的時(shí)間越長(zhǎng)，圖3(b)顯示風(fēng)速越大達(dá)到最大值所需時(shí)間越長(zhǎng)。圖3(a)顯示，任意推進(jìn)速度下風(fēng)速增加采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到峰值時(shí)所需時(shí)間隨風(fēng)速線性增加，具有式(1)的直線關(guān)系，不同推進(jìn)速度下擬合數(shù)據(jù)見表1。

圖3 進(jìn)風(fēng)速度及開采速度對(duì)絕對(duì)涌出量達(dá)到最大值所需時(shí)間的影響Fig.3 Influence of wind speed and mining speed on the time required for absolute gas emission to reach the maximum

表1 瓦斯涌出達(dá)到峰值所需時(shí)間與風(fēng)速關(guān)系擬合曲線的系數(shù)Table 1 Fitting curve coefficient of the relationship between the time needed for gas emission to reach the peak value and the wind speed

tQCH4max=a+b·vin

(1)

表1中不同推進(jìn)速度下直線方程公式(1)的斜率a和截距b與推進(jìn)速度vt之間具指數(shù)關(guān)系，見式(2)、(3)，形成統(tǒng)一的不同推進(jìn)速度和不同風(fēng)速下采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到最大值的時(shí)間均可以由式(4)進(jìn)行判定。

a=8.8+86.4exp(-0.60vt)

(2)

b=-5.6-63.5exp(-0.72vt)

(3)

tQCH4max=86.4exp(-0.60vt)-[5.6-63.5exp(-0.72vt)]vin+8.8

(4)

3.3 絕對(duì)瓦斯涌出量最大值與其對(duì)應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

由于采煤開始至采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到最大值所需要的時(shí)間(tQCH4max)占整個(gè)工作面開采期的比例較小，因此對(duì)最大值以后的采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量QCH4max變化規(guī)律進(jìn)行分析具有重要意義。(tQCH4max)以后的采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量QCH4max(m3/min)與時(shí)間t(d)之間具有式(5)所示的關(guān)系，式(5)中a、b與推進(jìn)速度的關(guān)系如(6)、(7)，式(6)中a1、b1與風(fēng)速之間具有式(8)、(9)的關(guān)系，式(7)中a2、b2與風(fēng)速之間具有式(10)、(11)的關(guān)系。

QCH4=10AtB

(5)

A=a1ln(vt)+b1

(6)

B=a2ln(vt)+b2

(7)

a1=0.964 7vin2-2.133vin+1.383 5

(8)

b1=-1.31vin2+3.090 9vin-1.568 4

(9)

a2=-0.078 1vin2+0.157 7vin-0.378 3

(10)

b2=0.024 7vin2+0.209 8vin-0.365 1

(11)

以上方程(5)～(11)將瓦斯涌出量達(dá)到最大值以后開采過程中采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量與工作面推進(jìn)速度和風(fēng)速之間建立了量化關(guān)系。將式(6)～(11)代入式(5)即可依據(jù)工作面推進(jìn)速度和風(fēng)速判斷采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量。

4 結(jié)論

(1)工作面開采初期瓦斯涌出量較低，隨開采時(shí)間的延續(xù)逐漸增加，達(dá)到涌出量峰值后逐漸下降并趨于穩(wěn)定；風(fēng)量增加、開采速度加快瓦斯涌出量最大值增加，達(dá)到瓦斯涌出量最大值的時(shí)間前者增加、后者降低。

(2)采空區(qū)瓦斯涌出量受風(fēng)速和推進(jìn)速度影響顯著，一般風(fēng)量越大采空區(qū)瓦斯涌出量越大；相同風(fēng)量條件下，不同開采速度下，瓦斯涌出量達(dá)最大值前，推進(jìn)速度越大，瓦斯涌出量越大，瓦斯涌出量至最大值后，推進(jìn)速度快其瓦斯涌出量低。

(3)采空區(qū)瓦斯涌出以擴(kuò)散和對(duì)流作用形式出現(xiàn)，一般漏風(fēng)流場(chǎng)對(duì)瓦斯涌出具有誘導(dǎo)、攜帶作用導(dǎo)致瓦斯涌出量增加；也具有抑制作用導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量降低，抑制作用主要發(fā)生在風(fēng)壓低于漏入風(fēng)流風(fēng)壓的深部采空區(qū)以及部分裂隙發(fā)育區(qū)域內(nèi)的瓦斯。