牛文強(qiáng)，李春強(qiáng)

(1.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000；2.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司陳家山煤礦，陜西 銅川 727102)

0 引言

瓦斯是煤的伴生氣體，主要成分是甲烷，主要以吸附態(tài)賦存于煤體孔隙中[15]。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯災(zāi)害治理不當(dāng)可能導(dǎo)致瓦斯爆炸、瓦斯窒息甚至煤與瓦斯突出事故，嚴(yán)重威脅煤礦工人的安全[69]。瓦斯異常涌出是瓦斯災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)之一，因此，對(duì)高瓦斯工作面開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯異常原因進(jìn)行分析并提出具體的治理措施具有重要意義。

針對(duì)高瓦斯工作面瓦斯異常涌出現(xiàn)象，眾多專(zhuān)家學(xué)者提出了一些有益的防治方法。向東[10]針對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出問(wèn)題，提出增大供風(fēng)量、保護(hù)煤柱寬度，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度等措施，有效降低了工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?。劉曉恒等[11]針對(duì)綜放工作面推進(jìn)至瓦斯異常區(qū)時(shí)，采空區(qū)瓦斯涌出量大、回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)題，提出設(shè)置隔離墻、導(dǎo)風(fēng)帳、埋管抽放的采空區(qū)-上隅角瓦斯治理、均壓通風(fēng)和高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，有效防止了瓦斯超限和異常涌出事故。王帥等[12]研究了大氣壓力變化對(duì)瓦斯異常涌出的影響，提出采取頂板瓦斯抽采負(fù)壓動(dòng)態(tài)調(diào)整與上隅角明管抽采綜合技術(shù)措施，降低了極端天氣條件下采空區(qū)瓦斯異常涌出數(shù)量與強(qiáng)度，保障了工作面的安全生產(chǎn)。王春光[13]以塔山煤礦為例，研究了煤層注水抑制落煤瓦斯涌出和專(zhuān)用巷分期抽排采空區(qū)瓦斯聯(lián)合防治技術(shù)來(lái)治理瓦斯異常災(zāi)害，結(jié)果表明該技術(shù)可以將回采期間的工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.6%以下。郭翔[14]研究了礦井采空區(qū)“呼吸”導(dǎo)致的瓦斯異常涌出情況，提出了采空區(qū)瓦斯抽采、工作面均壓通風(fēng)和巷道噴涂堵漏風(fēng)技術(shù)，有效抑制了大氣參數(shù)變化引起的瓦斯異常涌出。李崗[15]從自然和非自然因素2個(gè)方面探討了采空區(qū)瓦斯涌出量的影響，為瓦斯異常涌出原因分析提供了參考。雖然前人進(jìn)行了大量的研究，但是仍需要進(jìn)一步對(duì)采空區(qū)瓦斯異常涌出原因進(jìn)行分析驗(yàn)證，然后提出合理的防治措施。

以陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司陳家山煤礦429工作面瓦斯異常涌出現(xiàn)象為例，分析下行通風(fēng)方式、自然風(fēng)壓對(duì)工作面瓦斯異常涌出的影響，并對(duì)其進(jìn)行分析驗(yàn)證，根據(jù)429工作面瓦斯異常涌出原因提出具體防治措施。

1 工程背景

1.1 429綜放工作面概況

429工作面位于四采區(qū)東翼，東翼主系統(tǒng)右側(cè)，切眼位置位于陳家山煤礦與下石節(jié)煤礦邊界左側(cè)，留有20 m邊界保安煤柱，上側(cè)為427工作面采空區(qū)，下側(cè)為未開(kāi)采區(qū)域。工作面可采走向長(zhǎng)度1 544 m，傾斜寬度180 m。429工作面開(kāi)采煤層為4-2煤層，該煤層底板起伏較大，底板標(biāo)高為930～1 019 m，埋藏深度為473～576 m，最深處位于429運(yùn)輸巷50 m處；最淺處位于429運(yùn)順940 m處。4-2煤層厚度2.8～4.5 m，平均3.4 m。含夾矸1～3層，夾矸厚度一般為0.1～1.5 m，平均厚度1.0 m。煤層厚度變化規(guī)律明顯，從停采線到開(kāi)切眼方向，煤層總體由薄變厚。煤巖層運(yùn)輸巷傾角為0°30′～3°50′，平均2°30′；回風(fēng)巷0°30′～6°00′，平均4°30′。運(yùn)輸巷高于回風(fēng)順槽5～18 m，煤巖層傾角為0°40′～5°42′，平均3°。

1.2 瓦斯賦存情況

陳家山煤礦煤、油、氣共存，屬于典型的高瓦斯礦井，瓦斯賦存形式為吸附游離兼有，含量隨著礦井開(kāi)采深度、煤層厚度、開(kāi)采強(qiáng)度的增大而增大，尤其在裂隙發(fā)育，煤層受擠壓后結(jié)構(gòu)破碎部位，瓦斯聚集顯現(xiàn)更為嚴(yán)重。依據(jù)“陳家山煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告”，4-2煤層瓦斯含量為0.69～7.26 mL/g，平均為2.87 mL/g，瓦斯成分CH4占22.85%～79.24%，平均63.0%；N2占18.01%～69.07%，平均34.0%；其他主要為CO2及C2H6，約占3%。在掘進(jìn)施工時(shí)瓦斯涌出量隨施工進(jìn)度逐漸變大。

依據(jù)《銅川礦業(yè)公司陳家山煤礦生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告》和427工作面在回采期間的瓦斯絕對(duì)涌出情況，結(jié)合429工作面4-2煤層瓦斯絕對(duì)涌出量等值線圖和掘進(jìn)期間邊掘邊抽和采前預(yù)抽情況，綜合分析預(yù)測(cè)，429工作面回采期間的瓦斯絕對(duì)涌出量為21.5～29.5 m3/min。

2 瓦斯異常涌出

2.1 巷道狀況

429工作面從2018年12月29日開(kāi)始頂板出現(xiàn)瓦斯異常涌出，時(shí)間一直持續(xù)到2019年2月9日，異常涌出期間運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽之間的高差在17～20 m，且回風(fēng)順槽巷道受壓變形嚴(yán)重，靠近工作面200 m范圍巷道僅達(dá)到設(shè)計(jì)斷面1/3，安排了兩個(gè)專(zhuān)職掘進(jìn)隊(duì)伍進(jìn)行維護(hù)起底，起底后巷道高度在1.7～1.8 m，斷面4～6 m2，僅能滿(mǎn)足工作面正常生產(chǎn)需要，達(dá)不到巷道通風(fēng)要求。

2.2 異常涌出前通風(fēng)、抽放及瓦斯情況

429工作面配風(fēng)量為1 230 m3/min，回風(fēng)順槽回風(fēng)量910 m3/min，工作面瓦斯抽采主要采取“上隅角一趟埋管抽放+高抽巷抽放”治理工作面瓦斯。上隅角埋管采用第3套SKA-670泵進(jìn)行抽放，高抽巷采用第5套2BEC72泵進(jìn)行抽放，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量在28.31 m3/min左右。其中，風(fēng)排瓦斯量在3.64 m3/min左右，抽放瓦斯量在24.67 m3/min左右(上隅角埋管抽放量1 m3/min，高抽巷抽放量23.67 m3/min)，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.4%～0.6%，風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.5%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.54%。

2.3 瓦斯異常涌出情況

頂板瓦斯異常涌出分別于2019年1月7日12—13時(shí)及1月14日9時(shí)30分、12時(shí)45分左右造成工作面多處瓦斯接近報(bào)警臨界值，經(jīng)檢查，造成瓦斯偏大的主要原因是工作面前端頭、1#～40#支架頂板均有瓦斯異常涌出，瓦斯?jié)舛茸畲笤?.95%以上；頂板瓦斯異常涌出期間，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量在20～32 m3/min，平均17 m3/min。其中風(fēng)排瓦斯量在5～17 m3/min，平均7 m3/min，抽放瓦斯量平均15 m3/min。

429工作面出現(xiàn)頂板瓦斯異常涌出前至1月4日，井下采用多功能抽采參數(shù)儀測(cè)定429高抽巷流量在200 m3/min左右，1月5日429高抽巷流量開(kāi)始下降，1月24日429高抽巷流量降至36 m3/min，從1月27日開(kāi)始直到頂板瓦斯異常消除期間，429高抽巷流量均不足1 m3/min。

為了減少429工作面頂板瓦斯異常涌出現(xiàn)象，配風(fēng)量相比以往工作面大500～800 m3/min，加之429高抽巷抽放流量不斷降低等不利因素，造成采空區(qū)漏風(fēng)大，對(duì)上隅角瓦斯治理不利。又因上隅角僅有一趟埋管進(jìn)行抽采，不能滿(mǎn)足上隅角瓦斯治理需要，從1月24日開(kāi)始利用回風(fēng)巷預(yù)抽系統(tǒng)再次向上隅角安裝了二趟埋管進(jìn)行治理，治理后上隅角瓦斯?jié)舛仍?%以下，滿(mǎn)足了工作面正常生產(chǎn)需要。

3 瓦斯異常涌出原因分析

3.1 下行通風(fēng)

429工作面為上山推采，運(yùn)輸巷布置高于回風(fēng)巷，為下行通風(fēng)，當(dāng)工作面推采至429運(yùn)輸巷4#～7#鉆場(chǎng)之間時(shí)，工作面前端頭及1#～40#支架頂板出現(xiàn)了瓦斯異常涌出現(xiàn)象。如圖1所示，工作面從里段向外推采時(shí)，運(yùn)回巷高差逐漸變大，當(dāng)推采至429運(yùn)輸巷4#～7#鉆場(chǎng)中間時(shí)高差最大，達(dá)到20 m，繼續(xù)向外推采時(shí)，運(yùn)回巷高差逐漸減小。分析瓦斯異常涌出區(qū)段，可得出結(jié)論,在工作面采用下行通風(fēng)條件下回采，運(yùn)回巷高差超過(guò)17 m時(shí)，會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)瓦斯風(fēng)流方向逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面靠近運(yùn)輸巷側(cè)采空區(qū)大量瓦斯積聚，由于工作面為上山推采，受瓦斯氣體密度影響，采空區(qū)積聚的大量瓦斯沿工作面支架頂板裂隙溢出，造成工作面瓦斯異常。

圖1 429工作面頂板瓦斯異常涌出期間巷道布置剖面Fig.1 Layout section of roadway during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

3.2 自然風(fēng)壓

圖2為自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向示意，根據(jù)自然風(fēng)壓計(jì)算公式

HN=Hs-RcQ2

(1)

式中，HN為自然風(fēng)壓，Pa；Hs為風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；Rc為風(fēng)阻，N·s2/m8；Q為風(fēng)量，m3/s。

圖2 自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向示意Fig.2 The natural wind pressure reverses the wind flow

當(dāng)風(fēng)阻Rc降低時(shí)，自然風(fēng)壓上升。

通過(guò)分析429工作面瓦斯異常涌出期間采空區(qū)瓦斯賦存及通風(fēng)系統(tǒng)，如圖3～5所示，可得出：采用降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻措施后，可增加采空區(qū)自然風(fēng)壓，以減少采空區(qū)風(fēng)流反向。

圖3 429工作面頂板瓦斯異常涌出期間降阻后采空區(qū)瓦斯賦存Fig.3 Gas occurrence in goaf after resistance reduction during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

圖4 429工作面頂板瓦斯異常涌出期間降阻后通風(fēng)系統(tǒng)Fig.4 Ventilation system after resistance reduction during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

圖5 429工作面頂板瓦斯異常涌出期間采空區(qū)瓦斯賦存剖面Fig.5 Gas occurrence profile in goaf during abnormal gas emission from the roof of 429 working face

另根據(jù)自然風(fēng)壓計(jì)算公式

HN=Zg(ρ1-ρ2)

(2)

式中，Zg為至最低水平間的距離，m；ρ1為進(jìn)風(fēng)空氣密度，kg/m3；ρ2為回風(fēng)空氣密度，kg/m3。

空氣密度計(jì)算公式

ρ=3.484(P-0.377 9φPs)/(273.15+t)

(3)

式中，ρ為濕空氣平均密度，kg/m3；P為濕空氣絕對(duì)靜壓，kPa；φ為濕空氣相對(duì)濕度，%；Ps為濕空氣中飽和水蒸氣絕對(duì)分壓，kPa；t為濕空氣溫度，℃。

通過(guò)式(2)、式(3)可知，當(dāng)氣溫升高時(shí)，空氣密度降低，相應(yīng)自然風(fēng)壓減小。

由此可得，受氣溫變化，地面溫度回升期間，采空區(qū)自然風(fēng)壓不斷降低，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯風(fēng)流反向程度加大，因此頂板瓦斯異常涌出嚴(yán)重時(shí)間段應(yīng)出現(xiàn)在地面氣溫最高時(shí)間段，從429工作面出現(xiàn)的2次超限可以得到很好驗(yàn)證。

3.3 分析驗(yàn)證

429工作面末采及運(yùn)輸巷回撤設(shè)備期間同樣為下行通風(fēng)，工作面處于末采及回撤階段于每天10—15時(shí)之間工作面前端頭以及1#～10#頂板出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象，局部瓦斯?jié)舛仍?0%以上，其間運(yùn)回巷道高差在9 m左右，末采期間工作面進(jìn)風(fēng)1 050 m3/min左右，回風(fēng)保持在750 m3/min左右，高抽巷抽放配氣打開(kāi)一半，瓦斯異常涌出期間未采取增加工作面風(fēng)量、降低風(fēng)阻及恢復(fù)高抽巷抽放等措施，僅在出瓦斯區(qū)域施工頂板短孔進(jìn)行治理，治理后效果并不明顯，因此也有效論證了429工作面頂板瓦斯異常規(guī)律分析結(jié)果。

4 現(xiàn)場(chǎng)措施及效果

2019年1月7日出現(xiàn)瓦斯異常涌出時(shí)，經(jīng)檢查，主要原因是工作面前端頭、1～10#支架頂板瓦斯異常涌出?，F(xiàn)場(chǎng)采取的措施：①工作面增加風(fēng)量370 m3/min后，運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)1 566 m3/min，回風(fēng)順槽回風(fēng)1 261 m3/min；②在工作面前端頭瓦斯異常涌出段施工2組8個(gè)頂板抽采短孔。經(jīng)過(guò)治理后，15時(shí)工作面瓦斯有所降低，異常涌出點(diǎn)瓦斯降至0.8%以下，滿(mǎn)足正常生產(chǎn)條件，工作面正常開(kāi)機(jī)生產(chǎn)。

2019年1月14日出現(xiàn)瓦斯異常涌出時(shí)，經(jīng)檢查，主要原因是工作面1#～40#支架頂板瓦斯異常涌出?，F(xiàn)場(chǎng)采取的措施：9時(shí)30分出現(xiàn)瓦斯異常涌出時(shí)，采取了系統(tǒng)減風(fēng)，工作面風(fēng)量在原有基礎(chǔ)上增加310 m3/min后，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)1 920 m3/min，回風(fēng)巷回風(fēng)1 573 m3/min，工作面瓦斯未出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，仍處于0.6%～0.8%。由于東翼系統(tǒng)無(wú)富余風(fēng)量，采取將429材料巷風(fēng)門(mén)打開(kāi)降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)壓措施后，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)2 060 m3/min，回風(fēng)巷回風(fēng)1 664 m3/min，工作面瓦斯?jié)舛戎本€下降，無(wú)異常涌出點(diǎn)，瓦斯?jié)舛冉抵?.3%以下。12時(shí)42分由于特殊情況，將429材料巷風(fēng)門(mén)關(guān)閉后，工作面瓦斯變化明顯，出現(xiàn)瞬間上升，再次造成了工作面瓦斯接近報(bào)警臨界值，經(jīng)檢查，瓦斯異常原因仍然是1#～40#支架頂板瓦斯異常涌出，分析瓦斯異常涌出與風(fēng)壓有直接關(guān)系，再次通過(guò)將429材料巷風(fēng)門(mén)打開(kāi)后，工作面瓦斯轉(zhuǎn)為正常，其后一直采取打開(kāi)429材料巷風(fēng)門(mén)的降阻措施減少頂板瓦斯異常涌出，工作面進(jìn)風(fēng)保持在1 700～2 000 m3/min，回風(fēng)保持在1 400～1 700 m3/min；其余時(shí)間段雖然未造成工作面瓦斯超限，但一直伴隨有頂板瓦斯異常涌出。

5 結(jié)論

通過(guò)429工作面頂板瓦斯異常規(guī)律性分析，工作面在回采期間處于下行通風(fēng)時(shí)，首先要加強(qiáng)預(yù)抽工作，以減少工作面瓦斯賦存量，降低來(lái)自采空區(qū)的瓦斯對(duì)工作面的影響；其次，在回采期間必須加強(qiáng)工作面前半部頂板瓦斯檢查，出現(xiàn)異常時(shí)，要及時(shí)采取降低通風(fēng)阻力、增加工作面配風(fēng)量及上隅角埋管、高抽巷抽放量等措施進(jìn)行治理。