采空区瓦斯涌出及防治技术研究现状及分析.doc

采空区瓦斯涌出及防治技术研究现状及分析李光，蒋承林，公衍伟（中国矿业大学 安全工程学院，江苏，徐州221116）摘要：在矿井开采的过程中，上下煤（岩）层受采动影响，会造成煤（岩）层的移动，从而形成采动裂隙，导致邻近层瓦斯向采空区涌入，本煤层采落的遗煤也会释放出瓦斯，进而造成采空区内富含大量瓦斯。由于采空区瓦斯会大量涌出，造成采煤工作面上隅角，回风流甚至总回风道中瓦斯浓度超限，严重影响正常生产。通过对瓦斯在采空区的分布和运移规律各种因素的分析，总结出其运移分布规律，对治理采空区瓦斯涌出有指导作用。分析了目前常用的处理方法，及对各自优缺点作了阐述，为各矿提供参考依据，针对实际情况，因地制宜选择合适的治理方法。关键字：瓦斯涌出；运移规律；分布特征；防治技术近年来，随着综采放顶煤技术的大力推广和应用，煤炭产量大幅度提高，取得了良好的经济效率。但这种方法冒落高度大、采空区遗煤增多，对上下煤（岩）层产生影响，遗煤也会解吸出瓦斯，涌入采空区，当采空区积存大量瓦斯后，往往被漏风带入生产巷或工作面造成瓦斯积聚，涌出量约占工作面瓦斯的50%60%12，甚至更高。因此，处理好采空区瓦斯对保障矿井安全开采起到十分重要的作用。1 采空区瓦斯的来源及运移规律采煤工作面的瓦斯涌出除本煤层煤壁涌出、采落煤炭放散的瓦斯外，由采空区涌出到工作面的瓦斯也是一个重要来源34。采空区瓦斯的涌出特征与煤层的赋存条件、开采方式密切相关，从采空区瓦斯来源来看，总体上可分为两类：邻近层涌入的瓦斯和本煤层开采涌出的瓦斯56。1.1 邻近层瓦斯涌入的运移规律 煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断，即会在上覆岩层中形成采动裂隙，导致邻近层瓦斯向开采层采空区的大量的涌入。从各邻近层涌入的高浓度瓦斯在压力扩散、浓度扩散和风流扰动的作用下，在采空区内重新分布，直至达到新的压力和浓度的平衡。厚煤层的分层开采和多层可采煤层，在开采本煤层过程中，上煤层或上分层的瓦斯将沿采动裂隙向本煤层的采空区大量涌入。下邻近煤层由于本煤层的开采而导致其覆盖压力的解除，煤岩体产生膨胀变形，煤层透气性大大增加。因而下邻近煤层以及围岩中的大量瓦斯通过膨胀裂隙迅速涌入回采工作面采空区。邻近煤层向采空区放散瓦斯的最大距离主要取决于层间岩层性质和细微裂隙的发育程度，而向采空区供给瓦斯的范围，取决于上下左右区域的煤层赋存性质、层间岩性和顶板管理方法，以及开采空间的形状等。由于煤系地层裂隙的发展不是连续圆滑地进行，因此邻近煤层的瓦斯涌出具有“跳跃”的性质，这也决定了邻近层瓦斯涌出规律的特殊性。从邻近煤层大量涌入采空区的瓦斯在采空区内运移、重新分布，直到维持新的动态平衡。上邻近层瓦斯沿采动裂隙向开采层采空区涌入后，由于瓦斯的浮升力作用，瓦斯滞留在采空区上部区域；下邻近层涌入的瓦斯会受浮升力的作用也上升到采空区上部区域，且瓦斯在整个采空区内都符合这种分布特点，所以在垂直方向上，在近顶板附近的瓦斯浓度高于在近底板附近的瓦斯浓度。另外，由于涌入点的分布和涌入量的大小不同，使得从走向和倾向的平面上看，瓦斯浓度在瓦斯涌入点附近浓度大，梯度大。1.2 本煤层瓦斯运移规律随着工作面的推进，采落的遗煤在采空区深部解吸出瓦斯，由于距离工作面较远，风速低、风流紊动作用小、漏风流与煤体的对流传质系数小，涌出瓦斯不易被漏风流带走，使瓦斯易积聚。采空区浮煤析出的瓦斯滞留在采空区内，同样由于瓦斯比重轻，受到浮升力作用，在采空区内具有上升的趋势。瓦斯在浮升力作用下形成浮羽流，使瓦斯浮升到采空区顶部，即使有微团被扰动，但在浮升力的作用下又会回到顶部边界。另外，如开采空间有大量邻近层瓦斯涌入，这些都会造成采空区瓦斯浓度大大升高。由流体力学知，巷道周边存在层流边界层，处于边界层的瓦斯不存在紊流扩散，只有分子扩散，而分子扩散又存在与普通扩散不同的压强扩散，使得采空区顶部的高浓度瓦斯不易扩散到漏风流中去。2 采空区瓦斯的分布特征在近工作面区域，由于漏风风流流速较大，风流对瓦斯的扰动大，高浓度瓦斯随同本煤层在采空区内吸出瓦斯一同被漏风流经上隅角带走的同时，瓦斯浓度也在这个区域内重新分布，由于漏风流的冲刷作用，在近进风巷瓦斯浓度低，近回风巷瓦斯浓度高。在这区域内涌入的瓦斯在随工作面的推进，瓦斯浓度在沿煤层方向上向采空区深部趋于平衡。在远离工作面的区域，漏风流较小甚至影响不到，瓦斯的分布受到的扰动较小，因而上、下邻近煤层采空区涌入的瓦斯，其瓦斯浓度在平行于煤层方向上的瓦斯涌入点附近，瓦斯浓度大，梯度大，且这种分布除了受浓度扩散和压力扩散作用外，不受其它作用的扰动而维持瓦斯在采空区的这种分布。此外，一方面由于采空区内的漏风流风速远远低于工作面风速，采空区内的瓦斯就不易被风流带走。采空区在越远离工作面，漏风风速越小，被带走的瓦斯量就越少；另一方面由于受浮力作用，使瓦斯向顶板运移。这两原因使得采空区内瓦斯积聚特别是采空区顶部瓦斯浓度值更高7。3 采空区瓦斯处理方法及分析为了有效地防止采空区瓦斯涌出对矿井安全生产的危害，同时为了开发利用瓦斯利用资源，减少对大气环境的污染，国内外人员做了大量研究和探索，积累了丰富的经验。目前常用的防治方法有调整风量、均压法、疏导法和抽放法等8 11。3.1 调整风量通常情况下，当回采工作面瓦斯超限时，首先想到采取的措施即是增加风量，一般情况下采取此方法可起到降低工作面瓦斯浓度的效果。起初由于工作面风量增大，压力加大，而采空区相对工作面负压增大，采空区漏风量也随之增大，高浓度瓦斯从采空区大量涌向工作面回风隅角，回风流瓦斯浓度急剧上升；然后，浓度开始下降，经过一段时间，回风流瓦斯浓度降到原值以下，即起到了降低工作面瓦斯的效果，保障了安全开采。但该方法并不适合所用的矿井，更不能照搬硬套，盲目的加大风量，对降低工作面、上隅角或回风巷瓦斯浓度是不利的，要注意使用条件12。3.2 均压法均压法就是采用风窗、风机、连通管、调级气室等调压手段，改变通风系统内的压力分布，降低漏风两端的压差，减少向采空区漏风及瓦斯涌出1314。采空区瓦斯源带压力为Hz，工作面压力为Hi，HzHi= H，采取均压综合防治措施，使得工作面Hi变大，Hz变化不大，则H变小，即瓦斯源带压力与工作面区段内的压力差值减少，邻近层采空区瓦斯渗透程度和扩散程度降低，邻近层采空区瓦斯涌出随之降低，起到防治效果1517。3.3 疏导法 疏导排放法就是通过改变采空区漏风方向或采空区瓦斯涌出的方式，以减少采空区瓦斯积存量，达到防止或减少采空区瓦斯沿工作面上风巷隅角侧涌出的目的。其主要措施有：尾巷排放法、风筒导引法、采空区强制漏风排出法18。3.4 预埋管抽放法为防止采空区瓦斯涌入工作面，引起瓦斯浓度超限，在工作面预先布置抽放竖路，最前面一个竖管距工作面一定距离（按实际情况确定），竖直安装，底面用三通与抽放管路连接。竖管一般长11.5m左右，顶端封闭，在顶部均匀钻一些小孔，用纱布包好，放入采空区抽放。预埋管法对抽放采空区上隅角瓦斯具有独特的作用，通过抽放可以使采空区上隅角瓦斯改变流向，减少或停止向工作面涌出，从而明显降低采空区瓦斯涌出量，提高矿井生产的安全性和效益，同时还可提高采空区瓦斯抽放浓度12。3.5 引导抽放法利用抽放邻近层采空区的瓦斯引排现采空区瓦斯。在煤层无自然发火危险的工作面，如其上区有采空区存在时，应首先考虑强化抽放上区段采空区的内瓦斯。在上区段采空区内形成一个负压区，破坏新、老采空区内的压力平衡，使现采空区的瓦斯在上区段采空区抽放负压的作用下流入上区段采空区，达到间接抽放采空区瓦斯的目的。这种方法能够解决工作面和回风大巷的瓦斯超限问题。3.6 顶板巷道抽放煤层群开采的综采或综放工作面，在采空区瓦斯涌出量较大时，可采用顶板走向或倾向巷道抽放采空区瓦斯。该方法具有抽放时间长、瓦斯抽放效果较好等特点，但工程量大，需在顶板掘出一条或多条巷道。它适用于厚煤层或有上邻近开采的工作面，且瓦斯涌出量较大19。3.7 利用消火道布置钻孔煤层群开采的综采或综放工作面，利用本阶段布置好的消火道布置钻孔，对上段采空区的瓦斯进行抽放。该方法是利用原有的巷道进行抽放工作，节省了开拓准备量。缺点是抽放工作不能与消防火工作同时进行。3.8 高位钻孔抽放该方法能抽放出高浓度瓦斯，抽放量稳定；缺点是需掘一段上山巷道，钻孔布置在老顶内，打钻费用高。适用于邻近层、瓦斯涌出量中等以上的工作面20。3.9 尾巷抽放采空区瓦斯一些高产高效都采用双巷布置，其中一条尾巷可通过埋管、向采空区打抽放钻孔或密闭抽放采空区瓦斯。该方法可在最佳抽放位置对采空区瓦斯进行强化抽放，即在采空区内的负压区，使采场内形成通风负压与抽风负压相对平衡，实现采空区均压抽放，防止采空区瓦斯涌向工作面，抽放采空区瓦斯效果显著，但在常管理上有一定的难度21。4 结论（1）采煤工作面的瓦斯不仅仅包括煤岩巷、采落煤块的瓦斯的涌出还包括采空区瓦斯涌出，含量所占比例为50%60%，甚至更高。 （2）采空区瓦斯来自本煤层采落遗留的浮煤，以及邻近层受本煤层采动影响，释放的瓦斯。（3）在高度方向上，由于瓦斯受浮升力的作用，使采空区顶板附近的瓦斯浓度高于采空区底板附近的瓦斯浓度，并且这种分布特点适用于整个采空区。（4）在沿工作面方向上，在漏风流影响到的区域，进风侧的瓦斯随风流向回风侧运移，导致回风侧瓦斯浓度的增大；在远离工作面，漏风流涉及不到的地方，这种回风侧比进风侧瓦斯浓度高的分布特点并不明显。（5）调节风量、疏导法是常用的控制采空区瓦斯涌出的方法，对降低采煤工作瓦斯浓度的效果也比较明显，因地制宜选择适合的方法，可起到事半功倍的效果。（6）均压综合防治技术治理邻近层采空区瓦斯涌出是一种简单、有效的方法，在有条件的情况下，配台瓦斯排放泵或除尘式风机，治理效果会更明显。（7）瓦斯抽放是目前研究使用较广的一种方法，能从根本上减少瓦斯，保障安全生产，抽放的方法也较多，根据各自的条件选择合适的抽方法。参考文献1 李宗祥，题正义，赵国忱.回采工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究J. 中国地质灾害与防治学报，2005，16（4）：42-46.2 喻启香.矿井瓦斯防治M.徐州：中国矿业大学出版社，1993.3 国家煤矿安全监察局人事培训司.矿井瓦斯防治M.徐州：中国矿业大学出版社，2002.4 高松，龚国民.采空区瓦斯涌出的控制J.煤矿安全，2002，33（3）：13-15.5 李宗翔 ，裴明顺 ，陆晓明.瓦斯安全管理新指标采空区瓦斯涌出强度J.辽宁工程技术大学学报，2005，24（6）：808-810.6 王勇.堵排结合防治采空区瓦斯J.中州煤炭，2006，3：84-85.7 李守国.采空区瓦斯涌出运移分布规律分析J.煤矿安全，2006（11）：21-22.8 汪东生.瓦斯抽排技术治理本煤层采空区瓦斯涌出的实践J.煤矿安全，2006，01：13-159 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术M.徐州：中国矿业大学出版社，199610 李铁良，陶玉梅，刘先平等.采空区瓦斯涌出特征与抽放方法综述J.煤矿安全，2003，23（4）：22-24.11 王化龙.防治采空区瓦斯涌出J.煤矿安全，1989，10-13.12 林柏泉，张仁贵.U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理J.煤炭学报，1998，23（2）：155-160.13 王德明.矿井火灾学M.徐州：中国矿业大学出版社，2008.14 何航俊，胡发忠，侯长河等.利用均压技术防治综放采空区瓦斯涌出J.矿业安全与环保，2000，27：125-126.15 汪东升.均压综合防治技术治理邻近层采空区瓦斯涌出J.山东煤炭科技，1996，4：19-22.16 王全龙.回采工作面相邻采空区瓦斯涌出影响因素分析及治理对策J.煤炭工程，2006，9：45-47.17 郭凡进.保德煤矿采空区瓦斯涌出异常原因分析及防治措施J.煤炭工程，2006，6：66-68.18 刘泽