高瓦斯综放工作面瓦斯涌出与分布特点

高瓦斯综放工作面瓦斯涌出与分布特点

采煤机技术在采矿厚煤层的特点上具有高产、高效、低能耗等优点。已成为煤炭开采技术的发展趋势之一。中国的全球采开运输技术正在发展。其中，在安全方面，特别是在对工作面岩石、砖瓦和煤层自燃的监督管理和其他技术措施方面取得了显著成效。这是中国全球采矿活动健康快速发展的基础。此外，我们必须继续加强科研工作，建立适合放顶煤开采特点的整体开采和开采方法，如适当的砖瓦泵和采矿。我国的大部分厚煤层是含瓦斯煤层.由于放顶煤工作面一次采全高,产量大,瓦斯的绝对涌出量增加,容易导致瓦斯超限以及潜在的瓦斯灾害,瓦斯问题成为制约放顶煤技术在我国推广应用的瓶颈.因此,针对放顶煤采煤工艺的特点,分析放顶煤工作面瓦斯涌出的规律和特点,并探索出了一套行之有效的综合防治措施,具有非常重要的意义.厚煤层放顶煤开采一次采出煤层全厚,采动后的岩层运动,工作面前方支撑压力的分布,顶煤运移和裂隙发育及其对瓦斯析出的影响,采空区瓦斯析出,运移和聚集情况与分层综采相比有很大不同.十多年来的生产实践表明,放顶煤开采并未强化瓦斯灾害威胁,一些放顶煤工作面因为其主要瓦斯来源为本煤层,使瓦斯灾害的威胁反而比分层开采有所缓和.放顶煤开采瓦斯防治实践表明,建立在分层开采基础上的厚煤层防治瓦斯的技术体系必须随着放顶煤整层开采的特点而加以调整.实践表明,放顶煤工作面瓦斯涌出及运移具有如下一些规律和特点.1工作面煤壁瓦斯排出系统瓦斯来源同普通综采相比有明显的变化.厚煤层分层采面瓦斯大部分来自前方煤壁、碎煤或下部煤体,瓦斯在煤层中处于吸附状态,由于瓦斯的上浮效应使其在涌出过程中易与风流混合,采用风排方式即能解决瓦斯问题;在放顶煤开采的条件下,由于工作面煤壁位于煤层底部,瓦斯来源主要为煤层下部的工作面煤壁和煤层上部的顶煤体.由于瓦斯的比重仅是空气的55.4%,上浮效应明显,故造成工作面下部煤壁瓦斯存在有上浮通道,风排效果差;煤层上部的顶煤体瓦斯因风流无法吹到而形成聚积,从而出现工作面支架顶部瓦斯超限现象较多,如图1所示.由于工作面瓦斯来源发生变化,因此,高瓦斯放顶煤工作面的通风系统和瓦斯抽放系统也需要根据这一变化特征进行改革.2分层开采影响瓦斯产出量煤层或工作面的相对瓦斯涌出量稳定:按传统方法确定厚煤层分层开采工作面瓦斯等级就应按第1分层相对瓦斯涌出量确定,并未考虑各分层瓦斯析出的不均匀性.但放顶煤开采是整层开采,按传统方法预测误差较大.以表1为例,厚煤层第1分层开采时的瓦斯涌出量多达平均值的2～3倍.而在采第2分层时,瓦斯涌出量均已不足分层的1/3,由此可知分层开采时瓦斯涌出极不均匀.分层开采回采顶分层时,大量瓦斯由采空区内以下各分层煤体中析出,此瓦斯量往往大于顶分层的瓦斯涌出量,而其瓦斯逸出范围也较大.包头矿务局河滩沟煤矿3#层平均相对瓦斯涌出量为15.9m3/(t·d).用分层开采,14m厚的煤层一般要分6层开采,顶分层开采时,由于采动影响,煤层赋存瓦斯60%以上将在顶分层面涌出,其相对瓦斯涌出量增加57.25m3/(t·d).当煤层较薄,分层数较少时,顶分层涌出瓦斯所占比重将明显增加.例如,平八矿戊9-10煤的2个工作面,12062面采下分层时,绝对涌出量为1.31m3/min;12091面采上分层时,绝对瓦斯涌出量为3.28m3/min.据此可算出上分层采面瓦斯涌出占总量的71.5%;下分层采面占28.5%;此两采面虽不重叠,但在同一煤层,同一采区,故可大致说明此特点.放顶煤开采时的特点是瓦斯涌出量是均匀的,最大相对瓦斯涌出量是分层开采时的平均瓦斯涌出量.因此,瓦斯治理要比分层开采时的分层容易得多.同时,建议对于放顶煤开采的工作面瓦斯进行预测时,应根据放顶煤开采的特点建立瓦斯涌出量预测计算方法,并以此为基础制定相应的瓦斯防治措施.3工作面瓦斯排放特征放顶煤开采时的顶煤厚度大于底层割煤厚度,顶煤析出的大部分瓦斯并不进入工作面主风流,由于瓦斯轻而上浮,导致在工作面支架后上方形成高瓦斯无风流区,见图1,相当于一个瓦斯库,紧随工作面前进.当顶板充分垮落,填满这一空间时,会将支架后上方聚积的瓦斯突然压入工作面,造成瓦斯超限.通过谢桥矿1121放顶煤采面瓦斯分布实测资料分析,可清楚地说明这一点.1121面平均煤厚4.83m,绝对瓦斯涌出量为14.1m3/min.实测时沿工作面全长布置10个测站,每站3个测点,分别位于煤壁上方,支架人行道及后部放煤输送机.测取的数据列入表2.为了获得直观的显示,作出工作面瓦斯含量分布曲面如图2.实测数据表明谢桥煤矿采用一进一回的U型通风方式,辅以走向长钻孔解决上隅角瓦斯积聚的方案是可行的.同时揭示出沿工作面长度方向,前半部分瓦斯浓度平缓,后三分之一部分,特别是第80号支架以后,瓦斯浓度急剧上升.此规律提示对上隅角瓦斯在工作面尾部20～30m范围内采取措施效果最为显著.许多综放面的瓦斯治理实践都可证明,一般把排瓦斯巷与抽放钻孔均布置在此范围内.4放顶煤工作面瓦斯浓度测定与工艺优化放顶煤工作面除了具有普通综采的某些瓦斯涌出特点(如割煤时易出现瓦斯超限及越靠近回风上隅角瓦斯超限机率越大)之外,还有自己的特性,即瓦斯涌出地点与工作面内风速分布的矛盾关系上.粗略测定放顶煤工作面的风速分布见图3:B区平均风速是A区的80%,C区则为70%左右,而支架与掩护梁上部又是瓦斯集中涌出地点.这样就形成了低风速与高瓦斯的重合区.放顶煤综采面瓦斯另一集中涌出点是支架放煤口.所有放顶煤工作面放煤口在放煤过程中都存在不同程度的瓦斯浓度增加现象,放煤口瓦斯增加的原因有3个,按其影响能力大小依次为:1)放煤过程中由于煤流下移带出瓦斯;2)放煤过程中引起支架上部煤体集中破坏,瓦斯急速增加;3)放煤过程中放出煤体空间由大块矸石填补,其孔隙率较大,有利于上方煤体集中破坏后形成瓦斯涌出通道.5采空区瓦斯排放程度加大,顶板充放电工程传播迅速放顶煤工作面在初采时,一般瓦斯涌出量较小,但随着工作面不断向前推进,瓦斯涌出量将逐渐增大,一般超过300m后瓦斯涌出量才趋稳定.这是由于放顶煤开采导致采空区冒裂带高度加大,有些区域难以压实,采空区大量瓦斯将在这些通道中流动,并随时向工作面逸出.同时,冒裂带的高度增大,扩大了影响范围;顶板的破坏程度加大,裂隙更加发育,贯通性和透气性增加,使上邻近层瓦斯的卸压程度和排放程度增加.此外,由于综放面放煤工艺难以控制,煤炭的回采率普遍低于普通综采面,正常情况下工作面回采率仅80%～85%,致使采空区遗煤增加,瓦斯量也随着增大.而顶煤在垮放过程中,顶煤的滑动破碎解放出的瓦斯,一部分遗留在采空区;由此引起采空区的瓦斯增加向工作面涌出.6瓦斯上浮运动采用放顶煤开采,不仅顶煤中的裂隙数量增加,裂隙张开量加大,且裂隙间可能出现大量贯穿现象,有利于瓦斯的析出及运移,其主要规律如下:1)在工作面前方一定范围内,由于裂隙数量和张开量的增加,使顶煤中瓦斯压力减小;大量吸附瓦斯解析成为游离瓦斯;2)裂隙间的贯穿使游离瓦斯有排出的通道,因此增加瓦斯涌出量;3)由于瓦斯的上浮效应及顶煤(尤其是上位顶煤)裂隙发育,大量瓦斯通过裂隙涌入采空区,聚集在采空区上部,形成一个巨大的瓦斯库,当工作面来压时,垮落的岩体将大量瓦斯挤向工作面,易造成工作面瓦斯超限.瓦斯上浮是瓦斯在采空区、工作面或裂隙带内的向上运动,造成这种运动的条件主要为:一是瓦斯密度比周围气体介质的密度小,而产生一种上浮力;二是裂隙通道或漏风通道两端有能量差,具有了使瓦斯沿通道流动的能量.条件一的瓦斯上浮运动应符合气体的浮力定律.条件二的瓦斯运动应符合多孔介质流体的阻力定律,其运动流场如图4所示.在邢台矿22310综放面的观测表明:初次来压时瓦斯涌出量较平时提高1.56倍,其中上隅角瓦斯含量提高2.27倍,高瓦斯持续时间达38min;周期来压时瓦斯涌出量较平时提高0.28倍,上隅角瓦斯含量提高1.44倍.综上所述,放顶煤开采更有利于本煤层和邻近层的瓦斯析出,同时大量的析出瓦斯聚积在工作面后部采空区的上方,因此对放顶煤工作面采空区上方进行瓦斯抽放是治理瓦斯超限和确保安全生产的重要措施之一.目前,顶板瓦斯排放巷、顶板裂隙带走向长钻孔、顶板高抽巷是广泛用于综放开采瓦斯抽放的措施,它利用顶煤中出现的大量裂隙和瓦斯上浮效应,将积存在采空区上部的大量瓦斯排出,从而有效地避免