高瓦斯特厚煤层综采工作面瓦斯运移规律研究

高瓦斯特厚煤层综采工作面瓦斯运移规律研究

为了预防和控制高暴露于屋顶的风险，通常会实施各种屋顶抽提措施。最常见的方法有：预抽前上角埋管抽提、加压孔压抽提、高压屋顶抽提、空气泵送带抽提等。除了采前预抽之外,其它几乎所有的瓦斯抽采措施都属于采空区内的瓦斯抽采。鉴于我国多数矿井煤层渗透率较低,采前预抽效果有限,而采空区内的抽采由于采后卸压的原因渗透率大大提高,因而抽采效果较为理想。彬长矿区大佛寺煤矿40108综采工作面采用顶板高抽巷取代高位钻孔抽采采空区及邻近层瓦斯,较好地解决了工作面上隅角瓦斯超限的问题,但与高抽巷较好抽采效果相伴而来的是采空区漏风强度的增加所造成的采空区遗煤自燃的可能性增加。不同的高抽巷配置参数和抽采参数将会对采空区的瓦斯浓度场(影响上隅角瓦斯抽采)和漏风流场(影响采空区遗煤自燃“三带”分布)产生不同的影响,而抽采参数的配置主要取决于工作面瓦斯涌出情况。因此,研究40108综采工作面瓦斯涌出规律、分析瓦斯涌出来源及影响因素对合理配置抽采参数具有重要意义,从而在解决瓦斯抽采问题的同时,避免采空区遗煤自燃的发生。1工作面布置方式大佛寺煤矿位于陕西省彬长矿区南部边界,矿井位于黄陇侏罗纪煤田中段,生产能力6.0Mt/a,服务年限92.5年。共含煤6层,自上而下编号为3-1#、3-2#、4上-1#、4上-2#、4上#、4#煤。其中,4上-1#、4上-2#、4上#、4#煤为可采或局部可采煤层,其余为不可采煤层。40108综采工作面布置在4#煤中,工作面地层整体呈一单斜构造,倾向西北向,倾向煤层坡度不大,在1°~7.5°之间,沿走向方向,煤层起伏较大,工作面中部相对较高,东西两端较低,最大高差50m左右,最大坡度为9°。工作面在准备期间并未揭露明显的断层构造,仅在工作面东部区域煤层节理裂隙发育。煤层平均厚度为11.5m,为低变质烟煤,瓦斯含量为6.305m3/t,瓦斯成分以CH4为主。2.14采放落煤的瓦斯产出1)开采层煤壁瓦斯涌出。开采层煤壁瓦斯涌出由2部分组成:一是40108工作面由于煤壁的不断暴露而涌出的瓦斯;二是在矿山压力作用下,瓦斯沿卸压带的裂隙从顶煤壁涌入裂隙带,表现为沿流场边界的持续稳定涌出。2)采放落煤的瓦斯涌出。采放落煤的瓦斯涌出由2部分构成:一是采落煤炭的瓦斯涌出;二是放顶煤时,当煤层由整体冒落为松散体时,内部的瓦斯在短时间内的释放,表现为放煤处的瓦斯瞬间涌出。3)采空区遗煤的瓦斯涌出。40108综采工作面采空区遗煤的瓦斯涌出主要是残留在采空区的放落煤炭继续释放的瓦斯,其主要由煤层的采出率所控制并随时间的推移逐渐减少。4)邻近煤岩层的瓦斯涌出。40108综采工作面有上邻近煤层,应考虑邻近煤层(如4-2#等煤层)瓦斯涌出。2.24采空区瓦斯挤出规律40108综采工作面利用高抽巷、上隅角插管、灌浆巷采后卸压钻孔及回风巷排瓦斯等方法治理工作面瓦斯,高抽巷抽采的瓦斯为邻近层与采空区的瓦斯,上隅角抽采的瓦斯为采空区和本煤层瓦斯。理论上讲,采空区瓦斯是上隅角抽采的瓦斯、上隅角涌出的瓦斯及高抽巷抽出的部分瓦斯之和,但由于抽采作用,采空区的涌出强度增加,比不抽采和不用上隅角抽采要多涌出一部分瓦斯,如果这2部分瓦斯大致相抵消,就可在研究过程中粗略地把灌浆巷采后卸压钻孔、高抽巷抽采的瓦斯作为采空区的瓦斯涌出量来考察其所占的比例,采空区及开采层瓦斯涌出变化规律如图1。由图1可以知道,一般情况下采空区瓦斯涌出量为13.36~57.6m3/min,平均为30m3/min,开采层瓦斯涌出量为3.2~14.2m3/min,平均为6.9m3/min;采空区瓦斯涌出量所占比例60.5%~90%,平均81%,开采层瓦斯涌出量10%~39.5%,平均为19%。3开采大面积的砖瓦浓度分布规律3.1回风侧瓦斯浓度由综采工作面初采期瓦斯浓度沿倾向分布(如图2)可知,沿倾向从进风巷到回风巷瓦斯浓度逐渐增大,工作面中部范围内(30~140m)瓦斯浓度增加幅度不大,工作面中部到回风侧瓦斯浓度增加较快,尤其是靠近回风侧40m范围内瓦斯浓度较高。这主要是因为:风流从进风侧经过工作面时,部分风流至采面中部逐渐漏入采空区,漏入采空区的风流从工作面的后部又返回到工作面,靠近回风隅角从采空区返回的风量最大,采空区的一部分较高浓度瓦斯随风流进入工作面,使上隅角附近的瓦斯浓度增高。3.2采空区瓦斯浓度综采工作面采空区为残煤及上覆岩层垮落后形成的多孔介质充填体,各处压实程度差异较大,风压及气体流速相差很大。在40108工作面60#支架、90#支架及上隅角处的采空区敷设束管,从2010年11月27日开始监测,通过第1组~第7组束管监测数据,可以得到40108综放面采空区沿走向及倾向的瓦斯浓度分布规律,采空区不同瓦斯浓度的分布数据见表1。由采空区瓦斯浓度监测数据(表1、表2)可知,采空区距工作面33~38m范围内,瓦斯浓度逐渐增加到5%;距工作面78~93m之间时,瓦斯浓度逐渐达到10%;到采空区深部,瓦斯浓度慢慢变大到稳定。这主要是因为:在采空区靠近工作面一侧,由于垮落岩石尚未压实,渗透率较高,而采空区深部岩石渗透率较低,所以采空区漏风风速从工作面向采空区深部逐渐降低。瓦斯的运移主要靠风流的机械扩散,采空区漏风风速越小则风流的机械扩散能力越弱。采空区深部的瓦斯,由于漏风风流速度很小,因而运移速度慢。在距离工作面较近区域,由于采空区漏风流流动对瓦斯的运移作用,从进风侧向回风侧方向,瓦斯浓度逐渐增高。距工作面较远的采空区深处,风流速度较小,对瓦斯运移作用微弱,因此,沿工作面倾向采空区瓦斯浓度变化不大,采空区不同测点处的瓦斯浓度数据见表2。4采面瓦斯产出量在40108工作面测定了不同产量下的绝对与相对瓦斯涌出量,观测结果表明,总体趋势是综采工作面绝对瓦斯涌出量随产量的增加而增大,当采面产量继续增加时,瓦斯涌出绝对量增速减慢;相对瓦斯涌出量随着产量的增大而呈负指数关系减小。4.2工作面推进速度对煤的开采的影响在40108工作面测定了不同日推进距下的绝对与相对瓦斯涌出量,观测结果表明,绝对瓦斯涌出量随着工作面推进速度的加快并不是一直增加,当工作面推进速度超过一定值时,有所下降;而相对瓦斯涌出量随着日推进度的增大而呈负指数关系减小。分析其主要原因是:工作面绝对瓦斯涌出量整体上可分为本煤层和邻近层瓦斯涌出。首先,工作面推进速度的增加加大了本煤层瓦斯涌出量,从而使得工作面绝对瓦斯涌出量有一定程度的增加;另一方面,工作面推进速度的快慢直接影响到围岩的移动和变形,推进速度慢时,变形和垮落充分,导致邻近层、围岩瓦斯涌出量的增加,反之,当推进速度加快时,围岩变形相对减小,相应地减少了邻近层、围岩的瓦斯涌出量。因此,工作面绝对瓦斯涌出量与工作面推进度的关系受这两方面因素影响。此外,推进速度的变化意味着产量的改变,相对瓦斯涌出量也要发生变化,推进速度快的相对瓦斯涌出量小,推进速度慢的相对瓦斯涌出量大。根据工作面绝对瓦斯涌出量随推进度的变化关系,可对高抽巷的抽采参数进行动态管理以达最佳效果。比如在绝对瓦斯涌出量较大时可适当增加高抽巷的抽采负压和抽采量,反之可适当减小。这也有利于采空区的防灭火管理,因为在推进度较快、绝对瓦斯涌出量较大时增加高抽巷抽采负压和抽采量不会对采空区防灭火造成不利影响,而当推进速度较慢时适当降低高抽巷抽采负压和抽采量则有利于降低采空区的漏风从而缓解防灭火压力。4.3斯犯罪量现场观测表明,随着回风巷口风量的增大,回风巷口瓦斯涌出量增大,而采面瓦斯涌出量基本保持不变。主要原因是当增加风量时,造成工作面两端入口与出口的压差随之增加,采空区漏风量加大,采空区深部高浓度瓦斯随漏风被带入回采空间,使得回风巷瓦斯涌出量增加,可见合理配风对控制采空区瓦斯涌出具有重要作用。5采空区瓦斯溢出1)沿倾向从进风巷到回风巷瓦斯浓度逐渐增大,工作面中部范围内(30~140m)瓦斯浓度增加幅度不大,工作面中部到回风侧瓦斯浓度增加较快,尤其是靠近回风侧40m范围内瓦斯浓度较高。2)采空区距工作面33~38m范围内,瓦斯浓度逐渐增加到5%;距工作面78~93m之间时,瓦斯浓度逐渐达到10%;到采空区深部,瓦斯浓度慢慢变大到稳定;沿工作面倾向采空区瓦斯浓度变化不很大。3)综采工作面绝对瓦斯涌出量随产量的增加而增大,当采面产量继续增加时,瓦斯