天池煤矿401工作面瓦斯涌出规律研究

时间：2024-07-28

任海峰李树刚姚飞陈明泉赵鹏翔

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.西安科技大学研究生院，陕西省西安市，710054；3.山西和顺天池能源有限责任公司，山西省和顺镇，032700）

随着综采放顶煤技术的推广应用，矿井单产水平不断提高，瓦斯涌出量也相应大幅度增加，严重影响综放面安全生产和高产高效优势的发挥。众多学者对综放工作面瓦斯涌出量预测从不同角度开展了大量研究，研究表明瓦斯涌出量预测准确与否直接影响着工作面回采的效率与人员的安全，而要想做到准确预测工作面瓦斯涌出量，对影响综放面瓦斯涌出的主要因素的分析必不可少，因此研究工作面瓦斯涌出量与之影响因素之间的变化规律，对制定合理有效的瓦斯防治措施具有极为重要的意义。

1 工作面概况

天池煤矿401工作面走向长1435 m，倾斜长180m，采高2.6m。主采太原组15＃煤层，煤厚4.05～4.86m，平均4.5 m，倾角约3°～15°，平均7°。工作面老顶为4.9～15.82m 的中砂岩，直接顶为2.38～3.2 m 的泥岩，直接底为2.4～6.4m的铝质泥岩，老底为2.67～4.38 m 的粉泥岩。工作面采用走向长壁后退式采煤方法，综合机械化回采工艺，全部冒落法管理顶板。采用放顶煤回采，采高2.6m，放煤高度最大为1.9m，采放比1∶0.73。

2 工作面瓦斯来源分析及构成

2.1 工作面瓦斯来源分析

天池煤矿401综放面瓦斯来源与含瓦斯煤岩层赋存状况及开采技术条件有关，主要来自开采层和邻近层（含围岩），其瓦斯涌出源分布如图1所示。

图1 综放面的瓦斯涌出源

从图1中可以看出，工作面瓦斯主要由开采层煤壁瓦斯（q1+q2）、采放落煤瓦斯（q3+q4）、采空区遗煤瓦斯（q5）、邻近煤岩层瓦斯（q6）构成。401综放面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除取决于煤层瓦斯含量外，还与开采强度密切相关。q1～q4与工作面采、放煤量成正比；q5除与产量有关外，还与回采率密切相关，回采率越小，q5越大；瓦斯源q6除取决于开采强度外，还与邻近层厚度及其至开采层距离、层间岩石性质、邻近层瓦斯原始压力以及煤层透气性系数等密切相关。

一般把回采工作面老顶初次冒落前的平均瓦斯涌出量认为是本煤层的瓦斯涌出量，将老顶初次冒落后的平均瓦斯涌出增加量认为是邻近层的瓦斯涌出量。根据401工作面实际情况，2011年1月29日—31日，老顶来压之前正常生产时瓦斯涌出量平均为24.7m3／min，来压后一个月内平均瓦斯涌出量约59.9m3／min，其中本煤层瓦斯涌出量约占总涌出量的41.2%，邻近层占58.8%，其变化曲线如图2所示。

图2 来压前后瓦斯涌出量变化

2.2 工作面瓦斯构成分析

2.2.1 初采期瓦斯涌出量构成

图3和图4为高抽巷未起作用之前回风巷、尾巷排放瓦斯量及各自所占比重。由图3 和图4 可知，初采期间，直接顶垮落之前，回风巷排放瓦斯量约4.25～17.97 m3／min，平均11.84 m3／min；尾巷排瓦斯量约3.3～14.23m3／min，平均5.59 m3／min。因此，回采初期直接顶垮落之前煤壁及落煤瓦斯占涌出总量的49.1%～75.6%，平均66.6%，采空区占24.4%～50.9%，平均33.4%；直接顶垮落之后，回风巷排放瓦斯量约6.53～11.87m3／min，平均7.92m3／min，尾巷排瓦斯量约18.56～41.86 m3／min，平均28.36 m3／min，即直接顶垮落之后煤壁及落煤瓦斯占涌出总量的18.1%～34.8%，平均22.4%，采空区占65.2%～81.9%，平均77.6%。

图3 回风巷、尾巷初采期间瓦斯涌出变化

图4 回风巷、尾巷初采期间瓦斯涌出比例

2.2.2 正常回采期瓦斯涌出构成

图5和图6为高抽巷、尾巷、回风巷抽排瓦斯量及各自所占比重。由图5和图6可知，一般采空区及邻近层瓦斯涌出量为64.2～86.1m3／min，平均68.8 m3／min，开采层瓦斯涌出量为6.46～10.59m3／min，平均8.41m3／min；采空区瓦斯涌出量所占比例88.8%～93.3%，平均91.2%，开采层瓦斯涌出量为7.1%～11.2%，平均8.8%。

图5 正常回采期工作面瓦斯抽采量

图6 尾巷、高抽巷及回风瓦斯涌出比例

3 工作面瓦斯涌出影响因素分析

3.1 瓦斯涌出量与煤炭日产量的关系

在401工作面正常回采期间，测定了不同煤炭产量下的绝对与相对瓦斯涌出量，如图7和图8所示。观测结果表明，总体趋势是综放面绝对瓦斯涌出量随煤炭产量的增加而有所增大，但增长趋势较小；相对瓦斯涌出量随着煤炭产量的增大而呈负指数关系减小，具体关系如式（1）所示：

式中：q——相对瓦斯涌出量，m3／t；

x——煤炭日产量，t／d。

3.2 瓦斯涌出量与配风量的关系

2011年3 月1-8 月31 日，对401 工作面、回风巷及瓦斯尾巷的瓦斯涌出量进行了连续现场观测。观测结果表明，随着配风量的减少，工作面瓦斯涌出量逐渐增大，使得瓦斯涌出总量也随之增大，而回风巷与瓦斯尾巷的风排瓦斯量增幅较小，甚至出现小幅降低，其主要原因在于风量减小采空区透风相应减小，采空区深部瓦斯随漏风被带入回采空间的量随之减小，如图9所示。可见合理配风对控制采空区瓦斯涌出及工作面瓦斯涌出量具有重要作用。

图7 绝对瓦斯涌出量与煤炭日产量的关系

图8 相对瓦斯涌出量与煤炭日产量的关系

3.3 瓦斯涌出量与矿山压力的关系

研究表明，瓦斯的绝对涌出量与采场矿山压力有明显的关系，工作面绝对瓦斯涌出量、瓦斯浓度与推进距离的关系如图10 所示。由图10 可知，2011年1 月22 日、1 月23 日工作面直接顶板垮落，绝对瓦斯涌出量由1月10日的23m3／min增加至约30.5m3／min，垮落时绝对瓦斯涌出量是之前的1.33倍；工作面在1 月29日-1 月31日老顶来压，回风巷瓦斯浓度由0.46%增加到0.71%，尾巷瓦斯浓度由1.27%增加到1.98%，涌出量由25.65m3／min增大到41.03m3／min，来压时绝对瓦斯涌出量是之前的1.6倍。

初次来压后，工作面每向前推进一定距离，绝对瓦斯涌出量均有一突然增大现象，来压前绝对瓦斯涌出量平均为70.2m3／min，来压时均值分别为96.3m3／min，来压时绝对瓦斯涌出量是来压前的1.37倍。

图9 配风量与瓦斯涌出量关系

图10 工作面瓦斯涌出量与推进距关系

瓦斯涌出量在顶板周期来压的整个过程中出现先减小后突然增大的变化趋势，这是由于从上一次周期来压结束后，煤层上方覆岩出现应力集中现象，而应力峰值在工作面前方一定范围内使得工作面前方煤体中裂隙及孔隙受压而收缩，使得煤层渗透性下降，导致瓦斯涌出量减小，煤体中瓦斯压力升高。当工作面继续推进，顶板发生周期来压，覆岩断裂使原本受压的煤体卸压，导致煤体中裂隙扩张并伴有新裂隙出现，增大了煤体的透气性，使一部分原本吸附在煤体中的瓦斯解吸并于与此时游离的瓦斯一同释放，使瓦斯涌出量剧增。瓦斯涌出量的变化周期与矿山压力的来压步距近乎相等，由此说明综放面瓦斯大量快速涌出是矿山压力的一种显现，实际生产中可根据来压的判断进行瓦斯涌出的预测。