近距离煤层群一次采全高工作面瓦斯涌出源精准分析

张 镭，崔 聪

(1.云南煤化工集团有限公司，云南省昆明市，650231；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京市朝阳区，100013)

长岭煤矿位于云南省昭通市东南部，隶属云南省昭通市镇雄县。矿井可采煤层有4层，主采煤层C5b，次要可采煤层C5a、C6a和C6c。煤层倾角2°～10°，大多在8°以下，煤层间距2～5 m。长岭煤矿目前属高瓦斯矿井，煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高，主要瓦斯抽采方式是本煤层及采空区瓦斯抽采，但抽采效果不理想，瓦斯治理存在的直观表现为：回采工作面回采过程中瓦斯涌出量较大，日常生产过程中回风巷及上隅角超限严重，周期来压期间更为明显。

回采工作面瓦斯超限一直制约着煤矿安全高效生产，是瓦斯治理的瓶颈所在[1-2]，为实现矿井的长治久安和高效生产，需构建以区域性立体抽采为主，安全可靠的通风方式和通风系统为辅的瓦斯治理技术体系。通过有效抽采，降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，降低回采工作面瓦斯浓度，确保采掘作业的安全高效。随着煤炭开采深度和开采水平的延伸，回风巷及上隅角超限问题将日益严重。因此，消除瓦斯灾害对生产的威胁迫在眉睫，分析回采工作面瓦斯涌出规律是回采工作面瓦斯治理的重中之重。

范满长、桑聪等[3-5]利用现场实测与数学计算模型相结合的研究方法，得到煤壁及采落煤瓦斯涌出量占综采工作面瓦斯涌出总量比例；崔洪庆[6-7]基于采煤工作面瓦斯浓度监测数据中包含的各源瓦斯涌出信息，建立绝对瓦斯涌出量分源计算方法；赵长春[8]研究了超长综放面本煤层瓦斯涌出量和生产能力之间、邻近层瓦斯涌出量和推进速度之间的关系式；林青[9]对采煤工作面的瓦斯浓度分布进行考察，分析总结了多重保护层开采高瓦斯综采面瓦斯涌出规律；杨茂林[10]通过数值模拟分析了采空区流场和瓦斯浓度分布特征，综合分析了工作面地质、开采条件对瓦斯涌出的影响。

目前回采工作面瓦斯涌出研究相对比较片面，针对近距离煤层群采全高工作面瓦斯涌出源的分析较少，笔者将针对长岭煤矿生产条件和瓦斯治理工作的难题，开展回采工作面瓦斯涌出量、开采层瓦斯涌出量、邻近层瓦斯涌出量、采空区瓦斯浓度分布规律及邻近工作面漏风规律研究工作。通过准确预测回采工作面瓦斯涌出量及分布规律，为瓦斯治理和抽采工程的合理设计提供依据，并通过瓦斯来源分析确定瓦斯治理方法，进而实现矿井的安全高效生产。

1 工作面煤体与采空区瓦斯涌出测定方法

以长岭煤矿C5b煤层152105回采工作面为研究对象，工作面长度为227 m。将152105工作面沿倾斜方向划分为5个区域，6个测试截面，如图1所示。对每个巷道测试截面的面积进行测定，每个测试截面布置工作面走向方向测点3组。将测试截面划分为4个测试区域，其中区域1贴近煤壁，区域2设置在巷道中部，区域3贴近采空区支架，区域4设置在采空区内部，每个区域测试点设置在测试区域中部，测点4位于采空区浅部，由工作面深入采空区0.3 m，如图2所示。

图1 152105工作面水平区域

图2 152105工作面垂直区域测试区域及测点布置

根据瓦斯平衡方程与风量平衡方程，计算每个区域的采空区漏风量、采空区瓦斯涌出量、本煤层回采工作面的瓦斯涌出量。

(1)

通过现场测试及瓦斯涌出公式计算可得不同时期采空区与工作面煤体瓦斯涌出量及涌出比例，见表1。

表1 工作面瓦斯涌出来源分布

计算结果表明，检修期间煤壁涌出量占工作面涌出总量的36.45%，而生产期间回采工作面煤体瓦斯涌出量占工作面涌出总量的55.24%。因为生产期间采煤机不断割煤生产，瓦斯不断从煤壁及落煤中涌出，所以生产班期间回采工作面煤体瓦斯涌出量大于检修班期间回采工作面煤体瓦斯涌出量。周期来压期间采空区瓦斯涌出量占工作面涌出总量的56.88%，生产期间采空区瓦斯涌出量占工作面涌出总量的44.76%；周期来压后，上覆岩层垮落，采空区内部瓦斯受到挤压，在挤压气流作用下，大量瓦斯涌入采煤工作面，所以周期来压期间的采空区瓦斯涌出量大于生产班期间采空区瓦斯涌出量。

2 工作面落煤与煤壁瓦斯涌出规律

采集长岭煤矿C5b煤层152105煤样，送至煤炭科学技术研究有限公司实验室测定C5b煤层的瓦斯解吸规律。实验室研究了120 min内1 MPa条件下长岭煤矿煤样，得到瓦斯解吸量与时间的关系，并对实验结果进行拟合，实验结果如图3所示，分别采用巴雷尔、乌斯基诺夫、孙重旭及对数公式进行拟合，数据表明孙重旭式更符合长岭煤矿煤体放散特性。

图3 长岭煤矿C5b煤层瓦斯放散结果及拟合度

通过数值模拟计算不同粒径落煤的瓦斯动态涌出特点，根据C5b煤层落煤的粒径分布，研究C5b煤层落煤瓦斯涌出规律。取长岭煤矿生产班期间的平均每分钟产量为2.6 t；根据孙重旭式与扩散因子的相关关系，取扩散系数D为7.3×10-10m2/s；落煤在采煤工作面中停留的时间为10 min；根据现场实测，长岭煤矿C5b煤层的平均粒径分布：煤体粒径0～2 mm，占比7%；煤体粒径2～10 mm，占比31%；煤体粒径10～50 mm及以上，占比62%。取基质煤体尺度为50 mm，当煤体块度大于50 mm时，以基质煤体尺度为准。

根据上述条件，对不同粒径煤体(假设为正方体)进行落煤瓦斯涌出量模拟，其在10 min时的瓦斯含量示意云图见图4。

图4 C5b煤层不同粒径落煤10 min后瓦斯含量

结合不同粒径落煤的占比与总的落煤量，对煤体瓦斯含量进行积分，可以求出不同粒径煤体在0～600 s内不同时间段的瓦斯涌出量，如图5所示。前期0～2 mm的较细煤粒，其瓦斯快速涌出，100 s 之后，煤粒内瓦斯基本解吸完成，后期增加的瓦斯涌出量较小，瓦斯涌出量占整体落煤瓦斯涌出量的47%；2～10 mm煤粒在整个时间段内均呈现明显增加趋势，瓦斯涌出量占整体落煤瓦斯涌出量的45%；10～50 mm煤的比例虽然最大，但其瓦斯涌出量最小，瓦斯涌出量占整体落煤瓦斯涌出量的8%。

图5 不同粒径落煤的瓦斯涌出量变化趋势

根据表1所测数据，生产期间与周期来压期间工作面煤体瓦斯涌出量取5.65 m3/min，结合不同粒径落煤的质量与单位涌出量，对落煤涌出量进行积分可得落煤瓦斯涌出量为3.8 m3/min。综上分析，落煤占整个工作面煤体瓦斯涌出量的67.26%，回采工作面落煤占整个工作面煤体瓦斯涌出量的32.74%。

3 采空区瓦斯浓度分布规律测试与研究

随着回采工作面的推进，分别沿回风巷与进风巷底板外侧布置3个测点，现场观测和研究152105回采工作面采空区瓦斯浓度分布规律。每个测点布置一根束管(PE-ZKW/8*1)，在检测端(抽气端)并齐。测点1～6的束管在铺设过程中使用3寸钢管作为保护套管，钢管之间用法兰盘对接，用螺栓固定，具体埋管连接如图6所示。

图6 C5b煤层工作面采空区埋管连接示意图

根据测定结果分析采空区瓦斯浓度分布规律，详细数据见图7和图8。

图7 回风巷采空区瓦斯浓度分布规律

图8 进风巷采空区瓦斯浓度分布规律

回风巷束管监测数据表明：测点距工作面距离为0～20 m，采空区浓度随着测点距工作面距离增加逐渐增大，测点距离工作面20 m时，瓦斯浓度达8.4%，测点距离工作面30 m时，瓦斯浓度达到峰值15.8%，随着工作面不断推进，当测点距离工作面大于30 m以后，瓦斯浓度随着测点距离工作面距离的增加不断增大或逐渐减小，当测点距工作面距离为40 m以后，瓦斯浓度小于8%；进风巷束管监测数据表明：测点距工作面距离为0～30 m，采空区瓦斯浓度为0%；测点距工作面31 m时瓦斯浓度为0.4%；测点距工作面50 m左右，瓦斯浓度达到峰值1.2%。测点距工作面距离为30～50 m距离范围内，采空区浓度随着测点距离工作面距离的增加逐渐增大，进风巷侧采空区瓦斯浓度受进入采空区的新鲜风流影响，整体瓦斯浓度很低。根据测定结果得到不同距离瓦斯浓度分布规律，为未来指导采空区瓦斯抽采埋管长度提供了合理依据。

4 邻近层采前采后瓦斯含量测试及涌出量分析

采空区瓦斯主要来源有回采丢煤瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出及未采分层瓦斯涌出。这几部分瓦斯随着采场内的煤层、岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入采空区，混合到一起。由于C5b煤层开采方式为一次采全高，回采工作面采空区瓦斯主要来源于邻近层。因此，确定采空区总瓦斯量需要开展邻近层瓦斯含量测定工作，通过邻近层采前采后瓦斯含量变化，计算邻近层涌入采空区的瓦斯总量，进而得到采空区瓦斯涌出量(涌入工作面)占采空区瓦斯总量的比例，为瓦斯治理方案设计提供依据。各煤层煤样瓦斯含量汇总情况详见表2。

表2 煤样瓦斯含量汇总表

根据煤-矸打钻进尺距离，得到邻近煤层实际的煤层厚度，实际打钻过程中，上邻近层C5a煤层施工穿层钻孔时煤层进尺0.19 m，下邻近层C6a煤层施工穿层钻孔时煤层进尺1.95 m，下邻近层C6c煤层施工穿层钻孔时煤层进尺1.10 m，详细数据见表3。实际进尺钻杆数据表明152105回采工作面邻近层C5a煤层实际厚度更薄，邻近层C6a、C6c煤层实际厚度更厚。

表3 实际邻近层钻杆进尺数汇总表

根据邻近层煤层厚度计算邻近层煤层瓦斯卸压量，计算公式如下：

(2)

式中：Q邻——邻近层瓦斯涌出量，m3/min；

W含——第i邻近层原始瓦斯含量，m3/t；

W残——第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t；

Ayi——第i邻近层受日平均推进影响的卸压量，t。

将数据代入式(2),计算出C5b煤层开采时邻近层的绝对瓦斯涌出量，其计算结果见表4。

表4 邻近层瓦斯涌出量计算表

结果表明：上邻近层C5a煤层绝对瓦斯涌出量为1.05 m3/min，下邻近层C6a、C6c煤层绝对瓦斯涌出量为7.02、2.16 m3/min，邻近层绝对瓦斯涌出量总计10.23 m3/min。下邻近层C6a煤层瓦斯涌出量占邻近层瓦斯总涌出量68.62%，而C5a煤层瓦斯涌出量占邻近层总涌出量10.26%，下邻近C6a煤层涌入采空区的瓦斯量占主要部分。

5 152105邻近工作面漏风规律测试与研究

通过现场向C5b煤层152105回采工作面邻近采空区注入示踪气体，实测C5b煤层152105回风巷的示踪气体显现特征，进而确定152104回采工作面采空区瓦斯是否存在透过152104机巷煤壁涌入152105回风巷与采空区的可能性，并对测试结果进行理论分析与数据拟合，分析邻近采空区漏风规律。

为了确定152105工作面与采空区之间的漏风情况，根据矿井通风测试资料，对测试区域内可能漏风的地点进行全面检查分析，查找可能进风和出风的漏风通道，以便准确确定释放地点和取样地点。根据通风系统图，最终选择在03小口释放SF6，测试过程中将气体检漏仪的感应探头紧贴煤壁，具体位置如图9所示。

图9 152105工作面通风系统图

测量地点选择在152104运输巷与152105回风巷之间的煤壁进行全面检测，测试过程中将气体检漏仪的感应探头紧贴煤壁。

152105工作面回风巷采用示踪气体法进行了现场测试，释放时间为09点30分，释放地点为03小口，释放初始压力为0.01 MPa。检测位置分别从巷道入口位置开始，每隔5 m进行一次测试，并记录每次测试的时间、信号强度以及距离巷道出口的距离。根据以上测试结果和气体泄漏仪对于152105工作面回风巷的报警信号强度汇总，绘制信号检测强度图如图10所示，从图10可以直观地看出152105工作面回风巷距工作面10、65、110 m处漏风较为严重，50～80 m处漏风较为密集。

图10 152105回风巷信号检测强度

SF6漏风风速可以用下式进行计算：

(3)

式中：Vmin——最小漏风风速，m/min；

Lmin——漏风源与漏风汇之间最短的漏风距离，m；

t——从SF6释放到气体检测到SF6所经历的时间，min。

SF6漏风量的计算：

(4)

式中：Qair——漏风量，m3/min；

n——接收点个数；

Li——接收点距释放点的距离，m；

ti——释放时间至接收点初次收到SF6的累计时间，min；

Si——接收点密闭墙断面积，m2。

开采煤层采空区瓦斯涌出量:

q0=Qair·C

(5)

式中：q0——采空区瓦斯涌出量m3/min；

C——采空区瓦斯涌出浓度，%；

现场漏风源与漏风汇之间最短距离为240 m，检测到SF6的时间为12点10分，共计160 min，接收断面面积为6 m2，现场测定采空区瓦斯浓度为10%，综上计算邻近工作面老空区绝对瓦斯涌出量为0.9 m3/min，涌出量相对较小。

6 结论

(1)生产期间本煤层瓦斯涌出量占比大于50%，周期来压期间采空区瓦斯涌出量占比大于50%，在下一步工作中应加强本煤层预抽与采空区瓦斯治理工作。

(2)长岭煤矿落煤瓦斯解吸具有初始解吸量大、解吸速度快的特征，在保证煤矿安全生产的前提下，尽可能提高落煤运输速率，减少落煤在工作面放散的瓦斯量。

(3)采空区内部距离工作面位置20～40 m处，瓦斯浓度较高，是理论分析的最佳埋管位置。

(4)长岭煤矿采空区瓦斯主要来源于邻近层，对于152105工作面来说，下邻近层C6a煤层瓦斯涌出量占邻近层总瓦斯涌出量68.62%，随着开采条件、地质条件不断变化，应阶段性对邻近煤层瓦斯参数进行测定，掌握邻近层瓦斯涌出量变化规律。

(5)尽管152104采空区至152105回采工作面风差为逆向，邻近采空区瓦斯也会通过扩散的方式少量涌入152015回采工作面，在下一步工作中应考虑采用煤壁喷浆等方式加强煤壁的密封性。