高瓦斯煤层综放工作面瓦斯运移规律实测研究

张延斌，秦子晗，于新河，幺洪武，尹立军

(1.辽源矿业集团公司，吉林辽源136201; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 3.吉林省龙家堡矿业有限责任公司，吉林长春130000)



高瓦斯煤层综放工作面瓦斯运移规律实测研究

张延斌1，秦子晗2，于新河3，幺洪武3，尹立军3

(1.辽源矿业集团公司，吉林辽源136201; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 3.吉林省龙家堡矿业有限责任公司，吉林长春130000)

［摘要］以某矿S2205综放工作面为例，通过长期现场观测并结合数值模拟对综放工作面的瓦斯涌出规律进行研究，得到S2205工作面瓦斯涌出量的不同来源及各自所占比例，其中采空区内的瓦斯涌出量约占到工作面风排瓦斯涌出量的48.1%。同时对开采初期和正常回采期间的瓦斯涌出变化情况进行了统计和分析，发现瓦斯涌出量的变化与工作面矿压显现有着直接的联系，基本顶的垮落造成工作面前方煤体裂隙扩大和增加，并挤压采空区而导致瓦斯涌入工作面，造成工作面瓦斯涌出量的增大甚至超限。通过对综放工作面瓦斯涌出规律的分析，可以为高瓦斯综放工作面的瓦斯防治提供指导依据。

［关键词］综放开采;瓦斯运移规律;瓦斯涌出量

［引用格式］张延斌，秦子晗，于新河，等.高瓦斯煤层综放工作面瓦斯运移规律实测研究［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 81－84，94.

综放开采因其高产高效、生产集中、成本低等优点已经在我国得到了迅速发展和广泛应用。但是综放开采技术存在一些安全方面的问题，特别是在一些高瓦斯矿井中，随着采深的进一步加大，煤层瓦斯含量增加，受瓦斯的影响也越来越严重，同时工作面开采强度的不断加大，也使工作面面临瓦斯超限和积聚的问题［1－2］。

综放开采时必然引起采场应力变化与重新分布，使得综放工作面不同区域与空间内煤岩体发生变形、位移、破坏，从而影响着工作面不同区域与空间的瓦斯赋存状况及运移特征［3－4］。因此，弄清和掌握工作面岩层变形、移动、破坏规律以及采动对瓦斯涌出规律的影响，对于研究高瓦斯厚煤层综放工作面不同空间与区域的瓦斯分布规律是非常必要的。本文以某矿S2205综放工作面为研究对象，对高强度开采条件下高瓦斯厚煤层工作面的瓦斯涌出量的组成成分进行分析，并针对开采过程中矿山压力显现与瓦斯涌出规律的关系进行了研究，为厚煤层和高瓦斯条件下选择合适的开采工艺、治理工作面瓦斯超限和防治煤与瓦斯突出提供理论依据。

1　工程概况

S2205工作面所属某矿设计生产能力6.0Mt/a，主采3号煤层，平均煤厚为5.99m，煤层赋存稳定，夹矸0～3层，一般1层，厚0.27m，属结构简单至较简单煤层。直接顶板为泥岩、粉砂质泥岩，基本顶为中砂岩，直接底为黑色泥岩、粉砂岩，老底为中细粒砂岩。

根据3号煤层甲烷含量等值线图，经计算该矿的相对瓦斯涌出量为12m3/t，属高瓦斯矿井。S2205工作面位于井田南翼，采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法。工作面切眼倾斜长265.1m，煤层平均厚度5.37m，工作面采高(3.2±0.1) m，循环进度0.8m，顶煤平均厚度2.17m。工作面采用“两进两回”的通风系统，即胶带巷和进风巷进风，回风巷和瓦排巷回风，在瓦排巷和回风巷间每隔50m掘一贯眼，工作面推进至贯眼时将其打开，用于增加风排瓦斯能力。工作面布置情况见图1。

图1　S2205工作面采掘平面布置

2　S2205工作面瓦斯来源分析

2.1综放工作面瓦斯来源组成

根据现场开采条件及瓦斯在煤岩层赋存情况，一般情况下在综放工作面中，其瓦斯主要来源有:开采的本煤层和邻近的其他煤层［5］。而根据S2205工作面地质资料，3号煤层上下没有其他煤层存在，因此涌出瓦斯来源主要来自本煤层开采，具体组成包括以下3个方面。

(1)工作面煤壁瓦斯涌出在开采过程中，由于采煤机割煤，使得不断有新煤壁被揭露出来，而赋存于煤体内的瓦斯便会解吸释放，随着煤壁的暴露而涌入采场空间。另一方面，由于工作面回采造成顶板的垮落，产生的顶板压力作用于工作面顶煤和前方煤体，使其发生破坏卸压，透气性增加。随着工作面不断推进，瓦斯沿着煤体内产生的裂隙不断涌入工作面，表现为工作面持续稳定的瓦斯涌出量。

(2)采放落煤的瓦斯涌出主要来自两部分，一部分是由于煤壁采落的煤炭呈松散状态，其中的游离瓦斯和部分吸附瓦斯随风流逸散;另一部分在顶煤冒放时，由于顶煤冒落，其中的瓦斯会在较短的时间内释放出来，从而表现为在放煤口附近的瓦斯瞬间涌出。

(3)采空区遗煤的瓦斯涌出采空区内的瓦斯是工作面瓦斯涌出量的重要组成部分。由于S2205工作面采用综放工艺，采空区内不可避免地存在大量遗煤，其中的瓦斯随着时间延续持续释放，并有部分瓦斯随着风流或顶板下沉挤压而进入工作面，从而引起工作面瓦斯涌出量增加。

2.2 S2205工作面瓦斯涌出量成分分析

2.2.1采空区内风流运移模拟

S2205工作面采用“两进两回”的通风系统，其中进风巷通过辅助切眼与瓦斯巷相连，运输巷通过工作面与回风巷和瓦排巷相连。针对上述情况，采用COMSOL Multiphysics数值仿真软件进行分析，并根据工作面地质采矿条件、煤层赋存情况、工作面回采工艺及参数、通风方式，将数值模拟模型进行简化，见图2。

图2　S2205工作面巷道风速模型

数值仿真软件利用采空冒落区的气体流场方程建立采空区数值模型，并进行计算。图3为S2205工作面采空区内的风流矢量图。

图3　S2205工作面采空区风流矢量

从图3看出，在靠近工作面端头附近，由于支架及煤壁的支承作用，上方顶板不能及时垮落，很容易形成支撑空间，因此，有大量的新风从进风巷漏入采空区。漏入采空区内的风流对瓦斯进行稀释、混合后，又在通风负压作用下，从工作面上隅角及尾巷流出，这是造成工作面附近采空区的瓦斯浓度较低，而上隅角瓦斯浓度高的直接原因。在距采面较远的采空区内，瓦斯由于受压差的作用，一部分会向风流中转移，直到进入回风及尾巷被风流带走。从风流在工作面的运移情况来看，采空区内的瓦斯对整体工作面的瓦斯涌出有着重要影响。

2.2.2 S2205工作面瓦斯涌出量成分估算

S2205工作面采空区由于无法进入，而瓦斯涌出又十分复杂，因此无法直接测量其瓦斯涌出量，只能采用间接法预测、推算采空区的瓦斯涌出量。在对S2205工作面的长期监测过程中，在2月12日至2月20日期间，工作面停产放假，工作面没有新暴露煤壁和采放落煤的瓦斯涌出，因此此时的瓦斯涌出量最接近采空区瓦斯的涌出量。该时段的瓦斯涌出量如图4所示，其中在工作面瓦斯涌出量中包括了瓦斯抽采系统中的抽采部分，每天的瓦斯抽采量基本不变，大约为10m3/min。

图4　工作面瓦斯涌出量与产煤量关系曲线

在计算过程中，选取停产5d以后的瓦斯涌出量，因为此时揭露的煤壁已暴露较长时间，煤体内瓦斯已基本释放，此时巷道两帮煤体内的瓦斯涌出量可忽略不计。因此，此时的瓦斯涌出量基本可以认定为采空区的瓦斯涌出量。通过数据分析，停产5d后，工作面的瓦斯涌出总量降到了29.3m3/ min，去掉瓦斯抽采部分，得到此时的风排瓦斯量19.3m3/min。根据前述分析，此时可认为该数值近似为采空区的瓦斯涌出量19.3m3/min。根据停产前正常回采工作面的瓦斯平均涌出量为50.1m3/ min，由此可以推断，采空区瓦斯涌出量约占整个工作面瓦斯涌出量38.5%。如果去掉工作面瓦斯抽采的部分，则采空区瓦斯涌出量占到工作面风排瓦斯量的48.1%。

通过计算工作面停产时期瓦斯涌出量的减少值，即可得到由于新揭煤壁和采放落煤产生的瓦斯涌出量，取停产后第5天瓦斯涌出量与停产前10d的平均瓦斯涌出量进行计算，瓦斯涌出量减少了20.8m3/min，减少量可以近似认为由工作面新揭煤壁和采放落煤产生的瓦斯涌出量，该部分约占工作面风排瓦斯量的51.9%。

上述方法利用工作面停产期间及停产前后的瓦斯涌出量进行对比分析，可以近似得到综放工作面瓦斯涌出量各部分所占的比例，对以后的瓦斯防治工作有一定的指导作用。

3　S2205工作面瓦斯涌出规律分析

为研究综放工作面的瓦斯涌出规律，从S2205工作面开始回采时即开始对瓦斯涌出量进行实时监测，根据长期监测数据，并结合回采过程中工作面支架工作阻力变化情况，对综放工作面回采过程中的瓦斯涌出情况进行了研究。

3.1开采初期巷道瓦斯浓度变化规律

开采初期的观测从S2205工作面开始回采至初次来压结束，期间工作面推进55m，观测期间，该工作面经历了初次放顶和基本顶初次来压2个阶段，工作面的瓦斯浓度变化曲线如图5所示。

图5　开采初期瓦斯浓度曲线

从图5中可以看出，在工作面初采期间，工作面瓦斯浓度有着明显变化。在12月12日，回风巷和瓦排巷的瓦斯浓度达到了0.8%，为当时的最高值;而在12月22日时，S2205工作面回风巷的瓦斯浓度出现了第2个峰值，接近1%。从工作面回采的现场情况来看，在该阶段，瓦斯浓度的变化与工作面顶板垮落情况及来压情况有着密切联系。

工作面自切眼开始推进后，随着推采距离的增加，顶煤与直接顶开始出现垮落、破坏，采场围岩受到采动影响，产生了剪切及拉伸破坏。伴随着顶煤卸压破坏，赋存在本煤层中的瓦斯从中解吸出来，并沿着采动引起的顶煤裂隙通道向工作面涌入，造成回风巷上隅角瓦斯浓度上升，形成瓦斯涌出量的第1次高峰。当工作面推进到一定距离后，随着顶煤冒落和直接顶岩层的垮落，基本顶岩梁悬顶长度达到了极限垮距，工作面前方煤体的采动影响范围及程度也进一步扩大，而顶煤中的裂隙也更加发育，工作面煤壁前方煤体卸压范围进一步增大，造成赋存其中的瓦斯大量涌入回采空间，另外，基本顶断裂过程中将产生动压载荷，加剧了煤体中吸附瓦斯的进一步解吸，同时，动载对顶煤及采空区造成挤压，使得其中的大量游离瓦斯沿裂隙通道向工作面涌入，形成了工作面瓦斯涌出量的第2次高峰。在该阶段，工作面上隅角瓦斯浓度曾一度达到了1.0%，造成断电闭锁。

3.2回采期间工作面瓦斯涌出规律

根据前述分析发现，煤体内瓦斯的解吸与顶板活动规律相互关联。通过对S2205工作面绝对瓦斯涌出量的长期统计，并将其与工作面支架的工作阻力对比分析，可以发现，瓦斯绝对涌出量与工作面矿山压力呈明显的相关关系，图6是工作面绝对瓦斯涌出量与支架工作阻力及推进度的关系。

根据图6并结合现场情况分析发现，在12月 20日前后，基本顶初次来压，来压后工作面风排瓦斯涌出量由32.1m3/min增加到38.5m3/min，初次来压时绝对瓦斯涌出量与来压前相比增加了近20%。

图6　工作面绝对瓦斯涌出量与支架工作阻力及推进度的关系

根据顶板垮落规律并结合瓦斯涌出数据分析，工作面回采过程中，当直接顶初次垮落时，瓦斯涌出量有一个上升的趋势，这是由于顶煤中裂隙场中裂隙张开，为瓦斯解吸及渗流提供了良好的条件，当直接顶初次垮落之后，瓦斯涌出量有所降低;之后随着工作面不断推进和开采空间范围的增大，采场中裂隙场逐渐发育，瓦斯涌出量也随之增大，在初次来压时达到最高，之后又有下降趋势。从总体来看，在开采初期瓦斯涌出量随着工作面的推进而不断增加，最后趋于稳定。

初次来压后，工作面每向前推进一定距离后，绝对瓦斯涌出量有增大的趋势，其距离与工作面1倍周期来压步距基本相当。根据监测数据分析，来压前工作面风排瓦斯量平均为35.0m3/min，来压后平均值达到45.2m3/min，来压后绝对瓦斯涌出量是来压前的1.3倍。由前面分析并结合图6可知，工作面在推进过程中，瓦斯涌出量呈现周期性变化的特点:在工作面来压前，瓦斯涌出量呈相对减小的趋势，来压结束后，瓦斯涌出量大幅度增加，瓦斯涌出量时间周期与工作面来压周期基本相等，瓦斯涌出量峰值时间一般滞后于采场压力峰值1d。

瓦斯涌出量发生变化的主要原因是顶板周期来压期间，工作面前方煤体受力增加，裂隙和空隙受压闭合，煤体透气性变差，瓦斯运移通道受阻，从而造成涌出量相对降低。在基本顶周期性垮断后，使得工作面前方煤体受力降低，原有裂隙开始张开扩大，由此使煤体内瓦斯逸散。同时由于顶板回转下沉，使得采空区部分压实，从而使瓦斯驱赶至工作面，进一步造成工作面来压期间瓦斯涌出量增加。

5　结论

(1) S2205综放工作面的瓦斯涌出量主要由3部分组成:新揭煤壁、采放落煤和采空区遗煤。其

中，新揭煤壁和采放落煤的瓦斯涌出量约占风排瓦斯总量的51.9%。而采空区内随风流进入采场的瓦斯约占工作面风排瓦斯总量的48.1%。

(2)综放开采初次来压前，顶煤和直接顶初次垮落后，工作面瓦斯涌出量达到开采初期的最高值，即第1次高峰。随着工作面继续回采，基本顶岩梁悬顶长度达到极限跨距时，断裂破坏产生初次来压，进而对顶煤及采空区产生挤压，使得瓦斯涌出量急剧增加，形成了工作面瓦斯浓度的第2次高峰。

(3)瓦斯的绝对涌出量与采场矿山压力有明显的对应关系，瓦斯涌出量与顶板周期来压基本同步，呈周期性变化，其瓦斯涌出量峰值滞后于采场压力峰值1d左右，来压后绝对瓦斯涌出量达到来压前的1.3倍。由此说明综放面瓦斯涌出量的快速增加是矿山压力的一种显现特征，实际生产中可根据顶板周期来压情况进行瓦斯涌出的预测。

(4)针对S2205工作面瓦斯来源及涌出特点，应当针对煤体内赋存瓦斯和采空区瓦斯进行重点防治，通过采取采前预抽和采空区抽采，同时采取提高综放工作面的采出率、减少采空区遗煤等方法，可以大大降低工作面瓦斯涌出量。

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［责任编辑:施红霞］

Site Measurement of Methane Migration in Full-mechanized Caving Mining
Face in Coal-seam with High Methane Content

ZHANG Yan-bin1，QIN Zi-han2，YU Xin-he3，YAO Hong-wu3，YIN Li-jun3

(1.Liaoyuan Mining Group，Liaoyuan 136201，China;
2.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;
3.Jilin Longjiapu Mining Co.，Ltd.，Changchun 130000，China)

Abstract:By long-term site measurement and numerical simulation，methane gushing rule of S2205 mining face was researched.Different sources of methane and respective proportion was obtained.Methane gushing amount from gob occupied 48.1% of methane gushing amount by ventilation.On the basis of statistical analysis of methane gushing variation in initial mining phrase and normal mining phrase，it was found that variation of methane gushing amount was directly related with underground pressure behavior.Basic roof caving made coal fissure in advance of mining face evolve and extrude gob，which resulted in increasing of methane gushing amount and even exceeding limit.Analyzing methane gushing rule of full-mechanized caving mining face could provide reference for methane prevention.

Keywords:full-mechanized caving mining; methane migration rule; methane gushing amount

［作者简介］张延斌(1967－)，男，吉林辽源人，高级工程师，主要从事煤矿安全开采技术工作。

［基金项目］中国煤炭科工集团有限公司科技项目科技创新基金青年基金(2014QN035) ;天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金(KCSJ－QNCX－2014－09)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.023

［收稿日期］2014－12－08

［中图分类号］TD712.52

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0081-04