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回采工作面瓦斯涌出規律研究

文檔作者：葉青林柏泉姜文忠文檔來源：中國礦業大學能源學院		點擊數：	更新時間： 2025年03月17日
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第 15卷 第 5期2006年 5月中 國 礦 業CHINA M INING M AGAZINEVo1．15，NO．5M ay 2006回采 工作 面 瓦斯 涌 出規律研 究 *葉 青 林柏泉 姜文忠(中國礦 業大 學能 源 學院 ·徐 州 221008)摘 要 ：某 礦 2781回采 工 作 面 經 常 發 生 瓦斯 濃 度 超 限 現 象 ，為 掌 握 該 工 作 面 瓦 斯 涌 出 規 律 和 確 保 工作 面安全生產 ，筆者對該工作 面瓦斯 涌出量進行 了實測 ，對工作面瓦斯 涌 出來 源及構成進 行 了分 析 ，并利用 回歸分析法 ，找出 了工作面落煤 、煤 壁瓦斯涌出規律 ，獲得 了采 空區瓦斯濃 度分 布規律 ，為工作 面的通 風管理與安全生產提供 了必要 的技 術指導。關鍵 詞 ：瓦斯涌 出 回采工作面 煤壁 落煤 采 空區中 圖 分 類 號 ：TD712 ．5 文獻 標 識 碼 ：A 文 章 編 號 ：1004— 4051 (2006)05— 0038— 04THE STUDY oF M ETHANE oUTFLoW LAW IN CoAL M INING FACEYeQing LinBoquan JiangW enzhong(Chinauniversity ofmining and technology·XuZhou 221008)Abstract：W ith the increase ofmining deepness，the phenomena ofmethaneconcentration exceedinglimitsisoftenhappen in the2781coalminingface，tO find outthemethaneoutflow law and ensurethesafework．them ethaneoutflow ofthecoalminingfaceiSmensurated and themethanesourceiSanalyzedinthispaper．Based on theregressionanalysis，themethaneoutflow lawsofcoalwalland fallen—coalincoalminingfaceareobtained，andthemethaneconcentration distributing law isgotten． W hich aretheteehno—elementsofadopting theaimedpreventivemeasures．Keywords：M ethaneoutflow Coalmining face Coalwall Fallen-coal Gob礦 井 瓦斯是 煤 礦生產 過 程 中的主 要不 安全 因素之 一 ，在 高瓦斯 礦井 的采 煤工 作 面 ， 由于瓦斯 涌 出量 大 ，往往 使 礦井存 在難 以以風 定產 ，事 故 隱患 多的現象 。回采工 作 面瓦斯 涌 出規律 是 工作 面瓦 斯涌出量預 測 、合理 通 風 設 計 和 瓦 斯抽 放 設 計 的依 據 ，其 結果 直接 影 響著工 作 面通 風 的合理 性 、瓦斯 防治措 施 的有 效性 和高 效生 產 的安全 性 。某 礦是 一個以 中厚 煤 層為 主采 層 的高瓦 斯礦 井 。近幾 年來 ，隨著 開采 深 度和 產量 的增 大 ，瓦斯 涌 出量 呈現增 加 的趨勢 ，瓦 斯潛 在 的影 響將變 得更 加顯 著 。如何 解 決工作 面瓦 斯 超 限 ， 已成 為 礦 井 瓦 斯 治 理 的 首 要 問題 。為掌 握該 礦 2781工 作 面 瓦 斯 涌 出 規 律 和 確保工作 面安 全生 產 ，筆者 對該 工作 面進 行 了瓦斯 涌 出量 的實測 和 瓦斯 涌 出規律 的研 究 。 回采工作 面 瓦斯*基金項 目：國家 自然科 學基金 項 目 (5O134040)，國家 重點基礎研究發展計 劃 (2005cb221500)收稿 日期 ：2005—11—28作者簡介 ：林柏泉 (1960一 ) 男 ， 福 建龍巖 人 教 授 ， 博士生導師 從事瓦斯爆炸 、瓦斯災害防治 、安全科學方面的研究。涌 出主要 由三 部 分 構 成 ，即工 作 面 落 煤 瓦斯 涌 出 、采煤 煤壁 瓦斯 涌 出 、采空 區瓦 斯涌 出 。于此 ，分 別進行 研究 。1 落煤 的 瓦斯涌 出規律眾所 周 知 ，煤 層 一旦 被暴 露或 采 動 ，原 有 的瓦斯壓 力平 衡就 會遭 到 破壞 ，煤 體 中的 瓦斯立 即解 吸并 向外 放散 ，而 且 隨著 時間 的延 長 ，煤體 中 的瓦斯逐 漸減 少 ，放 散 速 度 減 慢 。隨 著 回采 工 作 面 的推進 ，工 作 面煤壁 上 的煤被 不 斷采落 、運 出 ，其 所含有 的瓦 斯也 就源 源不 斷地 釋 放到工 作 面風 流 中 ，而且 由于不 同 的回采方 法 ，造 成 了煤 的塊度 不 同 ，煤中的瓦 斯放 散速 度 因而不 同 ，導 致瓦 斯涌 出量 的 變化 。其 落煤 瓦斯 涌 出量 主要 取決 于落 煤量 、煤 層 瓦斯 含量 和煤 被運 出采 區巷 道 時 煤 的 殘余 瓦斯 含 量 。所 以 ，研 究 回采工 作 面落煤 瓦斯 涌 出規 律 ，實 際上就是 找 出落煤 瓦斯 含量 隨 時間 的變 化特 性 ，即落 煤瓦斯 涌 出強度 與時 間 的 函數 關 系 。為 了確定 落煤 瓦 斯 涌 出量 隨 時 間 的 變化 規 律 ，我們設 計 了 由水 封 式煤 樣桶 和多 級 瓦斯 流量計 組成的測定 裝 置 ，對 落煤 的瓦 斯涌 出量 進行 了測定 。通維普資訊 http://www.cqvip.com第 5期 葉 青 等 ： 回采 工 作 面 瓦斯 涌 出 規 律 研 究過對測定數據進行 計算處理 ，計算 出瓦斯涌 出強度 ，然 后在 直 角坐標 系上作 出 q—t關 系 圖 ，如 圖 1所 示 。從 圖 1可 以看 出 ，實 測 的瓦斯 涌 出強 度與 暴露 時 間 的關 系 近 似 為 一 雙 曲 線 關 系 ，其 經 驗 公 式為 ：q·一 (1)式 中 ：q。—— 經 過 1+t時 間后 ，落 煤 的 瓦斯 涌 出強 度 (1／min·t)；q。。—— 相 當于 t一0時 ，落 煤 的瓦 斯 涌 出強度 (1／min·t)；￡—— 落煤 的暴露 時 間 (min)；a — — 衰減 系數 。將 (1)式 兩邊取 對 數 ，化 為線性 方 程Lnql— Lnqol— a·In(1+ ￡) (2)將 實測數 據 代入 (2)式 ，經 回歸分 析 ，得 到 q。。一593．58l／min·t，a一0． 33。。 一 蔫． 量￡魁氆蘭了}鐾時 間 (min)圖 1 落 煤 的 瓦斯 涌 出 強 度 與 暴 露 時 間 的 關 系 圖q。。和 a在 不 同 條 件 下 具 有 不 同 的 值 ，其 大 小取 決 于 回采 工 作 面的 自然 因素 和開 采技 術 因素 ，如回采工 作 面煤 層 的瓦斯 含 量 、煤 層 透氣性 、煤 的堅固性 系數 、落 煤 的粒 度組 成 和瓦斯 放散 速 度 、工作面推 進速 度 等 。為 了保證 測 量得 到 的結 果 更 加 符 合 實 際 情 況 ，我們 沒有 對落 煤 進行粒 度 分選 ，而是 直接將 新 采落的煤 炭不 加分 選地 裝入 煤 樣罐 。對 于綜 采 工作 面來說 ，采煤 機正 常工 作 時 ，其采 落 的煤 炭瓦 斯涌 出強度 的分 布符合 圖 1中的 曲線 。在 經過 (1+￡) 時 間后 的一個 無 限 小 的 區 間 ￡內 ，落 煤 的 瓦斯 涌 出量由下 式 表示 ：dQ — qol(1+ ￡) ￡ (3)對 (3)式 積分 ，就 可 得 到 (1+￡) 時 間 內落煤總 瓦斯 涌 出量 。本 公式 所 表 達 的是 2781回采 工 作 面 落 煤 瓦 斯涌 出 的一 般 規 律 。對 于 不 同 的 工 作 面 ，q。。和 a值是 不 同 的 ，以致 公 式 (3)需要 加 以修 正 。2 煤壁瓦斯涌出規律在工作 面 瓦斯涌 出構 成 中 ，煤 壁 瓦斯 涌 出量 占有 一定 的比例 ，因此 研究 煤壁 瓦斯 涌 出規 律 ，對 于準 確 預測工 作 面瓦斯 涌 出量具 有重 要 意義 。 。當 回采 工作 面不 斷 向前推 進 時 ，新 鮮煤 壁不 斷暴露 ，在 礦 山壓力 作用 下 ，煤壁 前方 煤層 中的瓦斯壓力 平衡 遭到 破壞 ，由于煤 體 內部 到煤壁 之 間存在著瓦 斯壓 力梯 度 ，瓦斯 得 以沿煤 體裂 隙及 孔 隙向工作面 涌 出 。瓦 斯涌 出強 度 隨著煤 壁暴 露時 間 的延長而衰 減 ，即煤 壁 瓦斯 涌 出 強 度 是暴 露 時 間 的 函數 。為 了確定 2781工作 面煤 壁 瓦 斯 涌 出 強 度與 時 間 的函數 關 系 ，用 巷道 測定 法 在該工 作面 下順 槽煤 壁進行 了實測 其 瓦斯涌 出強 度 。對測 定 的原始 數據 進行處理 和分 析 ，得 到 了該 工作 面下 順槽 煤壁 瓦斯 涌 出強度 與 時間 的關 系 曲線 ，如 圖 2所示 。從 圖 2可 以看 出 ，實 測 的瓦斯 涌 出強度 與暴 露 時間 的關 系近似為 雙 曲線 ，因此 ，煤壁 瓦斯 涌 出強度 與暴 露 時間 的關 系近 似為 一 雙曲線 關 系 ，其經 驗 公式 為。 ：qz一 )式 中 q：— — 經過 1+t時 間 后 ，煤 壁 瓦斯 涌 出強度 (m。／m。·d)；q。：—— 相 當于 ￡一0時 ，煤壁 瓦斯 涌 出強度 ，亦稱 為 瓦斯涌 出初 速度 (m。／m。·d)；￡—— 煤 壁暴 露 時間 ，d；衰減 系數 。將 (4)式 兩邊 取對 數 ，化為 線性 方程Lnq2一 Lnqo2一 ·Ln(1+ ￡) (5)將 實測 數 據 代 入 線性 方 程 (5)，經 回歸 分 析 ，得 ：qo2— 11．25m。／m。·d，口一0．55。即】】．25 …qz一 干 而 )Q 為 1m。煤 壁 經 過 1+t時 間后 ，總 瓦 斯 涌 出量 ，即Q。一q：dt—f'o +q。z(≠1)(7)積分 并 進行 時間 換算 后得Q 一 q。：[ ]+q。：一 p25E(1+ ￡)。· 一0．553 (8)公 式 (8) 表達 了 2781回采工 作 面煤壁 瓦斯 涌出 的一 般 規 律 。對 于不 同 的 工 作 面 ，q。：和 值 是不同的，以致公式 (8)需要加 以修正。維普資訊 http://www.cqvip.com40 中 國 礦 業 第 15卷圖 2 工 作 面 煤 壁 瓦 斯 涌 出強 度 與 時 間 的關 系 圖3 采 空 區瓦斯涌 出規律研 究回采工 作面 采空 區瓦 斯 涌 出量 ，在工作 面 瓦斯涌 出構 成 中 占有 不 可忽視 的 比例 。特 別是 我 國采煤工 作面 大 多 采 用 長 壁 布 置 、U 型 通 風 系統 ，采 空區較 大 ，以致 沿工作 面 相 當大 的一部 分 風量漏 入 采空 區 ，使 得工作 面 回風側 的通 風格外 困難 ，這也 是造 成 工作 面瓦 斯涌 出量 增大 、上隅 角瓦斯 超 限 的重要原 因 。研究 采空 區 瓦斯 濃 度 分 布 和 高濃 度 區域 ，對確 定瓦 斯抽 放參 數 十分重 要 ，它 直接 影 響瓦斯 抽放量 、抽 放濃 度 等參數 。所 以 ，采 空 區瓦斯 涌 出規律 的研究 ，對 有效 地 提高抽 放 效果 ，消除或 減輕 工作 面瓦斯 威 脅 ，提高 工作 面安 全水 平 ，有效 地 利用瓦 斯資 源具 有重 大意 義∞ 。3．1 采空 區瓦 斯濃 度分 布測 定采 用 采空 區埋 管定 點取 樣實 測法 。測試 管 路 系統 具 有 以下功 能 ：①能 通過 管路 系統 抽取 各測 點 的氣 樣并 測 定氣 樣 的 瓦斯 濃 度 。② 相 對工 作 面 而 言 ，隨著工 作 面 向前推 進 ，各測 點不 斷地 向采空 區后 方移動 ，從 而 能 測 定 出到 工 作 面 不 同距 離 的瓦 斯 濃度 ，能測 出采 空 區瓦斯 濃度 分 布狀 況 。3．2 采 空 區瓦斯濃 度 分布通 過對 測定結 果 進行 分析 ，發 現采 空 區瓦斯 濃度 分布 有 以下規 律 ：(1)沿 采空 區深 處方 向 ，瓦斯 濃度 變 化規律11匹：1愛振距工作 面距 離 (m)圖 3 2781工作 面 采 空 區 深 處 方 向瓦 斯 濃 度 變化 曲線沿 采空 區深 處 方 向 ，瓦 斯 濃 度 變 化 如 圖 3所示 ，其 瓦斯 濃度 變化 規 律如 下 ：從 工作 面 到 采 空 區深 處 方 向 30m 處 ，瓦 斯 濃度 連 續 增 大 ， 瓦 斯 濃 度 增 長 梯 度 平 均 為 每 米0．47 ；在 28m處瓦斯濃 度達到最大值 ，是工作面 上隅 角瓦 斯濃 度 的 20倍 左 右 。形 成 這 一 結 果 有以下兩 個 原 因 ：① 在 距 工 作 面 10～ 50m 左 右 的采空 區正 是卸 壓 區 ，瓦 斯 壓 力 變 化 大 ，解 吸 速 度 快 ，向采空 區 涌 出的瓦斯 量 大 ，這就 構成 了采 空 區 內距工作面 30m左右處 的瓦斯濃度達到峰值 的直接原因 。② 靠 近工作 面 附近 采空 區巖 石初 始 冒落 、巖 塊松 散 、空 隙 大 、漏 風 流 速 度 較 大 ，且 越 靠 近 工 作面 ，風速 越大 ，因而對 瓦斯 的稀 釋 、運 移作 用程 度大 ，瓦斯 濃度 小 ，使這 一 區域存 在較 大 的瓦 斯濃 度梯度 。從距 工作 面 30m 處 向采 空 區 深 處 方 向 ，瓦 斯濃度 減小 。其原 因 ：隨著 與工 作面 的距 離增 大 ，周圍瓦斯來 源 減小 ，由于采 空 區風流 的稀 釋 、運 移作用 ，瓦斯 濃 度下 降 ，并且 逐漸 趨 于平穩 。隨 著繼 續 向采 空 區深 處 方 向發展 ，采 空 區瓦斯來 源進 一 步減小 ，但 采 空 區 內 風 流 速度 逐 漸 減 弱 ，因而對 瓦斯 的擴 散 、運 移作 用減 弱 ，瓦斯 濃度 呈 現了上 升趨 勢 。(2) 沿工作 面 方 向 ，采 空 區瓦斯 濃度 變化 規 律沿工 作面 方 向 ，采 空 區瓦斯 濃度 變 化如 圖 4所示 。1一 l1避沿T作面方 向距 離 (m)圖 4 沿 工 作 面 方 向 采 空 區 瓦 斯 濃 度 變 化 曲 線在距離工作面較近 區域 ，由于采空 區風流流動對瓦斯的運移作用 ，采空 區瓦斯 出現 向 回風側運 移 的趨勢 ，從進 風側 向回風側方 向，瓦斯濃度逐漸增大。在距 工 作面較 遠 的采 空 區深處 ，采 空 區風 流速度 較小 ，對 瓦斯 的運 移作 用微 弱 ，進 、 回風側 瓦斯濃 度變 化不 大 。值 得一 提 的是 ，在本 次測 定 中 ，實測 的瓦斯濃度總體 來 看 并 不 是很 大 ，但 也 有 些 測 定值 達到309／6左 右 。經 過初 步分 析 ，可 能 由 以 下原 因造 成 ：首 先 ，可 能 由 于 采 空 區垮 落 巖 石 裂 隙 大 ，漏 風量大 ，且影 響較 遠 ，造成 采 空 區瓦 斯 難 以 大量 積 聚 ，并且 瓦斯 濃 度 不 高 ，從 而 使 采 空 區 瓦 斯 涌 出 量 很大 ，上 隅角瓦 斯超 限嚴 重 ，經 常 達 到 2 以上 ，嚴重影 響 了工作 面 的正 常生產 ；其 次 ，由于測試 條 件所限，無法清楚取樣點附近情況 ，并且巖石垮落沖維普資訊 http://www.cqvip.com第 5期 葉 青 等 ：回采工作面瓦斯涌 出規律研究 41壞 、壓壞取樣頭 、束管的可能性也存在。4 回采 工作 面 瓦斯涌 出構 成 分析根據 前 面得 出 的落煤 及煤 壁 瓦斯 涌 出規律 以及采空 區瓦斯濃 度分 布規 律 ，將實 測結 果進 行計 算處理 ，得 到 2781工 作面 瓦斯 涌 出構成 ，如 表 1所列 。表 1 回 采 工 作 面 瓦斯 涌 出 構 成在 正常 回采條 件下 ，工 作 面瓦斯 涌 出構 成 隨著工 作 面 的推 進 速度 變化 而變 化 ，工 作面推 進 速度 增大 ，落 煤 瓦斯 涌 出量 占總 涌 出量 的 比例 隨 之 上 升 ，而 煤 壁瓦斯 涌 出量 所 占的 比例 則相 對下 降 。對 于綜 采 工作 面 ，由于推 進速 度快 ，煤 炭產 量大 ，大部 分 瓦斯來 源 于落 煤 。經實 測 和計 算 ，落煤中 的瓦斯 約 有 63．96～ 72．99 在 采 落 后 30min內涌 出 。在 一般 情 況下 ，綜 采 面采 落煤 炭運 出工作 面的時 間 為 10～ 20min，炮 采 面為 20～30min，所 以若停 留時間延 長，則會使 工作面瓦斯涌 出量增加。因此 ，加快運 煤 速度 ，縮 短 落煤 在工 作面 停 留 的時間 ，是 減少 工作 面 瓦斯 涌 出量 的一個 重要 途徑 。另外 ，盡 量提 高工 作 面 回采率 ，減 少 丟煤 ，也 可有效降 低工 作面 瓦斯 涌 出量 。從 表 1可 以看 出 ，落 煤 和煤 壁 瓦 斯 涌 出量 占81．94 ，所 以落煤 和 煤 壁 瓦 斯 涌 出 量 是 工 作 面 的主要組 成部 分 ，治 理工 作 面 的瓦斯 主要 是治 理落 煤和煤 壁涌 出 的瓦斯 ，即 ，可 以采取 本煤層 瓦 斯抽 放的方 法來解 決 。采空 區瓦 斯涌 出 占到工 作面 瓦斯 涌出 的 18．06 ，因此 采空 區瓦斯 涌 出也 是 一個 不 容忽 視 的 問題 。根據 其 它礦 區 的經驗 以及 在實 測 中瓦斯 濃 度很 快 便 達 到 近 30 的 結 果 來 看 ，采 取 采 空區埋 管抽 放 ，只 要布 置合 理還 是可 以抽 出一 定 的 瓦斯 ，這對 減少 采 空 區瓦斯 涌 向工作 面 ，減少 工 作面通風 壓力 ，抑 制 上隅 角 瓦斯超 限會 起 到重要 作 用 。5 結 論通 過對 工作 面落 煤 瓦斯涌 出過程進 行研 究 ，得出 了落煤 瓦斯 涌 出強 度 隨時 間 的變化規 律 。利用 巷道 測 定 法 對 煤 壁 瓦 斯 涌 出過 程 進 行 研究 ，找 出了煤 壁瓦斯 涌 出強 度 隨時 間的變 化規 律 。利用 埋管 定點 取樣 法對 采空 區 瓦斯濃 度分 布進行 了實測 ，得 到 了采空 區 瓦斯濃 度 的分布 規律 ：在沿工 作 面縱 向方 向上 ，其 瓦斯濃 度 隨工作 面 的推進逐漸 增加 ，達 到 峰值后 減小 ，然 后 又稍有 增 大 ；沿工作 面方 向上 ，上 部 瓦斯濃 度 高于 下部 ，隨工 作 面推進 ，這種濃 度 差越來 越小 。利用 落煤 、煤壁 及 采 空 區瓦 斯 涌．出量 測 定 值 ，對 工作 面 瓦斯涌 出來 源及 構成 進行 了分 析 ，得到 了工 作面 落煤 、煤 壁 、采空 區 瓦斯涌 出 的百分 比。本 文所 測定 的瓦 斯 涌 出 規律 是 2781工 作 面 瓦斯 涌 出 的一 般規 律 ，對不 同煤 層工 作 面瓦斯 涌 出規律 ，需 要測 定有 關參 數來 修正 。 _參考文獻[13 林柏 泉 ，崔恒 信．礦井 瓦斯 防治 理論 與技 術 [M]．徐州 ：中國礦 業大學 出版社 ，1998，8．(23 中華人 民共和 國安全生產行業標準．礦井瓦斯涌出量預測方法 Es3．國家安全生產監督管理總局．(33 林柏 泉 ，張 建國．礦 井瓦 斯抽 放理論 與技 術 [M]．徐 州 ：中國 礦 業 大 學 出 版 社 ，1996，8．(上 接 第 37頁 )(C。)在導 致 礦井 水災 的指 標 因 素 中所 占的權 重最大 ，這 正 體 現 了 “有 疑 必 探 ，先 探 后 掘 ，先 探 后采 ” 的探放 水方 針 的重 要性 ，所 以層 次 分析 法是 評價礦 井 水災 安全 性 的很 好 的實用 方 法 。 _參考 文獻(13 曹 慶貴．煤礦頂板事故 安全評價應用軟件初探 EJ]．煤炭企業 管 理 ，1990，5．蔣 國安 ，等．礦井 安全評 價方法 的分析 與探討 [D]．煤礦安全系統工程學術會議論文 集，山東省 出版總社 泰安分社 ，1992．蔣軍成 ，郭振龍．工業裝置安 全衛生 預評 價方法 EM]． 北京 ：化學工業 出版社 ，2004，1．

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