康家灘礦88203回采工作面尾巷瓦斯異常涌出情況分析
摘要：本文通過對當?shù)卮髿鈮毫?8203尾巷瓦斯?jié)舛鹊膶嶋H觀測計算，對康家灘煤礦88203尾巷瓦斯異常涌出進行了理論分析，認為大氣壓力大幅度變化是引起瓦斯大量涌出的主要原因，同時認為頂板大面積垮落是造成工作面短時瓦斯超限的重要原因，為今后康家灘煤礦工作面瓦斯治理總結經(jīng)驗和提供依據(jù)。關鍵詞：尾巷瓦斯異常涌出
康家灘礦位于山西省忻州市保德縣境內(nèi)，隸屬于神府東勝煤炭有限責任公司。礦井采用斜井、立井及平硐混合開拓方式，開采方法為長壁工作面綜合采煤方法，全部垮落法管理項板。井田南北走向長22.6km，東西傾向寬6.4km，面積118.79km2，設計生產(chǎn)能力為16Mt／a，服務年限為63.4a。井田位于河東煤田的北部，總體上為平緩的單斜構造形態(tài)，主要可采煤層為山西組的8#煤和太原組的13#煤，目前主要開采8#煤層。
康家灘煤礦為神東公司唯一的高瓦斯礦井，2005年2月21日到3月13日88203綜采工作面瓦斯涌出發(fā)生異常，尾巷內(nèi)瓦斯呈間斷性超限。特別是3月13日瓦斯涌出達到最高峰，尾巷瓦斯?jié)舛葒乐爻?，局部瓦斯?jié)舛瘸^6％，使工作面回采工作被迫停止。為找出瓦斯異常涌出的原因，給工作面瓦斯治理提供依據(jù)，神東公司聯(lián)合煤科總院撫順分院對88203工作面瓦斯涌出情況進行了測試和分析，初步查明了原因。
1.88203綜采工作面工作面概況
88203工作面位于康家灘井田中北部的二采區(qū)，工作面走向長2250m，傾斜長198.5m，回采推進長度1733.6m，面積344123m2。沿走向布置，下部布置有膠帶運輸順槽和輔助運輸順槽，上部布置有回風順槽和專用排放瓦斯尾巷等四條煤層巷道，采用傾斜長壁綜合機械化一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面設計采高3.5m，設計日產(chǎn)量18kt。該面回采范圍內(nèi)所采8#煤層厚度為5.50～7.66m，平均厚度為6.58m，傾角3°～7°，總體上呈南薄北厚趨勢，結構復雜。88203煤層綜合柱狀圖1-1所示。
工作面采用“兩進兩回”的通風方式，即工作面下輔運巷和膠運巷進風，回風順槽和專用排放瓦斯尾巷回風。工作面專用排放瓦斯尾巷是原88202工作面輔助運輸順槽，該巷與88202采空區(qū)平均每50m有一個聯(lián)巷相連(已封閉)。工作面配風量為21OOm3／min(回風巷1300m3／min.，尾巷800m3/min)。
工作面采用采空區(qū)插管瓦斯抽放方法，沿尾巷鋪設一趟Φ508mm主管路，尾排聯(lián)巷敷設由377mm支管，其中靠近靠近切眼的1200m每隔1個聯(lián)巷(100m)設一趟支管，靠近回撤通道的500m每隔2個聯(lián)巷(150m)設一趟支管。移動抽放泵站安設在88202膠運順槽口，選用2臺CBF610-2BG3型抽放泵，單臺額定流量為248～264m3／min，配套電機功率為315kW。工作面巷道布置及抽放系統(tǒng)如圖1-2所示。
2.88203采面瓦斯涌出情況
88203工作面于2005年1月31日開始試生產(chǎn)，該面作為配采面，間斷性開采，到2月26日累計推進105m。從2月27日開始，工作面正常生產(chǎn)，到3月13日上午11時累計推進243m(距內(nèi)錯回風巷27聯(lián)巷18m)，工作面剩余1489m。
(1)從1月31日開采到2月20日累計推進100m，瓦斯涌出比較穩(wěn)定，工作面瓦斯不超限。
(2)從2月21日到3月13日累計推進143m，瓦斯涌出發(fā)生異常，尾巷內(nèi)瓦斯呈間斷性超限。特別是3月13日瓦斯涌出達到最高峰，尾巷瓦斯?jié)舛葒乐爻蓿植客咚節(jié)舛瘸^6％，使工作面回采工作被迫停止。
(3)分析工作面瓦斯檢查結果，工作面瓦斯涌出呈現(xiàn)出以下規(guī)律：每天上午9時至下午6時瓦斯升高，12時至16時區(qū)間最大，13～27聯(lián)巷瓦斯?jié)舛葹?～6％，3～13聯(lián)巷瓦斯?jié)舛葹?.8～3.1％。
采面回采以來瓦斯涌出情況統(tǒng)計如表2.1所示。
時間 CH4濃度 (％)風量(m3／min) 絕對瓦斯涌出量 (m3／min) 溫度(℃) 氣壓(hpa)回風尾巷回風尾巷平均
最高 最低 溫差 保德站 海平面
1月30日
0.30
0.74
1531
1261
13.92
1月31日
0.59
-11.5
-5.6
-15.8
10.2
922.5
1035.8
2月1日
0.76
-13.0
-7.0
-17.7
10.7
923.5
1037.6
2月2日
0.97
11.2
-4.5
-17.9
13.4
917.7
1028.9
2月3日
0.32
0.75
2034
1094
14.71
-4.5
2.4
-9.9
12.3
910.3
1019.7
2月4日
0.65
-7.7
-3.3
-11.8
8.5
916.6
1027.6
2月5日
0.74
-8.0
-3.1
-11.6
8.5
916.0
1026.5
2月6日
0.75
-3.4
-0.9
-5.0
4.1
917.4
1026.6
2月7日
0.69
-7.2
-2.7
-9.4
6.7
921.0
1032.0
2月8日
0.64
-9.3
-5.6
-13.6
8.O
919.7
1031.3
2月9日
0.49
-11.5
-5.6
-15.8
10.2
928.8
1043.8
2月10日
1.07
-13.1
-7.5
-17.9
10.4
928.1
1042.0
2月11日
1.04
-11.8
-3.0
-19.1
16.1
926.2
1039.6
2月12日
0.40
1.09
1582
95l
16.69
-7.5
3.3
-14.8
18.1
922.3
1033.5
2月13日
1.23
-4.9
4.1
-13.0
17.1
915.3
1023.6
2月14日
0.38
1.50
1228
1032
20.15
0.4
5.1
-5.2
10.3
913.5
1020.6
2月15日
0.75
0.2
2.4
-1.1
3.5
914.0
1021.1
2月16日
0.98
-3.2
1.5
-8.1
9.6
917.1
1026.2
3.88203采面尾巷瓦斯異常涌出情況分析
3.1瓦斯異常涌出動態(tài)變化狀況分析
從2月21日到3月13日累計推進143m，瓦斯涌出異常，尾巷內(nèi)瓦斯呈間斷性超限。通過統(tǒng)計3月1日至3月18日203尾巷瓦斯?jié)舛葯z查記錄，其變化情況如圖3-1所示。工作面瓦斯涌出情況如圖3-2所示。
分析工作面瓦斯檢查結果，工作面瓦斯涌出呈現(xiàn)出以下規(guī)律：每天上午9時至下午6時瓦斯升高，12時至16時區(qū)間最大，13～27聯(lián)巷瓦斯?jié)舛葹?～6％，3～13聯(lián)巷瓦斯?jié)舛葹?.8～3 .1％
通過對監(jiān)測系統(tǒng)記錄的88203回風巷(回撤通道以里)回風流瓦斯?jié)舛茸畲笾岛?8203尾巷風流瓦斯?jié)舛茸畲笾登€進行分析，3月8日前，回風流瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在O.4％以下，3月8日至今基本穩(wěn)定在0.4～0.6％之間：通過對2月21日至3月18日88203尾巷風流瓦斯?jié)舛茸畲笾登€分析可以看出，其瓦斯?jié)舛茸兓艽?，最大達到4％以上，最小僅為O.4％左右，并且每天的曲線大都有兩個峰值，一個出現(xiàn)在每天的12點到18點之間，其峰值較大，另一個出現(xiàn)在2點到6點之間，峰值較小，有時沒有，這說明其瓦斯涌出受外界氣壓和溫度影響較大，且瓦斯來源主要為88202采空區(qū)瓦斯。
通過對88203尾巷和88202聯(lián)巷及閉墻瓦斯?jié)舛冗M行測定，密閉前CH4濃度可達8～10％甚至超過10％，可見閉墻內(nèi)瓦斯?jié)舛缺厝辉?0％以上，說明88202采空區(qū)瓦斯涌出較大，經(jīng)計算，88202采空區(qū)最大滲漏CH4達19m3／min之多。瓦斯尾巷百米泄漏瓦斯1.13 m3／min。
3.2瓦斯異常涌出原因分析
3.2.1氣壓變化對工作面瓦斯涌出的影響
氣壓變化是導致88203工作面尾巷瓦斯超限的重要原因。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，大氣溫度變化會引起氣壓的變化，一般情況下，大氣溫度升高，氣壓降低，反之亦然。根據(jù)保德縣氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)，春季每天溫差3.5～21℃之間，溫度的大幅變化導致大氣壓力變化較大，造成尾巷及連通的采空區(qū)氣體壓力發(fā)生變化，是造成瓦斯涌出異常增大，尾巷內(nèi)瓦斯呈間斷性超限的重要原因。
圖3-3為保德縣3月1日至3月15日氣壓變化情況，圖3-4為88203尾巷3月1日至3月15日瓦斯?jié)舛茸兓闆r(均為早班第三次檢查結果)，圖3-5為88203工作面瓦斯涌出量變化曲線。對比圖3-3、圖3-4和圖3-5可以看出，3月1日至3月15日期間，保德縣氣壓有兩次明顯的高壓過程和低壓過程，而88203工作面尾巷在此期間也出現(xiàn)了幾次瓦斯涌出異常，具體體現(xiàn)在6號、9號和13號，隨著氣壓的降低，尾巷瓦斯?jié)舛燃眲≡黾印?號的氣壓值為918.4hpa，比5號的924.3hpa降低了590pa；9號的氣壓值為907.1hpa，比8號的913.6hpa降低了650pa；13號的氣壓值為922.5hpa，比12號的928.5hpa降低了600pa。由此說明，當氣壓變化幅度較大時，會引起瓦斯涌出的急劇變化，因此，88203工作面尾巷幾次瓦斯涌出異常與當?shù)卮髿鈮旱拇蠓茸兓泻艽蟮年P系?！?/P>
圖3.6為3月9日測得的康家灘礦地面和88203尾巷氣壓變化曲線，從該曲線可以看出，井下巷道氣壓變化與地面氣壓變化趨勢基本一致，說明井下巷道氣壓受地面氣壓變化的直接影響。氣壓在夜晚O點左右最高，然后隨著氣溫的升高逐漸降低，在15點到17點達到最低值，然后隨著氣溫的降低逐漸升高。
假設以O點時的氣體狀態(tài)為原始狀態(tài)，即存在P0、V0、T0，O點以后，隨著氣壓的逐漸降低，即P1越來越小，Pl
尾巷總的瓦斯涌出量可用下式計算：
式中：Q川巷瓦斯涌出量，m3/min ；
Q1—尾巷供風量，m3/min；
C1—尾巷原來的瓦斯?jié)舛?即由工作面和工作面采空區(qū)涌出的瓦斯)，％：
Co—采空區(qū)涌出的瓦斯?jié)舛龋ィ?/P>
Q—時間tī內(nèi)由采空區(qū)涌出的混合瓦斯量，m3/m；
采空區(qū)瓦斯涌出強度為：
則尾巷瓦斯?jié)舛瓤捎孟率奖硎荆?/P>
3.2.2頂板冒落對工作面瓦斯涌出的影響
眾所周知，隨著工作面采煤工作的進行，煤炭采出后形成一定空間，上覆差層奄地應力和自重作用下將受到破壞，當其本身的強度不足以抵抗上述作用z時，就會斷裂、垮落，由于破碎后巖體體積增大，直到將冒落空間填滿，達到耔的平衡，冒落才停止。應該說，大面積老頂垮落的過程，也是造成工作面采空區(qū)瓦斯急劇涌出的過程，其主要原因有三。一是隨著頂板巖石的斷裂垮落，巖石發(fā)生膨脹，添塞占據(jù)原有的采空區(qū)空間，將采空區(qū)空間體積減少，使采空區(qū)內(nèi)瓦衡壓力增大，與外界產(chǎn)生氣壓差，使采空區(qū)積聚的瓦斯涌出；二是隨著頂板垮落，鄰近層瓦斯卸壓釋放，大量涌向采空區(qū)，使采空區(qū)內(nèi)瓦斯量和壓力增大，與外界產(chǎn)生氣壓差，使采空區(qū)瓦斯涌出：三是如果老頂懸空面積大，整體垮落過程中，形成動壓，將采空區(qū)瓦斯擠壓，形成高壓瓦斯流沖向采掘空間，造成工作面瓦期瞬間急劇涌出，引起超限。
在工作面回采過程中，隨著頂板的初次來壓和周期來壓，瓦斯涌出出現(xiàn)周期性的波動，就是由于頂板垮落的結果，因此在生產(chǎn)過程中應隨時注意項板的垮落情況，不應留有大面積空頂區(qū)。
本次88203尾巷瓦斯異常涌出是在工作面推進到240m左右時發(fā)生的，且地面塌陷明顯，最大下沉量15cm以上.這說明頂板發(fā)生了大面積冒落，使地層發(fā)生整體下沉，將回采面采空區(qū)瓦斯大量擠出，涌向瓦斯尾巷。
但是老頂垮落對鄰近采空區(qū)的影響不會太大，因為鄰近采空區(qū)在回采過程中，頂板活動已基本結束，頂板地層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖3-7是88203工作面和88202采空區(qū)的剖面示意圖。由示意圖可以看出，88202和88203工作面之間的三條巷道保護煤柱處于集中應力帶，兩個采空區(qū)之間的連通性較差，因此，203工作面采空區(qū)項板冒落對202采空區(qū)影響不大，只是對本工作面采空區(qū)瓦斯涌出有影響。
3.2.3采空區(qū)漏風和鄰近層瓦斯涌出對工作面瓦斯涌出的影響
采空區(qū)漏風和鄰近層瓦斯涌出是造成工作面尾巷瓦斯超限不可忽視的原因。由前述可知，采空區(qū)空間體積一定，并且遺留在采空區(qū)內(nèi)煤炭的瓦斯量有限，不可能無限的向外涌出，如果有外部漏風或鄰近層瓦斯源不斷向采空區(qū)補充氣體，則采空區(qū)氣體的壓力將不斷增大，促使瓦斯向外界涌出。因此，盡量減少采空區(qū)遺煤，減少漏風量，也是降低采空區(qū)瓦斯涌出，防止工作面回風和尾巷瓦斯超限的有效手段。
綜上所述，造成88203工作面尾巷瓦斯異常涌出的原因很多，并且各種原因相互作用，相互交叉，共同起作用，但分析認為，大氣壓力的劇烈變化是造成現(xiàn)階段尾巷瓦斯超限的主要原因。
4.結論
(1)通過對大氣壓力、203尾巷瓦斯?jié)舛鹊挠^測計算，利用理想氣體的狀態(tài)方程理論對88203尾巷瓦斯異常涌出進行了理論分析，認為大氣壓力大幅度變化是引起瓦斯大量涌出的主要原因，并且88203工作面瓦斯異常涌出時，氣壓變化均達到600pa左右。
(2)頂板大面積垮落是造成工作面短時瓦斯超限的重要原因，但其只對開采工作面采空區(qū)瓦斯造成影響，其影響的范圍不僅僅是尾巷，還將波及工作面和回風巷。
(3)采空區(qū)漏風和鄰近層瓦斯涌出是造成工作面尾巷瓦斯超限不可忽視的原因。盡量減少采空區(qū)遺煤，減少漏風量，也是降低采空區(qū)瓦斯涌出，防止工作面回風和尾巷瓦斯超限的有效手段。
1、煤炭科學研究總院撫順分院 2、神東公司安監(jiān)局通風處 3、神東公司康家灘煤礦
