礦井卸壓瓦斯的飄聚現(xiàn)象觀察

與綜放面瓦斯綜合治理

 

劉彥斌  

（山西陽泉煤業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西  陽泉  045000）

 

摘  要：通過對礦井卸壓瓦斯在井下空間的分布狀況的測試觀察，以及對綜放面瓦斯涌出構(gòu)成、工作面推進度與隅角頂板冒落、走向高抽巷瓦斯變化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，陽煤集團綜放面采用U+I通風(fēng)方式和走向高抽巷輔以初采瓦斯抽采巷治理瓦斯的綜合技術(shù)方法，之所以成功的科學(xué)原理在于——礦井卸壓瓦斯具有擴散和飄聚的雙重物理性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：綜放面；瓦斯；飄聚；治理

 

瓦斯作為煤炭的伴生物賦存于煤巖層中。在煤炭的井工開采過程中，受采動影響，煤巖體中以吸附或游離狀態(tài)存在的瓦斯大量涌出，我們稱這部分瓦斯為礦井卸壓瓦斯。在生產(chǎn)現(xiàn)場接觸到的瓦斯都是礦井卸壓瓦斯。礦井卸壓瓦斯的處理效果直接關(guān)系到礦井的生產(chǎn)安全。陽泉礦區(qū)是我國著名的高瓦斯礦區(qū)，2006年度陽煤集團絕對瓦斯涌出量1386.9m³/min（7.19×10⁸m³/a），平均相對瓦斯涌出量20.3 m³/t,瓦斯抽采總量3.76×10⁸m³/a，平均抽采率為52.38%。綜放開采做為陽煤集團的主導(dǎo)采煤工藝，其原煤產(chǎn)量占本企業(yè)總產(chǎn)量的近70%。從2005年起，綜放工藝單面原煤產(chǎn)量達到了400萬噸/年以上。綜放開采的煤厚6.0~7.5m，煤層傾角5—10度，工作面采長180—260m，可采走向長1000—2000m，覆蓋層厚度260~650m。綜放開采頂板冒落高，影響范圍大，瓦斯涌出量多，日產(chǎn)萬噸的綜放面最高瓦斯涌出量達187 m³/min。那么，陽煤集團綜放開采瓦斯治理的技術(shù)方法怎樣？其原理又是什么呢？

1 綜放面瓦斯治理的目標(biāo)

生產(chǎn)場所無瓦斯超限。所謂生產(chǎn)場所在這里主要指回采工作面、上隅角、回風(fēng)巷、內(nèi)錯尾巷等回采生產(chǎn)期間會有人作業(yè)而又容易發(fā)生瓦斯超限的場所。

綜放面各地點瓦斯?jié)舛纫?guī)定如下：

進風(fēng)風(fēng)流﹤0.5%，工作面煤壁﹤2.0%，工作面風(fēng)流﹤1.5%，上隅角﹤2.0%，工作面煤溜機尾﹤1.5%，回風(fēng)風(fēng)流﹤1.0%，內(nèi)錯尾巷風(fēng)流﹤2.5%。

2綜放面瓦斯治理技術(shù)方法

為保證上述地點瓦斯?jié)舛炔怀蓿柮杭瘓F綜放工作面采用U+I通風(fēng)方式和走向高抽巷輔以初采瓦斯抽采巷治理瓦斯的綜合技術(shù)方法收到了預(yù)期效果。即工作面采用沿底板布置的進、回風(fēng)巷和沿頂板布置的（專用瓦斯排放）內(nèi)錯巷通風(fēng)，采用走向高抽巷加偽傾斜初采瓦斯抽采巷抽采瓦斯，走向高抽巷在工作面上方沿12#或10#煤層布置，與15#煤層的垂直間距H=42~65m，與回風(fēng)巷的水平距離B=22~35m（走向高抽巷尾端向工作面中部拐彎后，B=50m），終端距切巷水平距離20m，見圖1示。

二礦80706綜放面上方70—80m 8#煤部分未采，瓦斯涌出量從47 m³/min到187 m³/min不等，配風(fēng)量為800—850 m³/min，其中內(nèi)錯尾巷回風(fēng)量為150—250 m³/min，風(fēng)排瓦斯量4—8 m³/min。走向高抽巷瓦斯抽采濃度為40—96%，工作面瓦斯抽采率為86—97%，該面瓦斯最高抽采量達182 m³/min。

根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，走向高抽巷距工作面的垂高與瓦斯抽采濃度呈正相關(guān)關(guān)系，垂高越大，瓦斯?jié)舛仍礁?。高抽巷距開采煤層42—65m，一般抽采濃度為40—80%，最高抽采濃度達96%。

瓦斯抽采濃度與工作面推進速度、抽采強度、解放層開采有關(guān)。工作面推進速度越快，瓦斯抽采濃度越高；抽采強度過大，則抽采濃度下降，抽采能力不足，則內(nèi)錯巷、上隅角、回風(fēng)流就會先后超限；開采解放層（8#煤）后，瓦斯涌出量顯著減少，瓦斯抽采濃度降低，抽采量也相應(yīng)減少。

3原理分析

任何高效的技術(shù)方法都必然符合事物的客觀規(guī)律，只有認識了事物的規(guī)律才能把握問題的本質(zhì)。尋求礦井瓦斯治理的有效技術(shù)方法，首先應(yīng)認識礦井瓦斯的基本性質(zhì)。

3.1礦井卸壓瓦斯的飄聚現(xiàn)象觀察與分析

眾所周道，不同的氣體密度不一。在大地重力場中，密度小的氣體向上飄逸積聚的性能叫做氣體的飄聚性。礦井卸壓瓦斯比空氣的密度小，與空氣的相對比重為0.554。在礦井下不難發(fā)現(xiàn)巷道頂部或高冒區(qū)的瓦斯?jié)舛雀哂谙锏老虏康那闆r，這就是礦井卸壓瓦斯在礦井空間的飄聚現(xiàn)象。下面給出兩組現(xiàn)場試驗：

第一組試驗：在二礦71501東順副巷炮掘工作面進行了停風(fēng)瓦斯?jié)舛扔^測試驗：盲巷長度70m，3:45引爆裝有40塊藥的8個拉槽炮，4:00將事先備好的5枚40%的瓦斯傳感器設(shè)置到預(yù)定位置，隨即停止送風(fēng)126分鐘觀測瓦斯?jié)舛茸兓?

結(jié)果顯示：在同一時刻，距煤頭相同距離的瓦斯?jié)舛?，頂部遠大于底部；距煤頭近的區(qū)域大于離煤頭遠的區(qū)域。前者表明礦井卸壓瓦斯具有顯著的飄聚性，底部的瓦斯?jié)舛鹊驼f明瓦斯同時具有擴散性；

后者則表明瓦斯的主要來源是爆破后的破碎煤體和新暴露的煤壁。數(shù)據(jù)見圖2。

 

    在風(fēng)流靜止或?qū)恿鳡顟B(tài)易出現(xiàn)瓦斯飄聚現(xiàn)象，那么紊流條件下的瓦斯會不會有飄聚現(xiàn)象呢？

第二組試驗：在21202綜采工作面拆除前，對5組測點分別距頂?shù)装甯?0cm處進行了實測，數(shù)據(jù)見表1：

21202瓦斯飄聚測試數(shù)據(jù)     表1

序號	測點位置	斷  面 長×寬 m	平均風(fēng)速 m/s	CH4  %		濃度比%	瓦斯量 m3/nim	Re	風(fēng)流狀態(tài)
				頂部	底部	底/頂
1	回風(fēng)巷	4.2*1.9	0.95	0.65	0.60	92.31	2.85	173042	紊流
2	5號架	5.0*2.2	0.67	0.64	0.34	53.13	2.16	141461	紊流
3	96號架	5.0*2.2	0.62	0.13	0.10	76.92	0.47	130530	紊流
4	105號架	5.0*2.2	0.43	0.11	0.08	72.73	0.35	118313	紊流
5	尾巷	4.2*3.0	0.06	7.5	0.22	2.93	1.74	14583	過渡

Re=4VS/vU

Re——雷諾數(shù)，V——平均風(fēng)速m/s，S——巷道斷面m²,U——巷道周界m，

v——流體的運動粘性系數(shù)，礦井風(fēng)流取14.4×10^-6 m²/s。

據(jù)前人試驗，當(dāng)Re≤2000時，流體呈層流狀態(tài)，當(dāng)Re>2000時，流體開始向紊流過渡，當(dāng)Re≥100000時，流體呈完全紊流狀態(tài)。

實測表明：礦井卸壓瓦斯通常具有擴散和飄聚的雙重物理性。瓦斯涌出量越大、風(fēng)速越低瓦斯的飄聚（高位的瓦斯?jié)舛雀哂诘臀坏耐咚節(jié)舛鹊模┈F(xiàn)象越顯著，而瓦斯的擴散（與空氣混合的）程度卻越低；在紊流狀態(tài)下雷諾數(shù)Re越大，瓦斯表現(xiàn)出較強的擴散性，而飄聚程度卻較低。但即便在紊流條件下也仍表現(xiàn)出飄聚性。測試發(fā)現(xiàn)，在近水平的巷道里當(dāng)風(fēng)速小于0.1m/s時，瓦斯飄聚顯著，當(dāng)風(fēng)速大于1.0m/s時則飄聚微弱。

由此可見，回采工作面采空區(qū)頂板冒落后，上部空間風(fēng)速微弱，為礦井卸壓瓦斯提供了飄聚的有利空間，那里必然有大量的高濃度瓦斯積聚。據(jù)此，我們就可以找到處理礦井卸壓瓦斯的更佳途徑。

現(xiàn)以綜放面初采期瓦斯治理為例探討如下。

4綜放面初采期瓦斯治理存在的問題

所謂綜放面初采期瓦斯，是指隨著綜放面的初采，已采區(qū)頂板逐漸垮落而又尚未與上方的高抽巷溝通期間，本煤層和鄰近層的絕對瓦斯涌出總量。五個綜放面的初采統(tǒng)計數(shù)據(jù)為47~78m³/min，其中，鄰近層瓦斯占86%~90%。在沒有采取綜放面初采瓦斯抽采巷的技術(shù)措施之前，由于工作面通風(fēng)負壓的作用，在上隅角和內(nèi)錯巷里端形成負壓區(qū)，上隅角和內(nèi)錯巷的瓦斯經(jīng)常處于超限狀態(tài)。80510內(nèi)錯巷初采期瓦斯?jié)舛仍哌_17%，致使無法進行生產(chǎn)。綜放面初采期瓦斯嚴(yán)重超限具有普遍性。

為解決綜放面初采期瓦斯問題，我們曾在80510（里）綜放面上隅角向高抽巷打了1個Ф75mm的鉆孔，因孔徑較小，未能達到預(yù)期目的，但從試驗中得到了有益的試驗數(shù)據(jù)。80510（里）上方各層煤均未開采，該面初采期瓦斯情況見附圖3示。統(tǒng)計結(jié)果表明：80510（里）綜放面從試機到推進7.65m（剛剛推出7m寬、采用錨桿、錨鎖支護的切巷）期間，頂板未冒落，工作面平均瓦斯涌出量1.34m³/min。從7.65m~18.50m期間，切巷頂煤冒落，工作面平均瓦                     80510（里）初采期瓦斯統(tǒng)計曲線   圖3

斯涌出量達到4.01m³/min，即本煤層瓦斯。內(nèi)錯巷瓦斯排放率由38%              

提高到62%（濃度由0.2%上升到2.8% ）。工作面推進到16.15m時，高抽巷口溢出濃度7%的瓦斯，隨即將抽采系統(tǒng)與高抽巷連通，高抽巷口與上隅角的相對壓差為350pa，但抽采量只有0.42m³/min。從18.50m推進到40.25m期間，頂板冒落、上鄰近層瓦斯開始涌出，但冒裂帶尚未與高抽巷連通，瓦斯涌出量也從7.91m³/min猛增到41.99 m³/min，平均值由4.01 m³/min上升到29.16 m³/min。即，初采期上鄰近層瓦斯平均值為25.15 m³/min，占90%(最高達37.98 m³/min，占91%)。此期間，與高抽巷連通的Ф75mm鉆孔排放瓦斯平均值為1.46 m³/min，內(nèi)錯巷排放瓦斯平均值由2.59 m³/min升為26.33 m³/min（最高38.25 m³/min，最高濃度17%），內(nèi)錯巷平均排放率高達90.29%。14天內(nèi)因瓦斯超限停產(chǎn)241小時，日均17.21小時。

當(dāng)工作面推進到40.25m后，總瓦斯量進一步增加，平均值為55.20 m³/min，最大值78.01m³/min，但冒裂帶與高抽巷連通，內(nèi)錯巷瓦斯由最大38.25 m³/min降為平均為6.27m³/min（最小2.48 m³/min），而高抽巷瓦斯排量由1.46 m³/min上升到47.72 m³/min（最高達73.66 m³/min），占總瓦斯量的86.45%（最高達94.66%）。標(biāo)志著初采期結(jié)束，工作面平均日推進度由1.55m提高到3.46m。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知：初采期，導(dǎo)致瓦斯超限和停產(chǎn)的根源是鄰近層瓦斯。只要有一斷面足夠大的通道將綜放面上隅角與高抽巷連通，就可以利用走向高抽巷及時排放初采期鄰近層瓦斯。

5 綜放面初采期瓦斯治理技術(shù)方案

采用一條小斷面斜巷，將上隅角與走向高抽巷尾部連通，使初采期上鄰近層瓦斯在高抽巷的抽采負壓作用下及時排出。稱該斜巷為：初采瓦斯抽采巷。其關(guān)鍵是，要布置在頂板初始冒落的邊緣帶上，使之隨頂板的冒落自下而上逐段報廢，使抽采負壓點隨之上移，瓦斯抽采濃度逐漸升高，直至頂板冒裂高度與高抽巷連通，渡過初采期。

為找到綜放面初采期頂板的冒落規(guī)律，把初采瓦斯抽采巷布置在頂板初始冒落的邊緣帶上，對5個沒有布置初采瓦斯抽采巷的綜放面高抽巷開始抽排瓦斯時的推進度值（即初采期推進度）和瓦斯情況進行了觀測統(tǒng)計，見附表2。從5個綜放面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出上隅角頂板的視初始冒落角度為62o~66o，見圖4示。據(jù)此，在80613綜放面用一條小斷面、大仰角的初采瓦斯處理巷，將上隅角與走向高抽巷溝通，詳見圖1。

5個綜放面初采期推進度與瓦斯情況       附表2

序   號	工作面   編號	初采期推進度 （m）	高抽巷CH4濃度 （%）	抽采量   (m3/min)	高抽巷位置		隅角頂板視 初始冒落角 （°）
					H （m）	B （m）
1	80608	39.0	20	8.00	46	28	65.5
2	80510里	42.3	33	24.69	49	52	66.0
3	80510外	39.5	53	79.20(含里段老塘瓦斯)	42	28	62.5
4	80606	38.0	30	25.82	46	38	66.0
5	80609	43.8	35	20.19	43	22	62.0

80613綜放面初采期瓦斯統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，該面初采瓦斯處理巷布置在了頂板初始冒落的邊緣帶上，具有隨頂板冒落抽采負壓點不斷上移、逐漸提高抽采濃度的功能，收到了預(yù)期效果。80613綜放面投產(chǎn)后，高抽巷口與上隅角的相對壓差為120pa。工作面推進71.75m期間瓦斯情況統(tǒng)計見圖5。

  80613初采瓦斯統(tǒng)計曲線  圖5

由于80613采用了初采瓦斯抽采巷的技術(shù)方案，從初采期瓦斯統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖5與80510（里）圖3對相可以看出，瓦斯排放途徑發(fā)生了根本區(qū)別。當(dāng)兩個工作面分別推進到16m~42m期間，上鄰近層瓦斯開始大量涌出，80613內(nèi)錯尾巷的平均瓦斯排量為3.75 m3/min，80510則高達26.33 m3/min，為1：7；而高抽巷的平均瓦斯排量為18.59:1.46約等于13：1，即80613是80510的近13倍。因此，80613在初采期未發(fā)生瓦斯超限事故。

此后在高抽巷系統(tǒng)的穩(wěn)定抽排和工作面回風(fēng)巷、內(nèi)錯巷回風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，綜放面的瓦斯治理達到了預(yù)期目的。

6 結(jié)語

通過對礦井卸壓瓦斯在井下空間的分布狀況的測試觀察，以及對綜放面瓦斯涌出構(gòu)成、工作面推進度與隅角頂板冒落、走向高抽巷瓦斯變化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，陽煤集團綜放面采用U+I通風(fēng)方式和走向高抽巷輔以初采瓦斯抽采巷治理瓦斯的綜合技術(shù)方法，之所以成功的科學(xué)原理在于——礦井卸壓瓦斯具有擴散和飄聚的雙重物理性質(zhì)。

瓦斯的飄聚性使礦井卸壓瓦斯極易在上部空間積聚，隨著時間的推移，源源不斷涌出的礦井卸壓瓦斯在高冒區(qū)的上部猶如漸漸吹起的氣球，體積不斷增大，高濃度界面逐漸下移，直到被風(fēng)流帶出而又未被稀釋到規(guī)定濃度以下時，就發(fā)生了生產(chǎn)場所的瓦斯超限。瓦斯的飄聚性為在煤炭生產(chǎn)中進行高濃度抽采提供了可能。只要有效控制了高冒區(qū)上部的高濃度瓦斯“氣球”的擴展，在綜放面就不會出現(xiàn)瓦斯超限。工作面回風(fēng)側(cè)頂板冒落空間的頂部是生產(chǎn)期間瓦斯抽采的最佳位置。

瓦斯的擴散性使其容易被風(fēng)流帶走，這就是瓦斯之所以能夠被風(fēng)流有效排除的原理所在。

基于對綜放面頂板冒落規(guī)律、瓦斯涌出構(gòu)成、瓦斯飄聚與擴散性質(zhì)的研究，找到了適合陽煤集團高瓦斯綜放面的瓦斯綜合治理技術(shù)，該技術(shù)取得了重要成果，在企業(yè)內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益，榮獲了2005年度國家科技進步二等獎。其特點是：

1）瓦斯抽采率高，占86 %~90%的上鄰近層瓦斯被及時抽采，瓦斯超限隱患被消除，實現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。

2）由于需要風(fēng)排的瓦斯量減少，可適當(dāng)降低工作面配風(fēng)量，使高抽巷與上隅角的負壓差加大，對瓦斯抽采更加有利。即在有效抽采瓦斯的同時，也減少了工作面的配風(fēng)量，使礦井通風(fēng)能力相對提高。

 

                                   2007.05.18

參考文獻：

黃元平，礦井通風(fēng).中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.6第5次印刷

包建影，陽泉煤礦瓦斯治理技術(shù). 北京：煤炭工業(yè)出版社，1996.9

劉彥斌，綜放面初采期瓦斯治理技術(shù)研究與實驗. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，36（6）13-17

 

劉彥斌，男，1959年生，河北省深州市人，采煤高工，現(xiàn)任陽煤集團生產(chǎn)地質(zhì)技術(shù)部部長。

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