矿井卸压瓦斯的飘聚现象观察

与综放面瓦斯综合治理

 

刘彦斌  

（山西阳泉煤业集团有限责任公司，山西  阳泉  045000）

 

摘  要：通过对矿井卸压瓦斯在井下空间的分布状况的测试观察，以及对综放面瓦斯涌出构成、工作面推进度与隅角顶板冒落、走向高抽巷瓦斯变化的数据统计研究发现，阳煤集团综放面采用U+I通风方式和走向高抽巷辅以初采瓦斯抽采巷治理瓦斯的综合技术方法，之所以成功的科学原理在于——矿井卸压瓦斯具有扩散和飘聚的双重物理性质。

关键词：综放面；瓦斯；飘聚；治理

 

瓦斯作为煤炭的伴生物赋存于煤岩层中。在煤炭的井工开采过程中，受采动影响，煤岩体中以吸附或游离状态存在的瓦斯大量涌出，我们称这部分瓦斯为矿井卸压瓦斯。在生产现场接触到的瓦斯都是矿井卸压瓦斯。矿井卸压瓦斯的处理效果直接关系到矿井的生产安全。阳泉矿区是我国著名的高瓦斯矿区，2006年度阳煤集团绝对瓦斯涌出量1386.9m³/min（7.19×10⁸m³/a），平均相对瓦斯涌出量20.3 m³/t,瓦斯抽采总量3.76×10⁸m³/a，平均抽采率为52.38%。综放开采做为阳煤集团的主导采煤工艺，其原煤产量占本企业总产量的近70%。从2005年起，综放工艺单面原煤产量达到了400万吨/年以上。综放开采的煤厚6.0~7.5m，煤层倾角5—10度，工作面采长180—260m，可采走向长1000—2000m，覆盖层厚度260~650m。综放开采顶板冒落高，影响范围大，瓦斯涌出量多，日产万吨的综放面最高瓦斯涌出量达187 m³/min。那么，阳煤集团综放开采瓦斯治理的技术方法怎样？其原理又是什么呢？

1 综放面瓦斯治理的目标

生产场所无瓦斯超限。所谓生产场所在这里主要指回采工作面、上隅角、回风巷、内错尾巷等回采生产期间会有人作业而又容易发生瓦斯超限的场所。

综放面各地点瓦斯浓度规定如下：

进风风流﹤0.5%，工作面煤壁﹤2.0%，工作面风流﹤1.5%，上隅角﹤2.0%，工作面煤溜机尾﹤1.5%，回风风流﹤1.0%，内错尾巷风流﹤2.5%。

2综放面瓦斯治理技术方法

为保证上述地点瓦斯浓度不超限，阳煤集团综放工作面采用U+I通风方式和走向高抽巷辅以初采瓦斯抽采巷治理瓦斯的综合技术方法收到了预期效果。即工作面采用沿底板布置的进、回风巷和沿顶板布置的（专用瓦斯排放）内错巷通风，采用走向高抽巷加伪倾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#煤层布置，与15#煤层的垂直间距H=42~65m，与回风巷的水平距离B=22~35m（走向高抽巷尾端向工作面中部拐弯后，B=50m），终端距切巷水平距离20m，见图1示。

二矿80706综放面上方70—80m 8#煤部分未采，瓦斯涌出量从47 m³/min到187 m³/min不等，配风量为800—850 m³/min，其中内错尾巷回风量为150—250 m³/min，风排瓦斯量4—8 m³/min。走向高抽巷瓦斯抽采浓度为40—96%，工作面瓦斯抽采率为86—97%，该面瓦斯最高抽采量达182 m³/min。

根据统计发现，走向高抽巷距工作面的垂高与瓦斯抽采浓度呈正相关关系，垂高越大，瓦斯浓度越高。高抽巷距开采煤层42—65m，一般抽采浓度为40—80%，最高抽采浓度达96%。

瓦斯抽采浓度与工作面推进速度、抽采强度、解放层开采有关。工作面推进速度越快，瓦斯抽采浓度越高；抽采强度过大，则抽采浓度下降，抽采能力不足，则内错巷、上隅角、回风流就会先后超限；开采解放层（8#煤）后，瓦斯涌出量显著减少，瓦斯抽采浓度降低，抽采量也相应减少。

3原理分析

任何高效的技术方法都必然符合事物的客观规律，只有认识了事物的规律才能把握问题的本质。寻求矿井瓦斯治理的有效技术方法，首先应认识矿井瓦斯的基本性质。

3.1矿井卸压瓦斯的飘聚现象观察与分析

众所周道，不同的气体密度不一。在大地重力场中，密度小的气体向上飘逸积聚的性能叫做气体的飘聚性。矿井卸压瓦斯比空气的密度小，与空气的相对比重为0.554。在矿井下不难发现巷道顶部或高冒区的瓦斯浓度高于巷道下部的情况，这就是矿井卸压瓦斯在矿井空间的飘聚现象。下面给出两组现场试验：

第一组试验：在二矿71501东顺副巷炮掘工作面进行了停风瓦斯浓度观测试验：盲巷长度70m，3:45引爆装有40块药的8个拉槽炮，4:00将事先备好的5枚40%的瓦斯传感器设置到预定位置，随即停止送风126分钟观测瓦斯浓度变化。

结果显示：在同一时刻，距煤头相同距离的瓦斯浓度，顶部远大于底部；距煤头近的区域大于离煤头远的区域。前者表明矿井卸压瓦斯具有显著的飘聚性，底部的瓦斯浓度低说明瓦斯同时具有扩散性；

后者则表明瓦斯的主要来源是爆破后的破碎煤体和新暴露的煤壁。数据见图2。

 

    在风流静止或层流状态易出现瓦斯飘聚现象，那么紊流条件下的瓦斯会不会有飘聚现象呢？

第二组试验：在21202综采工作面拆除前，对5组测点分别距顶底板各30cm处进行了实测，数据见表1：

21202瓦斯飘聚测试数据     表1

序号	测点位置	断  面 长×宽 m	平均风速 m/s	CH4  %		浓度比%	瓦斯量 m3/nim	Re	风流状态
				顶部	底部	底/顶
1	回风巷	4.2*1.9	0.95	0.65	0.60	92.31	2.85	173042	紊流
2	5号架	5.0*2.2	0.67	0.64	0.34	53.13	2.16	141461	紊流
3	96号架	5.0*2.2	0.62	0.13	0.10	76.92	0.47	130530	紊流
4	105号架	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	过渡

Re=4VS/vU

Re——雷诺数，V——平均风速m/s，S——巷道断面m²,U——巷道周界m，

v——流体的运动粘性系数，矿井风流取14.4×10^-6 m²/s。

据前人试验，当Re≤2000时，流体呈层流状态，当Re>2000时，流体开始向紊流过渡，当Re≥100000时，流体呈完全紊流状态。

实测表明：矿井卸压瓦斯通常具有扩散和飘聚的双重物理性。瓦斯涌出量越大、风速越低瓦斯的飘聚（高位的瓦斯浓度高于低位的瓦斯浓度的）现象越显著，而瓦斯的扩散（与空气混合的）程度却越低；在紊流状态下雷诺数Re越大，瓦斯表现出较强的扩散性，而飘聚程度却较低。但即便在紊流条件下也仍表现出飘聚性。测试发现，在近水平的巷道里当风速小于0.1m/s时，瓦斯飘聚显著，当风速大于1.0m/s时则飘聚微弱。

由此可见，回采工作面采空区顶板冒落后，上部空间风速微弱，为矿井卸压瓦斯提供了飘聚的有利空间，那里必然有大量的高浓度瓦斯积聚。据此，我们就可以找到处理矿井卸压瓦斯的更佳途径。

现以综放面初采期瓦斯治理为例探讨如下。

4综放面初采期瓦斯治理存在的问题

所谓综放面初采期瓦斯，是指随着综放面的初采，已采区顶板逐渐垮落而又尚未与上方的高抽巷沟通期间，本煤层和邻近层的绝对瓦斯涌出总量。五个综放面的初采统计数据为47~78m³/min，其中，邻近层瓦斯占86%~90%。在没有采取综放面初采瓦斯抽采巷的技术措施之前，由于工作面通风负压的作用，在上隅角和内错巷里端形成负压区，上隅角和内错巷的瓦斯经常处于超限状态。80510内错巷初采期瓦斯浓度曾高达17%，致使无法进行生产。综放面初采期瓦斯严重超限具有普遍性。

为解决综放面初采期瓦斯问题，我们曾在80510（里）综放面上隅角向高抽巷打了1个Ф75mm的钻孔，因孔径较小，未能达到预期目的，但从试验中得到了有益的试验数据。80510（里）上方各层煤均未开采，该面初采期瓦斯情况见附图3示。统计结果表明：80510（里）综放面从试机到推进7.65m（刚刚推出7m宽、采用锚杆、锚锁支护的切巷）期间，顶板未冒落，工作面平均瓦斯涌出量1.34m³/min。从7.65m~18.50m期间，切巷顶煤冒落，工作面平均瓦                     80510（里）初采期瓦斯统计曲线   图3

斯涌出量达到4.01m³/min，即本煤层瓦斯。内错巷瓦斯排放率由38%              

提高到62%（浓度由0.2%上升到2.8% ）。工作面推进到16.15m时，高抽巷口溢出浓度7%的瓦斯，随即将抽采系统与高抽巷连通，高抽巷口与上隅角的相对压差为350pa，但抽采量只有0.42m³/min。从18.50m推进到40.25m期间，顶板冒落、上邻近层瓦斯开始涌出，但冒裂带尚未与高抽巷连通，瓦斯涌出量也从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，初采期上邻近层瓦斯平均值为25.15 m³/min，占90%(最高达37.98 m³/min，占91%)。此期间，与高抽巷连通的Ф75mm钻孔排放瓦斯平均值为1.46 m³/min，内错巷排放瓦斯平均值由2.59 m³/min升为26.33 m³/min（最高38.25 m³/min，最高浓度17%），内错巷平均排放率高达90.29%。14天内因瓦斯超限停产241小时，日均17.21小时。

当工作面推进到40.25m后，总瓦斯量进一步增加，平均值为55.20 m³/min，最大值78.01m³/min，但冒裂带与高抽巷连通，内错巷瓦斯由最大38.25 m³/min降为平均为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（最高达73.66 m³/min），占总瓦斯量的86.45%（最高达94.66%）。标志着初采期结束，工作面平均日推进度由1.55m提高到3.46m。

根据上述数据可知：初采期，导致瓦斯超限和停产的根源是邻近层瓦斯。只要有一断面足够大的通道将综放面上隅角与高抽巷连通，就可以利用走向高抽巷及时排放初采期邻近层瓦斯。

5 综放面初采期瓦斯治理技术方案

采用一条小断面斜巷，将上隅角与走向高抽巷尾部连通，使初采期上邻近层瓦斯在高抽巷的抽采负压作用下及时排出。称该斜巷为：初采瓦斯抽采巷。其关键是，要布置在顶板初始冒落的边缘带上，使之随顶板的冒落自下而上逐段报废，使抽采负压点随之上移，瓦斯抽采浓度逐渐升高，直至顶板冒裂高度与高抽巷连通，渡过初采期。

为找到综放面初采期顶板的冒落规律，把初采瓦斯抽采巷布置在顶板初始冒落的边缘带上，对5个没有布置初采瓦斯抽采巷的综放面高抽巷开始抽排瓦斯时的推进度值（即初采期推进度）和瓦斯情况进行了观测统计，见附表2。从5个综放面的统计数据得出上隅角顶板的视初始冒落角度为62?~66?，见图4示。据此，在80613综放面用一条小断面、大仰角的初采瓦斯处理巷，将上隅角与走向高抽巷沟通，详见图1。

5个综放面初采期推进度与瓦斯情况       附表2

序   号	工作面   编号	初采期推进度 （m）	高抽巷CH4浓度 （%）	抽采量   (m3/min)	高抽巷位置		隅角顶板视 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综放面初采期瓦斯统计数据表明，该面初采瓦斯处理巷布置在了顶板初始冒落的边缘带上，具有随顶板冒落抽采负压点不断上移、逐渐提高抽采浓度的功能，收到了预期效果。80613综放面投产后，高抽巷口与上隅角的相对压差为120pa。工作面推进71.75m期间瓦斯情况统计见图5。

  80613初采瓦斯统计曲线  图5

由于80613采用了初采瓦斯抽采巷的技术方案，从初采期瓦斯统计数据图5与80510（里）图3对相可以看出，瓦斯排放途径发生了根本区别。当两个工作面分别推进到16m~42m期间，上邻近层瓦斯开始大量涌出，80613内错尾巷的平均瓦斯排量为3.75 m3/min，80510则高达26.33 m3/min，为1：7；而高抽巷的平均瓦斯排量为18.59:1.46约等于13：1，即80613是80510的近13倍。因此，80613在初采期未发生瓦斯超限事故。

此后在高抽巷系统的稳定抽排和工作面回风巷、内错巷回风系统的联合作用下，综放面的瓦斯治理达到了预期目的。

6 结语

通过对矿井卸压瓦斯在井下空间的分布状况的测试观察，以及对综放面瓦斯涌出构成、工作面推进度与隅角顶板冒落、走向高抽巷瓦斯变化的数据统计研究发现，阳煤集团综放面采用U+I通风方式和走向高抽巷辅以初采瓦斯抽采巷治理瓦斯的综合技术方法，之所以成功的科学原理在于——矿井卸压瓦斯具有扩散和飘聚的双重物理性质。

瓦斯的飘聚性使矿井卸压瓦斯极易在上部空间积聚，随着时间的推移，源源不断涌出的矿井卸压瓦斯在高冒区的上部犹如渐渐吹起的气球，体积不断增大，高浓度界面逐渐下移，直到被风流带出而又未被稀释到规定浓度以下时，就发生了生产场所的瓦斯超限。瓦斯的飘聚性为在煤炭生产中进行高浓度抽采提供了可能。只要有效控制了高冒区上部的高浓度瓦斯“气球”的扩展，在综放面就不会出现瓦斯超限。工作面回风侧顶板冒落空间的顶部是生产期间瓦斯抽采的最佳位置。

瓦斯的扩散性使其容易被风流带走，这就是瓦斯之所以能够被风流有效排除的原理所在。

基于对综放面顶板冒落规律、瓦斯涌出构成、瓦斯飘聚与扩散性质的研究，找到了适合阳煤集团高瓦斯综放面的瓦斯综合治理技术，该技术取得了重要成果，在企业内外得以广泛应用，产生了巨大的经济和社会效益，荣获了2005年度国家科技进步二等奖。其特点是：

1）瓦斯抽采率高，占86 %~90%的上邻近层瓦斯被及时抽采，瓦斯超限隐患被消除，实现了安全、高效生产。

2）由于需要风排的瓦斯量减少，可适当降低工作面配风量，使高抽巷与上隅角的负压差加大，对瓦斯抽采更加有利。即在有效抽采瓦斯的同时，也减少了工作面的配风量，使矿井通风能力相对提高。

 

                                   2007.05.18

参考文献：

黄元平，矿井通风.中国矿业大学出版社，2003.6第5次印刷

包建影，阳泉煤矿瓦斯治理技术. 北京：煤炭工业出版社，1996.9

刘彦斌，综放面初采期瓦斯治理技术研究与实验. 矿业安全与环保，2004，36（6）13-17

 

刘彦斌，男，1959年生，河北省深州市人，采煤高工，现任阳煤集团生产地质技术部部长。

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