康家滩矿88203回采工作面尾巷瓦斯异常涌出情况分析.docx

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康家滩矿88203回采工作面尾巷瓦斯异常涌出情况分析

康家滩矿88203回采工作面尾巷瓦斯异常涌出情况分析

摘要：

本文通过对当地大气压力及88203尾巷瓦斯浓度的实际观测计算，对康家滩煤矿88203尾巷瓦斯异常涌出进行了理论分析，认为大气压力大幅度变化是引起瓦斯大量涌出的主要原因，同时认为顶板大面积垮落是造成工作面短时瓦斯超限的重要原因，为今后康家滩煤矿工作面瓦斯治理总结经验和提供依据。

关键词：

尾巷瓦斯异常涌出

康家滩矿位于山西省忻州市保德县境内，隶属于神府东胜煤炭有限责任公司。

矿井采用斜井、立井及平硐混合开拓方式，开采方法为长壁工作面综合采煤方法，全部垮落法管理项板。

井田南北走向长22.6km，东西倾向宽6.4km，面积118.79km2，设计生产能力为16Mt／a，服务年限为63.4a。

井田位于河东煤田的北部，总体上为平缓的单斜构造形态，主要可采煤层为山西组的8#煤和太原组的13#煤，目前主要开采8#煤层。

康家滩煤矿为神东公司唯一的高瓦斯矿井，2005年2月21日到3月13日88203综采工作面瓦斯涌出发生异常，尾巷内瓦斯呈间断性超限。

特别是3月13日瓦斯涌出达到最高峰，尾巷瓦斯浓度严重超限，局部瓦斯浓度超过6％，使工作面回采工作被迫停止。

为找出瓦斯异常涌出的原因，给工作面瓦斯治理提供依据，神东公司联合煤科总院抚顺分院对88203工作面瓦斯涌出情况进行了测试和分析，初步查明了原因。

1.88203综采工作面工作面概况

88203工作面位于康家滩井田中北部的二采区，工作面走向长2250m，倾斜长198.5m，回采推进长度1733.6m，面积344123m2。

沿走向布置，下部布置有胶带运输顺槽和辅助运输顺槽，上部布置有回风顺槽和专用排放瓦斯尾巷等四条煤层巷道，采用倾斜长壁综合机械化一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理顶板，工作面设计采高3.5m，设计日产量18kt。

该面回采范围内所采8#煤层厚度为5.50～7.66m，平均厚度为6.58m，倾角3°～7°，总体上呈南薄北厚趋势，结构复杂。

88203煤层综合柱状图1-1所示。

工作面采用“两进两回”的通风方式，即工作面下辅运巷和胶运巷进风，回风顺槽和专用排放瓦斯尾巷回风。

工作面专用排放瓦斯尾巷是原88202工作面辅助运输顺槽，该巷与88202采空区平均每50m有一个联巷相连（已封闭）。

工作面配风量为21OOm3／min（回风巷1300m3／min.，尾巷800m3/min）。

工作面采用采空区插管瓦斯抽放方法，沿尾巷铺设一趟Φ508mm主管路，尾排联巷敷设由377mm支管，其中靠近靠近切眼的1200m每隔1个联巷（100m）设一趟支管，靠近回撤通道的500m每隔2个联巷（150m）设一趟支管。

移动抽放泵站安设在88202胶运顺槽口，选用2台CBF610-2BG3型抽放泵，单台额定流量为248～264m3／min，配套电机功率为315kW。

工作面巷道布置及抽放系统如图1-2所示。

2.88203采面瓦斯涌出情况

88203工作面于2005年1月31日开始试生产，该面作为配采面，间断性开采，到2月26日累计推进105m。

从2月27日开始，工作面正常生产，到3月13日上午11时累计推进243m（距内错回风巷27联巷18m），工作面剩余1489m。

（1）从1月31日开采到2月20日累计推进100m，瓦斯涌出比较稳定，工作面瓦斯不超限。

（2）从2月21日到3月13日累计推进143m，瓦斯涌出发生异常，尾巷内瓦斯呈间断性超限。

特别是3月13日瓦斯涌出达到最高峰，尾巷瓦斯浓度严重超限，局部瓦斯浓度超过6％，使工作面回采工作被迫停止。

（3）分析工作面瓦斯检查结果，工作面瓦斯涌出呈现出以下规律：

每天上午9时至下午6时瓦斯升高，12时至16时区间最大，13～27联巷瓦斯浓度为3～6％，3～13联巷瓦斯浓度为1.8～3.1％。

采面回采以来瓦斯涌出情况统计如表2.1所示。

时间CH4浓度（％）风量（m3／min）绝对瓦斯涌出量（m3／min）温度（℃）气压（hpa）回风尾巷回风尾巷平均

最高最低温差保德站海平面

1月30日

0.30

0.74[换行]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采面尾巷瓦斯异常涌出情况分析

3.1瓦斯异常涌出动态变化状况分析

从2月21日到3月13日累计推进143m，瓦斯涌出异常，尾巷内瓦斯呈间断性超限。

通过统计3月1日至3月18日203尾巷瓦斯浓度检查记录，其变化情况如图3-1所示。

工作面瓦斯涌出情况如图3-2所示。

分析工作面瓦斯检查结果，工作面瓦斯涌出呈现出以下规律：

每天上午9时至下午6时瓦斯升高，12时至16时区间最大，13～27联巷瓦斯浓度为3～6％，3～13联巷瓦斯浓度为1.8～3.1％

　　通过对监测系统记录的88203回风巷（回撤通道以里）回风流瓦斯浓度最大值和88203尾巷风流瓦斯浓度最大值曲线进行分析，3月8日前，回风流瓦斯浓度基本稳定在O.4％以下，3月8日至今基本稳定在0.4～0.6％之间：

通过对2月21日至3月18日88203尾巷风流瓦斯浓度最大值曲线分析可以看出，其瓦斯浓度变化很大，最大达到4％以上，最小仅为O.4％左右，并且每天的曲线大都有两个峰值，一个出现在每天的12点到18点之间，其峰值较大，另一个出现在2点到6点之间，峰值较小，有时没有，这说明其瓦斯涌出受外界气压和温度影响较大，且瓦斯来源主要为88202采空区瓦斯。

通过对88203尾巷和88202联巷及闭墙瓦[换行]斯浓度进行测定，密闭前CH4浓度可达8～10％甚至超过10％，可见闭墙内瓦斯浓度必然在10％以上，说明88202采空区瓦斯涌出较大，经计算，88202采空区最大渗漏CH4达19m3／min之多。

瓦斯尾巷百米泄漏瓦斯1.13m3／min。

3.2瓦斯异常涌出原因分析

3.2.1气压变化对工作面瓦斯涌出的影响

气压变化是导致88203工作面尾巷瓦斯超限的重要原因。

根据气体状态方程，大气温度变化会引起气压的变化，一般情况下，大气温度升高，气压降低，反之亦然。

根据保德县气象站提供的气象数据，春季每天温差3.5～21℃之间，温度的大幅变化导致大气压力变化较大，造成尾巷及连通的采空区气体压力发生变化，是造成瓦斯涌出异常增大，尾巷内瓦斯呈间断性超限的重要原因。

图3-3为保德县3月1日至3月15日气压变化情况，图3-4为88203尾巷3月1日至3月15日瓦斯浓度变化情况（均为早班第三次检查结果），图3-5为88203工作面瓦斯涌出量变化曲线。

对比图3-3、图3-4和图3-5可以看出，3月1日至3月15日期间，保德县气压有两次明显的高压过程和低压过程，而88203工作面尾巷在此期间也出现了几次瓦斯涌出异常，具体体现在6号、9号和13号，随着气压的降低，尾巷瓦斯浓度急剧增加。

6号的气压值为918.4hpa，比5号的924.3hpa降低了590pa；9号的气压值为907.1hpa，比8号的913.6hpa降低了650pa；13号的气压值为922.5hpa，比12号的928.5hpa降低了600pa。

由此说明，当气压变化幅度较大时，会引起瓦斯涌出的急剧变化，因此，88203工作面尾巷几次瓦斯涌出异常与当地大气压的大幅度变化有很大的关系。

图3.6为3月9日测得的康家滩矿地面和88203尾巷气压变化曲线，从该曲线可以看出，井下巷道气压变化与地面气压变化趋势基本一致，说明井下巷道气压受地面气压变化的直接影响。

气压在夜晚O点左右最高，然后随着气温的升高逐渐降低，在15点到17点达到最低值，然后随着气温的降低逐渐升高。

假设以O点时的气体状态为原始状态，即存在P0、V0、T0，O点以后，随着气压的逐渐降低，即P1越来越小，Pl

0，采空区瓦斯通过联巷和煤壁裂隙向尾巷风流涌出，并形成第一次涌出高峰，当内部气压逐渐接近外部气压时，瓦斯涌出处于动态平衡状态，瓦斯涌出量相对减少。

14点至16点时，一天的气温最高，气压也就降到最低，此时段，外部气压与采空区内部压差最大，因此瓦斯涌出速度最快，出现瓦斯涌出第二次高峰，并且其峰值远大于2点到6点时段的瓦斯涌出峰值，然后随着气压的升高，瓦斯涌出将逐渐降低。

尾巷总的瓦斯涌出量可用下式计算：

式中：

Q川巷瓦斯涌出量，m3/min；

Q1—尾巷供风量，m3/min；

C1—尾巷原来的瓦斯浓度（即由工作面和工作面采空区涌出的瓦斯），％：

Co—采空区涌出的瓦斯浓度，％：

Q—时间tī内由采空区涌出的混合瓦斯量，m3/m；

采空区瓦斯涌出强度为：

则尾巷瓦斯浓度可用下式表示：

3.2.2顶板冒落对工作面瓦斯涌出的影响

众所周知，随着工作面采煤工作的进行，煤炭采出后形成一定空间，上覆差层奄地应力和自重作用下将受到破坏，当其本身的强度不足以抵抗上述作用z时，就会断裂、垮落，由于破碎后岩体体积增大，直到将冒落空间填满，达到耔的平衡，冒落才停止。

应该说，大面积老顶垮落的过程，也是造成工作面采空区瓦斯急剧涌出的过程，其主要原因有三。

一是随着顶板岩石的断裂垮落，岩石发生膨胀，添塞占据原有的采空区空间，将采空区空间体积减少，使采空区内瓦衡压力增大，与外界产生气压差，使采空区积聚的瓦斯涌出；二是随着顶板垮落，邻近层瓦斯卸压释放，大量涌向采空区，使采空区内瓦斯量和压力增大，与外界产生气压差，使采空区瓦斯涌出：

三是如果老顶悬空面积大，整体垮落过程中，形成动压，将采空区瓦斯挤压，形成高压瓦斯流冲向采掘空间，造成工作面瓦期瞬间急剧涌出，引起超限。

在工作面回采过程中，随着顶板的初次来压和周期来压，瓦斯涌出出现周期性的波动，就是由于顶板垮落的结果，因此在生产过程中应随时注意项板的垮落情况，不应留有大面积空顶区。

本次88203尾巷瓦斯异常涌出是在工作面推进到240m左右时发生的，且地面塌陷明显，最大下沉量15cm以上.这说明顶板发生了大面积冒落，使地层发生整体下沉，将回采面采空区瓦斯大量挤出，涌向瓦斯尾巷。

但是老顶垮落对邻近采空区的影响不会太大，因为邻近采空区在回采过程中，顶板活动已基本结束，顶板地层基本处于稳定状态。

图3-7是88203工作面和88202采空区的剖面示意图。

由示意图可以看出，88202和88203工作面之间的三条巷道保护煤柱处于集中应力带，两个采空区之间的连通性较差，因此，203工作面采空区项板冒落对202采空区影响不大，只是对本工作面采空区瓦斯涌出有影响。

3.2.3采空区漏风和邻近层瓦斯涌出对工作面瓦斯涌出的影响

采空区漏风和邻近层瓦斯涌出是造成工作面尾巷瓦斯超限不可忽视的原因。

由前述可知，采空区空间体积一定，并且遗留在采空区内煤炭的瓦斯量有限，不可能无限的向外涌出，如果有外部漏风或邻近层瓦斯源不断向采空区补充气体，则采空区气体的压力将不断增大，促使瓦斯向外界涌出。

因此，尽量减少采空区遗煤，减少漏风量，也是降低采空区瓦斯涌出，防止工作面回风和尾巷瓦斯超限的有效手段。

综上所述，造成88203工作面尾巷瓦斯异常涌出的原因很多，并且各种原因相互作用，相互交叉，共同起作用，但分析认为，大气压力的剧烈变化是造成现阶段尾巷瓦斯超限的主要原因。

4.结论

（1）通过对大气压力、203尾巷瓦斯浓度的观测计算，利用理想气体的状态方程理论对88203尾巷瓦斯异常涌出进行了理论分析，认为大气压力大幅度变化是引起瓦斯大量涌出的主要原因，并且88203工作面瓦斯异常涌出时，气压变化均达到600pa左右。

（2）顶板大面[换行]积垮落是造成工作面短时瓦斯超限的重要原因，但其只对开采工作面采空区瓦斯造成影响，其影响的范围不仅仅是尾巷，还将波及工作面和回风巷。

（3）采空区漏风和邻近层瓦斯涌出是造成工作面尾巷瓦斯超限不可忽视的原因。

尽量减少采空区遗煤，减少漏风量，也是降低采空区瓦斯涌出，防止工作面回风和尾巷瓦斯超限的有效手段。

1、煤炭科学研究总院抚顺分院　2、神东公司安监局通风处　3、神东公司康家滩煤矿