特厚煤层综放工作面瓦斯涌出规律研究

特厚煤层综放工作面瓦斯涌出规律研究

高粘度气体开采的工作面和上角气体易于穿透，对矿山的安全生产有重大影响。面对如此严重的问题，矿山通常采取预钻和高洞钻孔等措施，并取得了良好的效果。但由于矿井条件存在差异性,同一措施在不同矿区、矿井的治理效果存在差异,因此矿井瓦斯治理措施的效果检验十分必要,而瓦斯涌出规律能够较为直接地反映出矿井瓦斯治理现状,因此开展天池公司103工作面瓦斯涌出规律分析非常重要。1屋顶层的遍布法1.1工作面瓦斯浓度变化的区域分布103工作面在进风巷与回风巷之间由于受到采煤机、支架等阻力的影响,加之风流经过下隅角及工作面中部会有部分漏入采空区,导致有煤壁及落煤产生的瓦斯浓度在此过程中呈现出一种分区动态的变化规律,即瓦斯浓度微小变化区、瓦斯浓度变化明显区及瓦斯浓度变化加强区。瓦斯浓度微小变化区的范围主要集中在进风巷向工作面中部20m左右的区域,瓦斯浓度变化明显区主要集中在工作面40~100m范围内,瓦斯浓度变化加强区主要集中在工作面靠近回风巷的区域,如图1。在工作面回采过程中,不同回采期所对应的区域范围与其中高浓度瓦斯集中区有所不同,如初采期上隅角瓦斯浓度在初采期由于后部采空区中阻力较小,虽然有瓦斯尾巷为其分担瓦斯压力,但由于回风巷风量大及漏风线路段,风流漏入采空区后将采空区中的瓦斯带出至上隅角,导致上隅角瓦斯浓度在此期间较回风巷及工作面而言略高,从而导致该回采期上隅角瓦斯超限,而进入正常回采期后,采空区冒落使得其中阻力增大,采空区中大部分高浓度瓦斯都进入瓦斯尾巷,由于漏风带到上隅角的瓦斯量大大减少。因此,在采用“U+L”型通风方式时,工作面及瓦斯尾巷的合理风量,是解决上隅角瓦斯超限问题的主要方法之一。1.2瓦斯历史分布的动态变化“U+L”型通风方式的工作面,其瓦斯浓度变化由煤壁向支架切顶线方向呈“V”型分布规律,即靠近煤壁及靠近采空区处瓦斯浓度较高,两者之间存在一个最低点,且此最低点的位置随着工作面回采时期的不同而不同,其变化趋势如图2。在“U+L”这种通风方式下,由于采空区中被风流带出的部分瓦斯经过瓦斯尾行分流,但不同时期由于瓦斯尾巷起到的作用不同,导致瓦斯浓度最低点位置出现动态变化,如工作面处于初采期时,进风巷附近瓦斯主要由煤壁及落煤提供,工作面中部及回风巷附近瓦斯主要由煤壁、落煤及采空区瓦斯涌出提供,其中采空区瓦斯涌出在其中占比较高,因此使得在工作面初采期进风巷附近瓦斯浓度的最低点偏向于采空区,工作面中部及回风巷附近则偏向于煤壁;随着工作面的不断推进,到达正常回采期时工作面中部及回风巷附近的瓦斯最低点向采空区方向移动,这主要是因为在该时期采空区的垮落使得其中阻力增大,由采空区涌出的瓦斯量降低所致。2采空区瓦斯浓度分布采空区随着回采逐步形成,其中包括遗煤及垮落的上覆岩层构成,可以看做多孔介质区域,瓦斯气体在其中的运移可用流体力学的理论进行分区考虑,一般情况下采空区中部及靠近工作面处为紊流区及过渡流区,而压实区为层流区,其范围比例大致可按1∶1∶3确定。采空区中根据瓦斯浓度变化情况可在横向上划分出低浓度微波动区、高浓度高波动区及高浓度微波动区。3个区域的划分范围分别为采空区距工作面19~31m,平均25m范围,在此范围中瓦斯浓度在10%左右变化,只要是因为在此区域内顶板垮落不完全,会形成平均10m左右的不垮落空间,风流流经下隅角进入采空区,由于此空间内的阻力较小,漏风会首先选择通过这一区域,造成了对该区域内瓦斯的混合稀释,就是的该区域内的瓦斯浓度在一个较低的范围内变化,形成了瓦斯低浓度微波动区。随着采空区的深入,到距工作面31~51m,平均41m范围,由于上覆岩层垮落的较为充分,但压实程度不大,其中孔隙率在较大范围内变化,存在一定的摩擦阻力,使得风流流经此区域时携带瓦斯能力大幅下降,但由于压差的存在,使得一部分瓦斯会随风流流入回风及尾行,另一部分瓦斯则会继续留在采空区的该空间中,使得此处瓦斯浓度逐渐增大,且变化范围较宽,形成高浓度高波动区。当距离>51m进入采空区深部后,瓦斯浓度基本上维持在一个较高的且稳定的变化范围内,形成了高浓度微波动区。在整个采空区纵向方向,存在着普遍的规律,即顶板处瓦斯浓度比底板处瓦斯浓度高,这是由于瓦斯密度小于空气密度,在风流作用及自身浮力的作用下,瓦斯在采空区中会存在一种自然的升浮运动,而在距离工作面较近的范围内,其升浮作用对瓦斯运动的影响由于风流的存在而表现的很微弱,使得在此区域内顶板与底板处的瓦斯浓度差别不明显。当向采空区深部延伸后,由于其内部多孔介质的孔隙率发生剧烈的变化,使得其中通风阻力有所增大,漏风作用对其中瓦斯运移的影响明显减弱,此时瓦斯自身的升浮作用起到主导作用,使得在横向的高浓度高波动区内,纵向从顶板到底板出现明显的瓦斯浓度梯度,即表现为底板浓度高于顶板浓度。当距离超出高浓度高波动区后,由于深度过大、漏风速度较小及平衡时间较长等原因作用,导致在此空间内的瓦斯浓度纵向分布差别不大。工作面回采过程中,会经历从初采期到正常回采期的过程,在该过程中煤层上覆岩层会发生周期性的破断,即周期来压。一般采空区的面积会随着工作面的推进而逐渐扩大,当老顶初次来压前顶板会发生不规则的小范围垮落,此时采空区瓦斯向工作面的涌出会发生一定的变化,但由于工作面的合理配风,不会对工作面造成太大的影响,而当老顶发生初次来压时,由于顶板垮落面积的突然增大及采空区中瓦斯的积累,使得采空区向工作面的瓦斯涌出剧增,使得采空区瓦斯涌出量出现峰值,但随着工作面继续向前推进,采空区项工作面的瓦斯涌出逐渐减小并达到一定程度的稳定,直至发生下一次周期来压,采空区瓦斯涌出量又会出现陡增的现象,在工作面的整个回采过程中此类现象成周期性出现,但随着工作面推进的时间逐步增加,开采条件基本稳定,因此,采空区瓦斯涌出量增大到一定值后也逐渐趋于稳定。3瓦斯浓度分布加强区域分析1)工作面从进风巷到回风巷瓦斯浓度分布将形成瓦斯浓度微小变化区、瓦斯浓度变化明显区及瓦斯浓度变化加强区,各区范围分别位于进风巷向工作面中部20m左右的区域,瓦斯浓度变化明显区主要集中在工作面40~100m范围内,瓦斯浓度变化加强区主要集中在工作面靠近回风巷的区域。而且煤壁到切顶线范围内其瓦斯浓度分布规律呈“V”型分布趋势,即在煤壁和采空区之间有一个瓦斯最低点。2)从切眼开始向前推进,根据瓦斯浓度变化情况采空区可在横向上划分出低浓度微波动区、高浓度高波动区及高浓度微波动区。3个区域的划分范