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(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西  陽(yáng)泉  045000）

 

摘  要：通過(guò)對(duì)礦井卸壓瓦斯在井下空間的分布狀況的測(cè)試觀察，以及對(duì)綜放面瓦斯涌出構(gòu)成、工作面推進(jìn)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(jì)研究發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)煤集團(tuán)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(kuò)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(kāi)采過(guò)程中，受采動(dòng)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(chēng)這部分瓦斯為礦井卸壓瓦斯。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(yáng)泉礦區(qū)是我國(guó)著名的高瓦斯礦區(qū)，2006年度陽(yáng)煤集團(tuán)絕對(duì)瓦斯涌出量1386.9m³/min（7.19×10⁸m³/a），平均相對(duì)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(kāi)采做為陽(yáng)煤集團(tuán)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(dá)到了400萬(wàn)噸/年以上。綜放開(kāi)采的煤厚6.0~7.5m，煤層傾角5—10度，工作面采長(zhǎng)180—260m，可采走向長(zhǎng)1000—2000m，覆蓋層厚度260~650m。綜放開(kāi)采頂板冒落高，影響范圍大，瓦斯涌出量多，日產(chǎn)萬(wàn)噸的綜放面最高瓦斯涌出量達(dá)187 m³/min。那么，陽(yáng)煤集團(tuán)綜放開(kāi)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(chǎng)所無(wú)瓦斯超限。所謂生產(chǎn)場(chǎng)所在這里主要指回采工作面、上隅角、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷等回采生產(chǎn)期間會(huì)有人作業(yè)而又容易發(fā)生瓦斯超限的場(chǎng)所。

綜放面各地點(diǎn)瓦斯?jié)舛纫?guī)定如下：

進(jìn)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(jī)尾﹤1.5%，回風(fēng)風(fēng)流﹤1.0%，內(nèi)錯(cuò)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(diǎn)瓦斯?jié)舛炔怀?，?yáng)煤集團(tuán)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(jìn)、回風(fēng)巷和沿頂板布置的（專(zhuān)用瓦斯排放）內(nèi)錯(cuò)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(jiàn)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(cuò)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(dá)182 m³/min。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(kāi)采煤層42—65m，一般抽采濃度為40—80%，最高抽采濃度達(dá)96%。

瓦斯抽采濃度與工作面推進(jìn)速度、抽采強(qiáng)度、解放層開(kāi)采有關(guān)。工作面推進(jìn)速度越快，瓦斯抽采濃度越高；抽采強(qiáng)度過(guò)大，則抽采濃度下降，抽采能力不足，則內(nèi)錯(cuò)巷、上隅角、回風(fēng)流就會(huì)先后超限；開(kāi)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(rèn)識(shí)了事物的規(guī)律才能把握問(wèn)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(rèn)識(shí)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)試驗(yàn)：

第一組試驗(yàn)：在二礦71501東順副巷炮掘工作面進(jìn)行了停風(fēng)瓦斯?jié)舛扔^測(cè)試驗(yàn)：盲巷長(zhǎng)度70m，3:45引爆裝有40塊藥的8個(gè)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(cè)瓦斯?jié)舛茸兓?

結(jié)果顯示：在同一時(shí)刻，距煤頭相同距離的瓦斯?jié)舛?，頂部遠(yuǎn)大于底部；距煤頭近的區(qū)域大于離煤頭遠(yuǎn)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(shuō)明瓦斯同時(shí)具有擴(kuò)散性；

后者則表明瓦斯的主要來(lái)源是爆破后的破碎煤體和新暴露的煤壁。數(shù)據(jù)見(jiàn)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(huì)不會(huì)有飄聚現(xiàn)象呢？

第二組試驗(yàn)：在21202綜采工作面拆除前，對(duì)5組測(cè)點(diǎn)分別距頂?shù)装甯?0cm處進(jìn)行了實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

21202瓦斯飄聚測(cè)試數(shù)據(jù)     表1

序號(hào)	測(cè)點(diǎn)位置	斷  面 長(zhǎng)×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(hào)架	5.0*2.2	0.67	0.64	0.34	53.13	2.16	141461	紊流
3	96號(hào)架	5.0*2.2	0.62	0.13	0.10	76.92	0.47	130530	紊流
4	105號(hào)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(guò)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(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，礦井風(fēng)流取14.4×10^-6 m²/s。

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

實(shí)測(cè)表明：礦井卸壓瓦斯通常具有擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)的擴(kuò)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(cè)試發(fā)現(xiàn)，在近水平的巷道里當(dāng)風(fēng)速小于0.1m/s時(shí)，瓦斯飄聚顯著，當(dāng)風(fēng)速大于1.0m/s時(shí)則飄聚微弱。

由此可見(jiàn)，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(wèn)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(duì)瓦斯涌出總量。五個(gè)綜放面的初采統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為47~78m³/min，其中，鄰近層瓦斯占86%~90%。在沒(méi)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(fù)壓的作用，在上隅角和內(nèi)錯(cuò)巷里端形成負(fù)壓區(qū)，上隅角和內(nèi)錯(cuò)巷的瓦斯經(jīng)常處于超限狀態(tài)。80510內(nèi)錯(cuò)巷初采期瓦斯?jié)舛仍哌_(dá)17%，致使無(wú)法進(jìn)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(wèn)題，我們?cè)?0510（里）綜放面上隅角向高抽巷打了1個(gè)Ф75mm的鉆孔，因孔徑較小，未能達(dá)到預(yù)期目的，但從試驗(yàn)中得到了有益的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。80510（里）上方各層煤均未開(kāi)采，該面初采期瓦斯情況見(jiàn)附圖3示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：80510（里）綜放面從試機(jī)到推進(jìn)7.65m（剛剛推出7m寬、采用錨桿、錨鎖支護(hù)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(jì)曲線   圖3

斯涌出量達(dá)到4.01m³/min，即本煤層瓦斯。內(nèi)錯(cuò)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(jìn)到16.15m時(shí)，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(duì)壓差為350pa，但抽采量只有0.42m³/min。從18.50m推進(jìn)到40.25m期間，頂板冒落、上鄰近層瓦斯開(kāi)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(dá)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(cuò)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(cuò)巷平均排放率高達(dá)90.29%。14天內(nèi)因瓦斯超限停產(chǎn)241小時(shí)，日均17.21小時(shí)。

當(dāng)工作面推進(jìn)到40.25m后，總瓦斯量進(jìn)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(cuò)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(dá)73.66 m³/min），占總瓦斯量的86.45%（最高達(dá)94.66%）。標(biāo)志著初采期結(jié)束，工作面平均日推進(jìn)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(shí)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(fù)壓作用下及時(shí)排出。稱(chēng)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(bào)廢，使抽采負(fù)壓點(diǎn)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(guò)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(duì)5個(gè)沒(méi)有布置初采瓦斯抽采巷的綜放面高抽巷開(kāi)始抽排瓦斯時(shí)的推進(jìn)度值（即初采期推進(jìn)度）和瓦斯情況進(jìn)行了觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)附表2。從5個(gè)綜放面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出上隅角頂板的視初始冒落角度為62o~66o，見(jiàn)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(jiàn)圖1。

5個(gè)綜放面初采期推進(jìn)度與瓦斯情況       附表2

序   號(hào)	工作面   編號(hào)	初采期推進(jìn)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(jì)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(fù)壓點(diǎn)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(duì)壓差為120pa。工作面推進(jìn)71.75m期間瓦斯情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5。

  80613初采瓦斯統(tǒng)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)圖5與80510（里）圖3對(duì)相可以看出，瓦斯排放途徑發(fā)生了根本區(qū)別。當(dāng)兩個(gè)工作面分別推進(jìn)到16m~42m期間，上鄰近層瓦斯開(kāi)始大量涌出，80613內(nèi)錯(cuò)尾巷的平均瓦斯排量為3.75 m3/min，80510則高達(dá)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(cuò)巷回風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，綜放面的瓦斯治理達(dá)到了預(yù)期目的。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦井卸壓瓦斯在井下空間的分布狀況的測(cè)試觀察，以及對(duì)綜放面瓦斯涌出構(gòu)成、工作面推進(jìn)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(jì)研究發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)煤集團(tuán)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(kuò)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(shí)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(shí)，就發(fā)生了生產(chǎn)場(chǎng)所的瓦斯超限。瓦斯的飄聚性為在煤炭生產(chǎn)中進(jìn)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(kuò)展，在綜放面就不會(huì)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(kuò)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(duì)綜放面頂板冒落規(guī)律、瓦斯涌出構(gòu)成、瓦斯飄聚與擴(kuò)散性質(zhì)的研究，找到了適合陽(yáng)煤集團(tuán)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(jì)和社會(huì)效益，榮獲了2005年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。其特點(diǎn)是：

1）瓦斯抽采率高，占86 %~90%的上鄰近層瓦斯被及時(shí)抽采，瓦斯超限隱患被消除，實(shí)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(fù)壓差加大，對(duì)瓦斯抽采更加有利。即在有效抽采瓦斯的同時(shí)，也減少了工作面的配風(fēng)量，使礦井通風(fēng)能力相對(duì)提高。

 

                                   2007.05.18

參考文獻(xiàn)：

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

包建影，陽(yáng)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(shí)驗(yàn). 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(yáng)煤集團(tuán)生產(chǎn)地質(zhì)技術(shù)部部長(zhǎng)。

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