異常原因分析及防治對(duì)策

郭凡進(jìn)(中國(guó)神華神東煤炭分公司,陜西神木719315)

摘　要:介紹了88203回采工作面專(zhuān)用排瓦斯尾巷瓦斯異常的情況及采取的防治措施,并從理論上分析、闡明了氣壓變化是導(dǎo)致88202采空區(qū)瓦斯涌出量異常,亦即造成88203尾巷瓦斯超限的主要原因。運(yùn)用數(shù)學(xué)回歸分析方法,得出沿尾巷每百米采空區(qū)瓦斯最大和最小涌出量,并提出了防治采空區(qū)瓦斯異常涌出的針對(duì)性措施。

關(guān)鍵詞:回采工作面;瓦斯涌出異常;原因分析;防治對(duì)策

中圖分類(lèi)號(hào):TD712+.5　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B　　文章編號(hào):1003-496X(2006)02-0042-04

　　康家灘煤礦為神東煤炭分公司唯一的高瓦斯礦井。井田煤系地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組,共含煤10層,主采煤層為8#和11#,目前開(kāi)采8#煤層。煤層具有自燃傾向性,煤塵具有爆炸性。礦井采用分區(qū)式通風(fēng),通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式,總排風(fēng)量25 173 m3/min。2004年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為62.61 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為2.97m3/t。

88203綜采面位于康家灘井田中北部二盤(pán)區(qū),北、西部為未開(kāi)采區(qū),南連8#層輔運(yùn)、膠運(yùn)順槽和回風(fēng)大巷,東鄰88202采空區(qū)。工作面走向長(zhǎng)平均為2 250 m,傾向長(zhǎng)198.5 m,回采推進(jìn)長(zhǎng)度1 733.6m。煤層傾角3°~7°,平均厚度6.58 m,其中夾矸0.88 m。該面煤層底板標(biāo)高為+716 m~+678 m。直接頂為12.12~16.20 m厚的泥巖,老頂為6.43~22.9 m厚粗砂巖;直接底為0.58~2.57 m泥巖。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法,全部跨落法管理頂板。

工作面采用“兩進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式(見(jiàn)圖1),下部為工作面輔運(yùn)、膠運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng),上部回風(fēng)順槽和專(zhuān)用排放瓦斯尾巷回風(fēng),各巷道之間間隔25 m。工作面風(fēng)流由工業(yè)廣場(chǎng)輔運(yùn)平硐、8#層輔運(yùn)、膠運(yùn)巷進(jìn)入工作面,經(jīng)工業(yè)廣場(chǎng)回風(fēng)井排出。工作面配風(fēng)量2 050~2 790 m3/min,平均2 320 m3/min(回風(fēng)巷1 340 m3/min,尾巷910 m3/min)?；仫L(fēng)巷瓦斯?jié)舛扰R界值1%,尾巷2.5%。其中專(zhuān)用排放瓦斯尾巷是原88202工作面輔運(yùn)順槽,該巷道與88202采空區(qū)平均每50 m有1個(gè)聯(lián)巷相連(聯(lián)巷隨88202工作面回采封閉,密閉墻為間隔500 mm的2道370mm的磚墻,其間下部填充2/3黃土,上部1/3羅克休密封材料)。工作面采用采空區(qū)埋管抽放方法,沿尾巷鋪設(shè)1趟Φ508 mm主管路,尾排聯(lián)巷鋪設(shè)Φ377 mm支管,間距為100~150 m,其中,距開(kāi)切眼1 230 m(破碎帶范圍)每隔1個(gè)聯(lián)巷設(shè)1趟支管,距回撤通道500 m(正常地質(zhì)帶)每隔2個(gè)聯(lián)巷設(shè)1趟支管,支管的吸氣口位置靠近回風(fēng)側(cè)聯(lián)巷頂部。2臺(tái)CBF610~2BG3型抽放泵(單臺(tái)泵額定流量為248~264 3/min,配套電機(jī)功率315 kW)安設(shè)于88202膠運(yùn)順槽口,瓦斯抽放濃度為.7%.0%,抽放量1.5~9.0 m3/min。

2　工作面瓦斯涌出情況及采取的措施(1)88203工作面從2005年1月31開(kāi)始試生產(chǎn),至2月20日累計(jì)推進(jìn)100 m,其間瓦斯涌出比較穩(wěn)定,回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.3%~0.4%,尾巷瓦斯?jié)舛?.32%~1.74%,無(wú)瓦斯超限現(xiàn)象。

(2)從2月21日至3月13日累計(jì)推進(jìn)258 m,此期間瓦斯涌出總量逐漸增加?；仫L(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.3%~0.4%,基本無(wú)變化。尾巷呈階段性超限。以作為1 d一個(gè)時(shí)間段,在出現(xiàn)瓦斯超限的時(shí)日內(nèi),一般9:00-18:00瓦斯增高,并在12:00-16:00時(shí)間段內(nèi)瓦斯處于超限狀態(tài),18:00以后瓦斯?jié)舛冉抵僚R界值以下。在1 d內(nèi)瓦斯變化幅度較大,3月13日尾巷瓦斯最高3.84%,最低0.39%,局部瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)8%,瓦斯涌出量相差10倍。瓦斯超限時(shí)工作面不能正常推進(jìn),3月13日停止生產(chǎn)。

(3)為解決尾巷瓦斯超限問(wèn)題,從2月22日起采取了尾巷增壓、加設(shè)局部通風(fēng)機(jī)向尾巷供風(fēng)、88202尾巷密閉插管聯(lián)通總回風(fēng)均壓和對(duì)密閉堵漏處理等措施,收效甚微。3月13日21:00恢復(fù)原88202抽放系統(tǒng),利用88202尾巷密閉放水管對(duì)88202采空區(qū)進(jìn)行抽放。截至4月底,通過(guò)對(duì)采空區(qū)實(shí)行控制性抽放,即當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到2%時(shí)開(kāi)啟抽放泵,至當(dāng)日18:00停止。為驗(yàn)證抽放措施效果,曾于3月17日停止采空區(qū)抽放,至3月20日,尾巷瓦斯仍出現(xiàn)瓦斯超限。

(4)從3月20日至4月底,對(duì)88202采空區(qū)采取控制性抽放后,88203尾巷未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。

3　工作面瓦斯異常涌出原因分析根據(jù)工作面瓦斯涌出情況和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,88203工作面采空區(qū)瓦斯抽放量隨抽放管口距工作面煤壁的距離不同而變化,但抽放量變化范圍在1.5~9.0m3/min之間?；仫L(fēng)巷瓦斯涌出量基本穩(wěn)定在4~5.5 m3/min。工作面瓦斯涌出量增加主要是尾巷瓦斯增大,而尾巷瓦斯涌出量增大是鄰近的88202采空區(qū)瓦斯大量涌入所致。

(1) 尾巷瓦斯涌出規(guī)律。通過(guò)對(duì)88203尾巷及與其相鄰的88202采空區(qū)密閉前瓦斯?jié)舛葴y(cè)定,當(dāng)尾巷瓦斯增大超限時(shí),許多密閉前0.5 m瓦斯?jié)舛冗_(dá)5%~8%,甚至超過(guò)10%。當(dāng)尾巷瓦斯最小時(shí),密閉前瓦斯?jié)舛扰c尾巷風(fēng)流濃度基本相同。這說(shuō)明尾巷瓦斯增大超限主要是由于鄰近的88202采空區(qū)瓦斯向尾巷泄漏所致。以1 d為時(shí)間段,取尾巷瓦斯涌出變化最大的3月13日和最小的3月10日進(jìn)行對(duì)比(如圖2所示)。因尾巷風(fēng)量相等,采用瓦斯?jié)舛葘?duì)比更為直觀。3月10日瓦斯變化幅度最大為103%,而3月13日最大為860%。

當(dāng)一天內(nèi)尾巷瓦斯涌出變化最小或最大時(shí),以工作面煤壁為起點(diǎn),沿風(fēng)流方向尾巷瓦斯涌出量隨巷道長(zhǎng)度增加的變化規(guī)律如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,沿風(fēng)流方向尾巷瓦斯涌出量隨巷道長(zhǎng)度的增加,瓦斯涌出量呈線性增加。也就是說(shuō),88202采空區(qū)瓦斯沿密閉和煤壁向尾巷涌出基本是均勻的。從回歸公式可知,88202采空區(qū)瓦斯向尾巷泄漏量最大為1.2 m3/(min·hm),最小0.1 m3/(min·hm)。

圖3　同一天內(nèi)尾巷瓦斯變化最大時(shí)瓦斯涌出量隨尾巷長(zhǎng)度的變化規(guī)律

圖4　同一天內(nèi)尾巷瓦斯變化最小時(shí)的瓦斯涌出量隨尾巷長(zhǎng)度的變化規(guī)律

　　(2)瓦斯異常涌出原因分析。從2005年2月21日至4月底,采取88202采空區(qū)控制抽放后,88203尾巷未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。而且從尾巷瓦斯涌出的整體情況看,瓦斯涌出增大和超限均集中在同一時(shí)段內(nèi),且隨著時(shí)間的推移,88202采空區(qū)向尾巷涌出的瓦斯越來(lái)越小,抽放泵開(kāi)啟的時(shí)間越來(lái)越短,至5月上旬,尾巷瓦斯涌出趨于正常。對(duì)88202采空區(qū)抽放,實(shí)質(zhì)是減小采空區(qū)內(nèi)的壓力,平衡和尾巷相鄰一側(cè)采空區(qū)的通風(fēng)負(fù)壓,是均壓作用。在未抽放前,作用于88202采空區(qū)上的壓力只有通風(fēng)負(fù)壓和大氣壓力。通風(fēng)負(fù)壓基本無(wú)變化,從采空區(qū)瓦斯涌出增大的時(shí)段相對(duì)固定和受力情況等因素綜合分析,影響采空區(qū)瓦斯涌出的主要因素只能是大氣壓力,即氣壓變化是導(dǎo)致88202采空區(qū)瓦斯涌出量變化,亦即造成88203尾巷瓦斯?jié)舛壬叱薜闹饕?。下面以和尾巷相鄰?8202采空區(qū)密閉及其附近氣體作為一個(gè)單元(自然狀態(tài)下,不考慮尾巷通風(fēng)負(fù)壓作用)分析。根據(jù)伯努利方程,采空區(qū)漏向尾巷的風(fēng)流單位容積的能量方程為:pr=p1-p2+(h1ρ1-h2ρ2)+v1ρ1/2-v2ρ2/2

式中　pr———采空區(qū)向尾巷的風(fēng)流壓力,Pa;

　p1、p2———風(fēng)流起、末斷面的壓力,Pa;

　h1、h2———風(fēng)流起、末斷面中心距基準(zhǔn)面的高

度,m;

　ρ1、ρ2———風(fēng)流起、末斷面氣體密度,kg/m3;

　v1、v2———風(fēng)流起、末斷面的風(fēng)流速度,m/s。

由于采空區(qū)和地表溝通,密閉兩端均受到大氣壓的作用,且密閉兩端附近氣體通過(guò)裂隙溝通,所以ρ1、ρ2近似相等。密閉滲透漏氣量較小,可以認(rèn)為兩端風(fēng)流起、末斷面v1、v2近似相等,對(duì)于同一氣體單元,h1、h2相等,所以密閉漏風(fēng)風(fēng)流壓力:pr=p1-p2由于尾巷通過(guò)巷道與地面相通,大氣壓力微小的變化可以迅速傳遞作用于密閉上即p2隨之變化。而采空區(qū)通過(guò)地表裂隙和有限的井下漏風(fēng)裂隙與外界相通,且采空區(qū)內(nèi)空間較大,所以當(dāng)大氣壓力發(fā)生變化時(shí),壓力傳遞緩慢,采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力變化速率極小,可以近似認(rèn)為采空區(qū)氣體壓力不受大氣壓影響即p1在一定時(shí)段內(nèi)基本不變。當(dāng)白天中午時(shí)分,大氣溫度升高,空氣密度降低,大氣壓力減小即p2減小,p1不變,pr增大即密閉漏風(fēng)風(fēng)流壓力增大,采空區(qū)漏向尾巷的瓦斯量隨之增大;當(dāng)夜晚時(shí)分,大氣溫度降低,空氣密度增大,大氣壓力升高即p2增大,p1不變,pr減小即密閉漏風(fēng)風(fēng)流壓力減小,采空區(qū)漏向尾巷的瓦斯量減小。當(dāng)p1、p2相等時(shí),采空區(qū)內(nèi)外壓力趨于動(dòng)態(tài)平衡,瓦斯不會(huì)向尾巷泄漏。

因進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井高差僅為10 m,且在同一地點(diǎn),空氣柱的平均重率相同,空氣柱的高度相差無(wú)幾,大氣壓力變化時(shí),自然風(fēng)壓對(duì)礦井風(fēng)壓和風(fēng)量幾乎無(wú)影響,實(shí)測(cè)也證明了這一點(diǎn),所以在通風(fēng)負(fù)壓作用下采空區(qū)的瓦斯泄漏量是基本穩(wěn)定的。而大氣壓力變化較大時(shí),尾巷的壓力變化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力變化速率,造成與采空區(qū)相鄰的尾巷密閉和煤柱兩側(cè)的壓力差增大,由上述可知采空區(qū)瓦斯涌出也隨之發(fā)生較大變化。所以大氣壓力變化是導(dǎo)致88202采空區(qū)瓦斯異常涌出的主要原因。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),尾巷瓦斯?jié)舛入S大氣壓的變化規(guī)律(取3月9日至31日)如圖5所示。從圖中可以看出,在一定時(shí)間段,當(dāng)大氣壓力由波峰向波谷變化時(shí),瓦斯?jié)舛燃眲∩?當(dāng)大氣壓力由波谷向波峰變化時(shí),瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆挡㈦S每天的氣壓變化產(chǎn)生小范圍的波動(dòng)保持基本穩(wěn)定。由波峰向波谷過(guò)渡瓦斯變化幅度較波谷向波峰劇烈。大氣壓變化規(guī)律為每5~7 d一個(gè)循環(huán),每2~3 d出現(xiàn)一個(gè)峰值,峰、谷大氣壓差為1.5~3 kPa,約為礦井通風(fēng)負(fù)壓的56%~118%。

圖5　88203尾巷瓦斯?jié)舛入S大氣壓力變化關(guān)系

4　防治對(duì)策根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和上述分析結(jié)果,大氣壓力對(duì)淺埋煤層采空區(qū)瓦斯涌出有較大影響的時(shí)段有近3個(gè)月的時(shí)間,對(duì)工作面生產(chǎn)造成極大影響,是不可忽視的安全隱患,必須從思想上高度重視,采取有針對(duì)性的防治對(duì)策和措施。

(1)應(yīng)采取有效措施,對(duì)采空區(qū)實(shí)施均壓。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行控制性抽放,平衡尾巷通風(fēng)負(fù)壓是解決采空區(qū)瓦斯異常涌出的最有效措施。但采空區(qū)抽放對(duì)防治自然發(fā)火非常不利,所以抽放期間應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)一氧化碳和溫度等監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作。

(2)加強(qiáng)地表堵漏工作,加強(qiáng)采空區(qū)的封閉質(zhì)量,盡可能減少采空區(qū)漏風(fēng)。由于采空區(qū)瓦斯沿密

閉向尾巷涌出基本是均勻且采空區(qū)是連通的,具有管道效應(yīng)。僅采取部分密閉堵漏方法降低采空區(qū)瓦斯涌出效果較差,因此應(yīng)全面提升密閉規(guī)格和質(zhì)量。

(3)提高工作面回采率,盡量減少采空區(qū)遺煤,降低采空區(qū)殘存瓦斯量。

　　作者簡(jiǎn)介:郭凡進(jìn)(1965-),男,1987年畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院采礦專(zhuān)業(yè),工程碩士,高級(jí)工程師,現(xiàn)任神華集團(tuán)神東煤炭分公司安監(jiān)局通風(fēng)處副處長(zhǎng),中煤勞保科技學(xué)會(huì)通風(fēng)、瓦斯防治專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員,長(zhǎng)期從事煤礦通風(fēng)、瓦斯防治和煤礦安全監(jiān)察工作,曾獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一、三等獎(jiǎng)3項(xiàng),市級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)6項(xiàng)。

(收稿日期:2005-09-08;責(zé)任編輯:王福厚)

·國(guó)外煤礦安全信息·

用聚合樹(shù)脂加固巖層破碎帶的工藝研究國(guó)內(nèi)和國(guó)外強(qiáng)化巖層破碎帶的經(jīng)驗(yàn)得出,最有效的加固地質(zhì)破碎帶的方法是采用聚合樹(shù)脂。我們與德國(guó)“米諾娃.卡爾包捷赫”公司合作研制了加固巖層破碎帶的最佳的樹(shù)脂類(lèi)型?！案駣W弗列克斯”樹(shù)脂是由2種液體成分組成的,其比例為1∶1。在容器中把2種成分?jǐn)嚢韬突戏磻?yīng),用泵注入巖體3~4 min后開(kāi)始凝固。在煤礦使用這種樹(shù)脂后,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)一次頂板冒落事故,保證了安全生產(chǎn)?！案駣W弗列克斯”樹(shù)脂的

技術(shù)資料如下:

開(kāi)始反應(yīng)的時(shí)間:　　　　15~20 s

反應(yīng)的延續(xù)時(shí)間:　　　　3~4 min

反應(yīng)溫度:　　　　　　　98℃

發(fā)泡系數(shù):　　　　　　　1

最終的狀態(tài):　　　　　　半硬—彈性的

抗壓強(qiáng)度極限:　　　　　50 MPa

摘自　《УГОЛЬ》　2005 No.5

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