综采工作面采空区瓦斯运移规律分析

黄瑞玲，税 坤

(四川省煤炭设计研究院 昆明分院，云南 昆明 650041)

煤炭对我国的经济快速发展起着重要的推动作用，在国民经济中具有重要的战略地位。我国煤矿地质条件较为复杂，随着煤矿资源逐渐向深部开采，矿井面临的安全问题越来越多，其中瓦斯灾害最为严重，煤矿对于瓦斯灾害也高度重视，采空区瓦斯赋存规律和采空区遗煤与漏风密不可分。其采空区遗煤自燃造成瓦斯爆炸很容易被忽视，并且很难治理。国内对自燃煤矿自然发火防治和采空区瓦斯治理措施已经非常成熟，但是在采空区瓦斯排放、抽采与防灭火的内部联系方面仍缺少理论指导。要想科学合理地对采空区瓦斯进行治理，必须要清楚采空区内部瓦斯运移规律[1-4]。本文研究了综采工作面采空区瓦斯运移规律，通过在采空区现场布置测点，使用束管对采空区各个监测点的瓦斯浓度进行监测，得到了综采工作面采空区瓦斯分布特征，研究对矿井采空区瓦斯治理具有重要的指导意义。

1 工程概况

研究矿井位于煤田东部中段，井田共有4层煤，其中主采二1煤层，煤层厚度5.0～12.0 m，平均厚3 m，埋深580～600 m，煤层瓦斯最大压力0.96 MPa，煤层透气性系数0.104 m2/(MPa2·d)，煤层瓦斯含量为16 m3/t，煤层倾角为1°～6°，平均为5°，煤层中有一层夹矸，平均厚度为0.2 m。研究区二1煤层工业分析见表1。

表1 研究区二1煤层工业分析

研究工作面平面布置如图1所示。

图1 研究工作面平面布置

2 采空区监测点分布

为了研究综采工作面采空区瓦斯运移规律，共布置11个监测点，各测点位置分布如图2所示。

图2 各测点位置分布情况

在采空区中部布置5号—11号测点，采空区两侧边缘布置1号—4号测点，监测的空气成分主要为氧气、二氧化碳、瓦斯、一氧化碳等。现场埋设束管，一段时候后，分析不同距离下采空区各监测点瓦斯浓度变化规律。采空区中部测点间距为20 m，采空区两侧边缘测点间距为20 m。

3 数据处理分析

3.1 采空区瓦斯浓度分布

研究工作面每推进20 m，采集1次采空区各气体，其中采样周期为200 m。采用Matlab软件[5-8]，对现场观测的原始数据进行处理，并绘制了不同工作面推进距离时采空区瓦斯和氧气浓度分布。现场监测点瓦斯浓度数据见表2。

表2 现场监测点瓦斯浓度数据

不同推进距离时采空区瓦斯浓度分布、等值线如图3所示。由图3可知：①沿采空区走向方向，随着深入采空区，瓦斯浓度逐渐变大，且瓦斯主要集聚在采空区中部靠回风侧位置。②沿采空区倾向方向，在回风侧向进风侧方向，采空区瓦斯浓度有减小的趋势，并且回风侧的瓦斯浓度梯度大于进风侧的瓦斯浓度梯度，造成瓦斯在回风侧集聚。③随着采煤工作面不断推进，各监测点的采空区瓦斯浓度有升高的趋势，距离工作面越远，采空区瓦斯浓度越大，采空区漏风量越小，集聚在采空区深部。在回风侧，在距离工作面35 m范围处，采空区瓦斯浓度低于5%；在进风侧，在距离工作面90 m范围处，采空区瓦斯浓度低于5%。

图3 不同推进距离时采空区瓦斯浓度分布、等值线

根据图2以及瓦斯浓度梯度的变化速率，将采空区瓦斯运移区域划分为CH4稀释区、CH4快速集聚区、CH4缓慢集聚区。具体分布如图4所示。

图4 采空区瓦斯运移区域划分

由图4可知，沿采空区走向上，空区瓦斯运移区域划分3个区域，瓦斯缓慢集聚区位于采空区深部，要是该区域为岩石压实区，孔隙率低、漏风量小，容易造成瓦斯的集聚；瓦斯快速集聚区于采空区中部，该区域孔隙率相对较低、漏风量相对较弱，风流量相对较大，致使瓦斯浓度及瓦斯浓度变化较大；瓦斯浓度稀释区位于采空区浅部，主要受到漏风的影响，此处瓦斯浓度较低。

3.2 采空区氧气浓度分布

现场监测点氧气浓度数据见表3。不同推进距离时采空区氧气浓度分布、等值线[9-12]如图5所示。由图5可知：①沿采空区走向方向，采空区氧气浓度沿中心线呈不对称分布，其中回风侧氧气浓度低于进风侧氧气浓度。②沿采空区倾向方向，越靠近工作面，氧气浓度约高，越靠近采空区深部，氧气浓度约低，回风侧向进风侧的氧化自燃带由窄变宽。③随着采煤工作面不断推进，各监测点的采空区氧气浓度有降低的趋势，回风侧氧气浓度下降速率明显快于进风侧的氧气浓度下降速率。

图5 不同推进距离时采空区氧气浓度分布、等值线

表3 现场监测点氧气浓度数据

综上所述，当进行抽放采空区瓦斯时，需布置走向瓦斯高抽巷，密封插管进行采空区瓦斯的抽放，能够显著降低采空区瓦斯浓度，也可在抽放位置形成瓦斯负压场，减少采空区漏风，从而降低了上隅角瓦斯浓度。

4 结论

(1)沿采空区走向上，空区瓦斯运移区域划分3个区域：CH4稀释区、CH4快速集聚区、CH4缓慢集聚区，瓦斯主要集聚在采空区中部靠回风侧位置；随着采煤工作面不断推进，各监测点的采空区瓦斯浓度有升高的趋势。

(2)随着采煤工作面不断推进，各监测点的采空区氧气浓度有降低的趋势，越靠近工作面，氧气浓度约高，越靠近采空区深部，氧气浓度约低，采空区氧气浓度沿中心线呈不对称分布。

(3)当进行抽放采空区瓦斯时，需布置走向瓦斯高抽巷，密封插管进行采空区瓦斯的抽放，来治理采空区瓦斯隐患和上隅角瓦斯积聚。