浅析煤矿开采工作中瓦斯涌出控制技术

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　　摘要：笔者通过对煤矿工作中瓦斯来源，并给出了各部分瓦斯涌出量的计算公式，并详细论述开采过程煤层瓦斯涌出的控制技术。

　　关键词: 采煤工作,斯涌出源,控制技术

　　煤矿按照瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式把矿井分为3类:低瓦斯矿井 ≤10m 高瓦斯矿井 > 10m 和煤与瓦斯突出矿井。据1994年矿井瓦斯等级鉴定统计，各类矿井所占比重及矿井平均瓦斯涌出量分别为:低瓦斯矿井占56%，4 高瓦斯矿井占35%，16 ;煤与瓦斯突出矿井占9%，24 。处于瓦斯带内的采煤工作面，其瓦斯涌出量随着距地表垂深和日产煤量的增加而增高。在低瓦斯矿井中有高瓦斯区，在高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，采煤工作面的瓦斯涌出量一般都比较大，个别达到很高的数值，研究采煤工作面瓦斯涌出、控制技术管理具有重大意义。

　　1采煤工作面瓦斯涌出源及其计算

　　采煤工作面瓦斯涌出来源于煤壁、采落煤和采空区，后者又来源于邻近煤层和围岩。前两项瓦斯涌出强度与煤暴露时间的关系类似，都可以用q= 方程来描述，式中q，q0分别为煤暴露初始和tmin时的瓦斯涌出强度，为衰减指数。从中可知，不论是煤壁还是采落煤，暴露初始的瞬间涌出强度最大，以后随暴露时间的增长而呈负指数关系衰减，所以落煤、放煤工艺是治理瓦斯的重要时刻。然而，前两项也有不同之处，最重要的区别在于煤壁有被采煤层所含瓦斯源源不断地补给，并受采场矿山压力和煤体破坏所形成的裂隙以及采煤工艺过程所控制，所以在衰减过程中因矿压与裂隙生成变化而引起的瓦斯涌出强度波动是很大的见图1a，而采落煤是无瓦斯补给源和不受矿压控制的，所以在衰减过程中无波动，见图1b。已知开采煤层的瓦斯含量时，可按下式计算开采煤层煤壁和采落煤的相对瓦斯涌出量：

　　图1瓦斯涌出强度随时间暴露时间的变化a煤壁瓦斯涌出强度q1; b采落煤瓦斯涌出强度q2

　　qb = CX

　　式中: qb为开采煤层本层相对瓦斯涌出量，m ，X为开采煤层的瓦斯含量，m C为开采煤层在采煤工作面的瓦斯排放系数，据统计，对于薄及中厚煤层，C=0.4～0.8.从采空区涌入回采工作面的瓦斯，取决于邻近层的瓦斯涌出量和工作面通风系统:

式中: 为邻近层瓦斯涌出量涌入回采工作面的系数， ≤1(取决于工作面通风系统的类型:后退式U型通风系统 = 1;前进式U型通风系统、后退式Y型通风系统(回风巷在采空区中维护) =0.2); 为邻近层瓦斯涌出量(计算) 式中: v 为工作面推进速度， ; 为考虑到顶底板破裂与位移在时间与空间上的滞后性而引入的校正量，其中系数a，c因工作面地质采矿技术条件而异(如一矿条件下，v≤4 时，a=c=1; v>4 时，a=1.32，c=- 0.21在打通一矿条件下，v≤2 时，a=c=1; v> 2 时，a=1.4，c= - 0.45);m为采高;L为工作面长度; 为开采层煤的密度，。

　　2瓦斯涌出的控制技术

　　工作面瓦斯涌出控制的目标是消除瓦斯积聚，确保采煤工作面和采区巷道风流中的瓦斯浓度控制在《煤矿安全规程》规定的安全限值以内。

　　2.1采用不同的工作面通风系统控制瓦斯

　　采煤工作面通风是控制瓦斯浓度的基本措施，通风系统必须稳定、可靠、保证不间断地向工作面供给足够的风量;在瓦斯涌出量较大条件下，具备解决工作面隅角区瓦斯浓度超限问题的能力。

　　(1)U型通风系统。中国采煤工作面大多采用U型通风系统，其特点是系统简单、经济，适于采空区瓦斯涌出量不大的工作面，否则漏风将把采空区高浓度瓦斯集中汇流于上隅角，产生瓦斯浓度超限危险区。

　　(2)U+L型通风系统。它是一进两回的通风系统，其中，靠近工作面的一条回风巷，其瓦斯浓度按《煤矿安全规程》规定管理(1%)，另一条经联络巷与采空区相连的称为专用排瓦斯巷(尾巷)，其瓦斯浓度控制在某一批准限值以内，并附加另外一些防爆安全条件下使用。这种系统不仅增加了工作面的风排瓦斯量，而且由于瓦斯浓度分布的改变，大大改善了U型工作面上隅角瓦斯超限问题。联络巷之间的距离一般为60～100m。该系统用风量少而排放瓦斯量大、安全可靠性提高，因此得到广泛应用。

　　(3)Y型通风系统。该系统是两进一回，采煤工作面的上、下巷都进风，而其中的副进风巷在采空区一段则变成回风巷，并由巷旁充填支护，它与U+L系统相比，不仅从根本上解决了上隅角瓦斯积聚难题，而且运煤、运料设备、供电、供水等管线都在新风中，而回风巷内既无电缆、轨道，也无管路成为专用回风巷，这样就大大提高了安全性。但该系统回风巷的某些局部地点可能存在瓦斯积聚问题，这需用瓦斯抽放办法来处理。

　　(4)Y+L型通风系统。它兼有Y型与U+L型的某些特点。该系统工作面上、下风巷都进风，这与Y型相似; 它又有尾巷，这与U+L型相似，因此其采空区内瓦斯浓度分布规律同图4b，故而上、下风巷都可以布置设备，改变了U+L型系统主要机电设备必须在进风巷布置所造成的设备拥挤及阻碍进风现象。尾巷的长度由U+L型的走向全长减至一个联络巷间距(60～100m)，安全性提高; 尾巷瓦斯浓度超限时，可利用副进风巷联络巷的进风侧安设局扇送风来处理，调控方便，两条进风巷提高了工作面的抗灾能力与救灾能力，提高了排瓦斯能力和综采设备效率，从而提高了产量，故得到推广应用。等浓度线为曲线，风扇运行后该曲线逐渐向采空区移动，25min后1%CH4等浓度线移至切顶线以外曲线位置，从而消除工作面上隅角工作区内的瓦斯积聚。该风扇使用液压马达驱动，由液压支架的乳化液压力源做动力，不使用电，风扇叶轮由抗静电、阻燃工程塑料制造，不产生摩擦火花，运行安全可靠。风量和旋转频率可根据消除瓦斯积聚的需要进行无级调节。

　　2.2在开采时利用瓦斯抽放控制瓦斯涌出技术

　　瓦斯抽放是控制瓦斯涌出和风流中瓦斯浓度最有效最直接的手段。1995年中国有149座矿井进行瓦斯抽放，年抽放瓦斯量达6亿以上。当一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5 而且采用通风方法解决瓦斯问题不合理时，应抽放瓦斯。

　　(1)煤层可抽放性分类。根据煤层可抽放瓦斯的难易程度，可以划分为容易抽放、勉强抽放和难以抽放3种类型。容易抽放、勉强抽放煤层，一般在未卸压条件下即可抽放瓦斯; 难以抽放煤层一般应采取密集钻孔或专门的或采取卸压措施后，才能进行瓦斯抽放。

　　(2)瓦斯抽放类型、方法及适用条件。瓦斯抽放类型按空间对象分有开采煤层(本层)、邻近煤层、采空区和围岩抽放;采煤工作面各种瓦斯抽放方法的适用条件见表1

　　表1瓦斯抽放类型、方法及其适用条件