康家灘礦88203回采工作面尾巷瓦斯異常涌出情況分析
摘要：本文通過對當地大氣壓力及88203尾巷瓦斯濃度的實際觀測計算，對康家灘煤礦88203尾巷瓦斯異常涌出進行了理論分析，認為大氣壓力大幅度變化是引起瓦斯大量涌出的主要原因，同時認為頂板大面積垮落是造成工作面短時瓦斯超限的重要原因，為今后康家灘煤礦工作面瓦斯治理總結經驗和提供依據。關鍵詞：尾巷瓦斯異常涌出
康家灘礦位于山西省忻州市保德縣境內，隸屬于神府東勝煤炭有限責任公司。礦井采用斜井、立井及平硐混合開拓方式，開采方法為長壁工作面綜合采煤方法，全部垮落法管理項板。井田南北走向長22.6km，東西傾向寬6.4km，面積118.79km2，設計生產能力為16Mt／a，服務年限為63.4a。井田位于河東煤田的北部，總體上為平緩的單斜構造形態，主要可采煤層為山西組的8#煤和太原組的13#煤，目前主要開采8#煤層。
康家灘煤礦為神東公司唯一的高瓦斯礦井，2005年2月21日到3月13日88203綜采工作面瓦斯涌出發生異常，尾巷內瓦斯呈間斷性超限。特別是3月13日瓦斯涌出達到最高峰，尾巷瓦斯濃度嚴重超限，局部瓦斯濃度超過6％，使工作面回采工作被迫停止。為找出瓦斯異常涌出的原因，給工作面瓦斯治理提供依據，神東公司聯合煤科總院撫順分院對88203工作面瓦斯涌出情況進行了測試和分析，初步查明了原因。
1.88203綜采工作面工作面概況
88203工作面位于康家灘井田中北部的二采區，工作面走向長2250m，傾斜長198.5m，回采推進長度1733.6m，面積344123m2。沿走向布置，下部布置有膠帶運輸順槽和輔助運輸順槽，上部布置有回風順槽和專用排放瓦斯尾巷等四條煤層巷道，采用傾斜長壁綜合機械化一次采全高的采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面設計采高3.5m，設計日產量18kt。該面回采范圍內所采8#煤層厚度為5.50～7.66m，平均厚度為6.58m，傾角3°～7°，總體上呈南薄北厚趨勢，結構復雜。88203煤層綜合柱狀圖1-1所示。
工作面采用“兩進兩回”的通風方式，即工作面下輔運巷和膠運巷進風，回風順槽和專用排放瓦斯尾巷回風。工作面專用排放瓦斯尾巷是原88202工作面輔助運輸順槽，該巷與88202采空區平均每50m有一個聯巷相連(已封閉)。工作面配風量為21OOm3／min(回風巷1300m3／min.，尾巷800m3/min)。
工作面采用采空區插管瓦斯抽放方法，沿尾巷鋪設一趟Φ508mm主管路，尾排聯巷敷設由377mm支管，其中靠近靠近切眼的1200m每隔1個聯巷(100m)設一趟支管，靠近回撤通道的500m每隔2個聯巷(150m)設一趟支管。移動抽放泵站安設在88202膠運順槽口，選用2臺CBF610-2BG3型抽放泵，單臺額定流量為248～264m3／min，配套電機功率為315kW。工作面巷道布置及抽放系統如圖1-2所示。
2.88203采面瓦斯涌出情況
88203工作面于2005年1月31日開始試生產，該面作為配采面，間斷性開采，到2月26日累計推進105m。從2月27日開始，工作面正常生產，到3月13日上午11時累計推進243m(距內錯回風巷27聯巷18m)，工作面剩余1489m。
(1)從1月31日開采到2月20日累計推進100m，瓦斯涌出比較穩定，工作面瓦斯不超限。
(2)從2月21日到3月13日累計推進143m，瓦斯涌出發生異常，尾巷內瓦斯呈間斷性超限。特別是3月13日瓦斯涌出達到最高峰，尾巷瓦斯濃度嚴重超限，局部瓦斯濃度超過6％，使工作面回采工作被迫停止。
(3)分析工作面瓦斯檢查結果，工作面瓦斯涌出呈現出以下規律：每天上午9時至下午6時瓦斯升高，12時至16時區間最大，13～27聯巷瓦斯濃度為3～6％，3～13聯巷瓦斯濃度為1.8～3.1％。
采面回采以來瓦斯涌出情況統計如表2.1所示。
時間 CH4濃度 (％)風量(m3／min) 絕對瓦斯涌出量 (m3／min) 溫度(℃) 氣壓(hpa)回風尾巷回風尾巷平均
最高 最低 溫差 保德站 海平面
1月30日
0.30
0.74
1531
1261
13.92
1月31日
0.59
-11.5
-5.6
-15.8
10.2
922.5
1035.8
2月1日
0.76
-13.0
-7.0
-17.7
10.7
923.5
1037.6
2月2日
0.97
11.2
-4.5
-17.9
13.4
917.7
1028.9
2月3日
0.32
0.75
2034
1094
14.71
-4.5
2.4
-9.9
12.3
910.3
1019.7
2月4日
0.65
-7.7
-3.3
-11.8
8.5
916.6
1027.6
2月5日
0.74
-8.0
-3.1
-11.6
8.5
916.0
1026.5
2月6日
0.75
-3.4
-0.9
-5.0
4.1
917.4
1026.6
2月7日
0.69
-7.2
-2.7
-9.4
6.7
921.0
1032.0
2月8日
0.64
-9.3
-5.6
-13.6
8.O
919.7
1031.3
2月9日
0.49
-11.5
-5.6
-15.8
10.2
928.8
1043.8
2月10日
1.07
-13.1
-7.5
-17.9
10.4
928.1
1042.0
2月11日
1.04
-11.8
-3.0
-19.1
16.1
926.2
1039.6
2月12日
0.40
1.09
1582
95l
16.69
-7.5
3.3
-14.8
18.1
922.3
1033.5
2月13日
1.23
-4.9
4.1
-13.0
17.1
915.3
1023.6
2月14日
0.38
1.50
1228
1032
20.15
0.4
5.1
-5.2
10.3
913.5
1020.6
2月15日
0.75
0.2
2.4
-1.1
3.5
914.0
1021.1
2月16日
0.98
-3.2
1.5
-8.1
9.6
917.1
1026.2
3.88203采面尾巷瓦斯異常涌出情況分析
3.1瓦斯異常涌出動態變化狀況分析
從2月21日到3月13日累計推進143m，瓦斯涌出異常，尾巷內瓦斯呈間斷性超限。通過統計3月1日至3月18日203尾巷瓦斯濃度檢查記錄，其變化情況如圖3-1所示。工作面瓦斯涌出情況如圖3-2所示。
分析工作面瓦斯檢查結果，工作面瓦斯涌出呈現出以下規律：每天上午9時至下午6時瓦斯升高，12時至16時區間最大，13～27聯巷瓦斯濃度為3～6％，3～13聯巷瓦斯濃度為1.8～3 .1％
通過對監測系統記錄的88203回風巷(回撤通道以里)回風流瓦斯濃度最大值和88203尾巷風流瓦斯濃度最大值曲線進行分析，3月8日前，回風流瓦斯濃度基本穩定在O.4％以下，3月8日至今基本穩定在0.4～0.6％之間：通過對2月21日至3月18日88203尾巷風流瓦斯濃度最大值曲線分析可以看出，其瓦斯濃度變化很大，最大達到4％以上，最小僅為O.4％左右，并且每天的曲線大都有兩個峰值，一個出現在每天的12點到18點之間，其峰值較大，另一個出現在2點到6點之間，峰值較小，有時沒有，這說明其瓦斯涌出受外界氣壓和溫度影響較大，且瓦斯來源主要為88202采空區瓦斯。
通過對88203尾巷和88202聯巷及閉墻瓦斯濃度進行測定，密閉前CH4濃度可達8～10％甚至超過10％，可見閉墻內瓦斯濃度必然在10％以上，說明88202采空區瓦斯涌出較大，經計算，88202采空區最大滲漏CH4達19m3／min之多。瓦斯尾巷百米泄漏瓦斯1.13 m3／min。
3.2瓦斯異常涌出原因分析
3.2.1氣壓變化對工作面瓦斯涌出的影響
氣壓變化是導致88203工作面尾巷瓦斯超限的重要原因。根據氣體狀態方程，大氣溫度變化會引起氣壓的變化，一般情況下，大氣溫度升高，氣壓降低，反之亦然。根據保德縣氣象站提供的氣象數據，春季每天溫差3.5～21℃之間，溫度的大幅變化導致大氣壓力變化較大，造成尾巷及連通的采空區氣體壓力發生變化，是造成瓦斯涌出異常增大，尾巷內瓦斯呈間斷性超限的重要原因。
圖3-3為保德縣3月1日至3月15日氣壓變化情況，圖3-4為88203尾巷3月1日至3月15日瓦斯濃度變化情況(均為早班第三次檢查結果)，圖3-5為88203工作面瓦斯涌出量變化曲線。對比圖3-3、圖3-4和圖3-5可以看出，3月1日至3月15日期間，保德縣氣壓有兩次明顯的高壓過程和低壓過程，而88203工作面尾巷在此期間也出現了幾次瓦斯涌出異常，具體體現在6號、9號和13號，隨著氣壓的降低，尾巷瓦斯濃度急劇增加。6號的氣壓值為918.4hpa，比5號的924.3hpa降低了590pa；9號的氣壓值為907.1hpa，比8號的913.6hpa降低了650pa；13號的氣壓值為922.5hpa，比12號的928.5hpa降低了600pa。由此說明，當氣壓變化幅度較大時，會引起瓦斯涌出的急劇變化，因此，88203工作面尾巷幾次瓦斯涌出異常與當地大氣壓的大幅度變化有很大的關系。
圖3.6為3月9日測得的康家灘礦地面和88203尾巷氣壓變化曲線，從該曲線可以看出，井下巷道氣壓變化與地面氣壓變化趨勢基本一致，說明井下巷道氣壓受地面氣壓變化的直接影響。氣壓在夜晚O點左右最高，然后隨著氣溫的升高逐漸降低，在15點到17點達到最低值，然后隨著氣溫的降低逐漸升高。
假設以O點時的氣體狀態為原始狀態，即存在P0、V0、T0，O點以后，隨著氣壓的逐漸降低，即P1越來越小，Pl
尾巷總的瓦斯涌出量可用下式計算：
式中：Q川巷瓦斯涌出量，m3/min ；
Q1—尾巷供風量，m3/min；
C1—尾巷原來的瓦斯濃度(即由工作面和工作面采空區涌出的瓦斯)，％：
Co—采空區涌出的瓦斯濃度，％：
Q—時間tī內由采空區涌出的混合瓦斯量，m3/m；
采空區瓦斯涌出強度為：
則尾巷瓦斯濃度可用下式表示：
3.2.2頂板冒落對工作面瓦斯涌出的影響
眾所周知，隨著工作面采煤工作的進行，煤炭采出后形成一定空間，上覆差層奄地應力和自重作用下將受到破壞，當其本身的強度不足以抵抗上述作用z時，就會斷裂、垮落，由于破碎后巖體體積增大，直到將冒落空間填滿，達到耔的平衡，冒落才停止。應該說，大面積老頂垮落的過程，也是造成工作面采空區瓦斯急劇涌出的過程，其主要原因有三。一是隨著頂板巖石的斷裂垮落，巖石發生膨脹，添塞占據原有的采空區空間，將采空區空間體積減少，使采空區內瓦衡壓力增大，與外界產生氣壓差，使采空區積聚的瓦斯涌出；二是隨著頂板垮落，鄰近層瓦斯卸壓釋放，大量涌向采空區，使采空區內瓦斯量和壓力增大，與外界產生氣壓差，使采空區瓦斯涌出：三是如果老頂懸空面積大，整體垮落過程中，形成動壓，將采空區瓦斯擠壓，形成高壓瓦斯流沖向采掘空間，造成工作面瓦期瞬間急劇涌出，引起超限。
在工作面回采過程中，隨著頂板的初次來壓和周期來壓，瓦斯涌出出現周期性的波動，就是由于頂板垮落的結果，因此在生產過程中應隨時注意項板的垮落情況，不應留有大面積空頂區。
本次88203尾巷瓦斯異常涌出是在工作面推進到240m左右時發生的，且地面塌陷明顯，最大下沉量15cm以上.這說明頂板發生了大面積冒落，使地層發生整體下沉，將回采面采空區瓦斯大量擠出，涌向瓦斯尾巷。
但是老頂垮落對鄰近采空區的影響不會太大，因為鄰近采空區在回采過程中，頂板活動已基本結束，頂板地層基本處于穩定狀態。圖3-7是88203工作面和88202采空區的剖面示意圖。由示意圖可以看出，88202和88203工作面之間的三條巷道保護煤柱處于集中應力帶，兩個采空區之間的連通性較差，因此，203工作面采空區項板冒落對202采空區影響不大，只是對本工作面采空區瓦斯涌出有影響。
3.2.3采空區漏風和鄰近層瓦斯涌出對工作面瓦斯涌出的影響
采空區漏風和鄰近層瓦斯涌出是造成工作面尾巷瓦斯超限不可忽視的原因。由前述可知，采空區空間體積一定，并且遺留在采空區內煤炭的瓦斯量有限，不可能無限的向外涌出，如果有外部漏風或鄰近層瓦斯源不斷向采空區補充氣體，則采空區氣體的壓力將不斷增大，促使瓦斯向外界涌出。因此，盡量減少采空區遺煤，減少漏風量，也是降低采空區瓦斯涌出，防止工作面回風和尾巷瓦斯超限的有效手段。
綜上所述，造成88203工作面尾巷瓦斯異常涌出的原因很多，并且各種原因相互作用，相互交叉，共同起作用，但分析認為，大氣壓力的劇烈變化是造成現階段尾巷瓦斯超限的主要原因。
4.結論
(1)通過對大氣壓力、203尾巷瓦斯濃度的觀測計算，利用理想氣體的狀態方程理論對88203尾巷瓦斯異常涌出進行了理論分析，認為大氣壓力大幅度變化是引起瓦斯大量涌出的主要原因，并且88203工作面瓦斯異常涌出時，氣壓變化均達到600pa左右。
(2)頂板大面積垮落是造成工作面短時瓦斯超限的重要原因，但其只對開采工作面采空區瓦斯造成影響，其影響的范圍不僅僅是尾巷，還將波及工作面和回風巷。
(3)采空區漏風和鄰近層瓦斯涌出是造成工作面尾巷瓦斯超限不可忽視的原因。盡量減少采空區遺煤，減少漏風量，也是降低采空區瓦斯涌出，防止工作面回風和尾巷瓦斯超限的有效手段。
1、煤炭科學研究總院撫順分院 2、神東公司安監局通風處 3、神東公司康家灘煤礦
