異常原因分析及防治對策
郭凡進(中國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致88202采空區瓦斯涌出量異常,亦即造成88203尾巷瓦斯超限的主要原因。運用數學回歸分析方法,得出沿尾巷每百米采空區瓦斯最大和最小涌出量,并提出了防治采空區瓦斯異常涌出的針對性措施。
關鍵詞:回采工作面;瓦斯涌出異常;原因分析;防治對策
中圖分類號:TD712+.5 文獻標識碼:B 文章編號: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山西組和石炭系上統太原組,共含煤10層,主采煤層為8#和11#,目前開采8#煤層。煤層具有自燃傾向性,煤塵具有爆炸性。礦井采用分區式通風,通風方法為機械抽出式,總排風量25 173 m3/min。2004年礦井絕對瓦斯涌出量為62.61 m3/min,相對瓦斯涌出量為2.97m3/t。
88203綜采面位于康家灘井田中北部二盤區,北、西部為未開采區,南連8#層輔運、膠運順槽和回風大巷,東鄰88202采空區。工作面走向長平均為2 250 m,傾向長198.5 m,回采推進長度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。工作面采用走向長壁綜合機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“兩進兩回”的通風方式(見圖1),下部為工作面輔運、膠運順槽進風,上部回風順槽和專用排放瓦斯尾巷回風,各巷道之間間隔25 m。工作面風流由工業廣場輔運平硐、8#層輔運、膠運巷進入工作面,經工業廣場回風井排出。工作面配風量2 050~2 790 m3/min,平均2 320 m3/min(回風巷1 340 m3/min,尾巷910 m3/min)。回風巷瓦斯濃度臨界值1%,尾巷2.5%。其中專用排放瓦斯尾巷是原88202工作面輔運順槽,該巷道與88202采空區平均每50 m有1個聯巷相連(聯巷隨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)。工作面采用采空區埋管抽放方法,沿尾巷鋪設1趟Φ508 mm主管路,尾排聯巷鋪設Φ377 mm支管,間距為100~150 m,其中,距開切眼1 230 m(破碎帶范圍)每隔1個聯巷設1趟支管,距回撤通道500 m(正常地質帶)每隔2個聯巷設1趟支管,支管的吸氣口位置靠近回風側聯巷頂部。2臺CBF610~2BG3型抽放泵(單臺泵額定流量為248~264 3/min,配套電機功率315 kW)安設于88202膠運順槽口,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開始試生產,至2月20日累計推進100 m,其間瓦斯涌出比較穩定,回風巷瓦斯濃度為0.3%~0.4%,尾巷瓦斯濃度0.32%~1.74%,無瓦斯超限現象。
(2)從2月21日至3月13日累計推進258 m,此期間瓦斯涌出總量逐漸增加。回風巷瓦斯濃度為0.3%~0.4%,基本無變化。尾巷呈階段性超限。以作為1 d一個時間段,在出現瓦斯超限的時日內,一般9:00-18:00瓦斯增高,并在12:00-16:00時間段內瓦斯處于超限狀態,18:00以后瓦斯濃度降至臨界值以下。在1 d內瓦斯變化幅度較大,3月13日尾巷瓦斯最高3.84%,最低0.39%,局部瓦斯濃度高達8%,瓦斯涌出量相差10倍。瓦斯超限時工作面不能正常推進,3月13日停止生產。
(3)為解決尾巷瓦斯超限問題,從2月22日起采取了尾巷增壓、加設局部通風機向尾巷供風、88202尾巷密閉插管聯通總回風均壓和對密閉堵漏處理等措施,收效甚微。3月13日21:00恢復原88202抽放系統,利用88202尾巷密閉放水管對88202采空區進行抽放。截至4月底,通過對采空區實行控制性抽放,即當瓦斯濃度達到2%時開啟抽放泵,至當日18:00停止。為驗證抽放措施效果,曾于3月17日停止采空區抽放,至3月20日,尾巷瓦斯仍出現瓦斯超限。
(4)從3月20日至4月底,對88202采空區采取控制性抽放后,88203尾巷未出現瓦斯超限現象。
3 工作面瓦斯異常涌出原因分析根據工作面瓦斯涌出情況和現場測試,88203工作面采空區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。回風巷瓦斯涌出量基本穩定在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采空區瓦斯大量涌入所致。
(1) 尾巷瓦斯涌出規律。通過對88203尾巷及與其相鄰的88202采空區密閉前瓦斯濃度測定,當尾巷瓦斯增大超限時,許多密閉前0.5 m瓦斯濃度達5%~8%,甚至超過10%。當尾巷瓦斯最小時,密閉前瓦斯濃度與尾巷風流濃度基本相同。這說明尾巷瓦斯增大超限主要是由于鄰近的88202采空區瓦斯向尾巷泄漏所致。以1 d為時間段,取尾巷瓦斯涌出變化最大的3月13日和最小的3月10日進行對比(如圖2所示)。因尾巷風量相等,采用瓦斯濃度對比更為直觀。3月10日瓦斯變化幅度最大為103%,而3月13日最大為860%。
當一天內尾巷瓦斯涌出變化最小或最大時,以工作面煤壁為起點,沿風流方向尾巷瓦斯涌出量隨巷道長度增加的變化規律如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,沿風流方向尾巷瓦斯涌出量隨巷道長度的增加,瓦斯涌出量呈線性增加。也就是說,88202采空區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 同一天內尾巷瓦斯變化最大時瓦斯涌出量隨尾巷長度的變化規律
圖4 同一天內尾巷瓦斯變化最小時的瓦斯涌出量隨尾巷長度的變化規律
(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采空區控制抽放后,88203尾巷未出現瓦斯超限現象。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段內,且隨著時間的推移,88202采空區向尾巷涌出的瓦斯越來越小,抽放泵開啟的時間越來越短,至5月上旬,尾巷瓦斯涌出趨于正常。對88202采空區抽放,實質是減小采空區內的壓力,平衡和尾巷相鄰一側采空區的通風負壓,是均壓作用。在未抽放前,作用于88202采空區上的壓力只有通風負壓和大氣壓力。通風負壓基本無變化,從采空區瓦斯涌出增大的時段相對固定和受力情況等因素綜合分析,影響采空區瓦斯涌出的主要因素只能是大氣壓力,即氣壓變化是導致88202采空區瓦斯涌出量變化,亦即造成88203尾巷瓦斯濃度升高超限的主要原因。下面以和尾巷相鄰的88202采空區密閉及其附近氣體作為一個單元(自然狀態下,不考慮尾巷通風負壓作用)分析。根據伯努利方程,采空區漏向尾巷的風流單位容積的能量方程為:pr=p1-p2+(h1ρ1-h2ρ2)+v1ρ1/2-v2ρ2/2
式中 pr———采空區向尾巷的風流壓力,Pa;
p1、p2———風流起、末斷面的壓力,Pa;
h1、h2———風流起、末斷面中心距基準面的高
度,m;
ρ1、ρ2———風流起、末斷面氣體密度,kg/m3;
v1、v2———風流起、末斷面的風流速度,m/s。
由于采空區和地表溝通,密閉兩端均受到大氣壓的作用,且密閉兩端附近氣體通過裂隙溝通,所以ρ1、ρ2近似相等。密閉滲透漏氣量較小,可以認為兩端風流起、末斷面v1、v2近似相等,對于同一氣體單元,h1、h2相等,所以密閉漏風風流壓力:pr=p1-p2由于尾巷通過巷道與地面相通,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。而采空區通過地表裂隙和有限的井下漏風裂隙與外界相通,且采空區內空間較大,所以當大氣壓力發生變化時,壓力傳遞緩慢,采空區內的氣體壓力變化速率極小,可以近似認為采空區氣體壓力不受大氣壓影響即p1在一定時段內基本不變。當白天中午時分,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增大即密閉漏風風流壓力增大,采空區漏向尾巷的瓦斯量隨之增大;當夜晚時分,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減小即密閉漏風風流壓力減小,采空區漏向尾巷的瓦斯量減小。當p1、p2相等時,采空區內外壓力趨于動態平衡,瓦斯不會向尾巷泄漏。
因進風井和回風井高差僅為10 m,且在同一地點,空氣柱的平均重率相同,空氣柱的高度相差無幾,大氣壓力變化時,自然風壓對礦井風壓和風量幾乎無影響,實測也證明了這一點,所以在通風負壓作用下采空區的瓦斯泄漏量是基本穩定的。而大氣壓力變化較大時,尾巷的壓力變化速率遠遠大于采空區內的氣體壓力變化速率,造成與采空區相鄰的尾巷密閉和煤柱兩側的壓力差增大,由上述可知采空區瓦斯涌出也隨之發生較大變化。所以大氣壓力變化是導致88202采空區瓦斯異常涌出的主要原因。根據現場實測,尾巷瓦斯濃度隨大氣壓的變化規律(取3月9日至31日)如圖5所示。從圖中可以看出,在一定時間段,當大氣壓力由波峰向波谷變化時,瓦斯濃度急劇升高;當大氣壓力由波谷向波峰變化時,瓦斯濃度快速下降并隨每天的氣壓變化產生小范圍的波動保持基本穩定。由波峰向波谷過渡瓦斯變化幅度較波谷向波峰劇烈。大氣壓變化規律為每5~7 d一個循環,每2~3 d出現一個峰值,峰、谷大氣壓差為1.5~3 kPa,約為礦井通風負壓的56%~118%。
圖5 88203尾巷瓦斯濃度隨大氣壓力變化關系
4 防治對策根據現場測試和上述分析結果,大氣壓力對淺埋煤層采空區瓦斯涌出有較大影響的時段有近3個月的時間,對工作面生產造成極大影響,是不可忽視的安全隱患,必須從思想上高度重視,采取有針對性的防治對策和措施。
(1)應采取有效措施,對采空區實施均壓。對采空區進行控制性抽放,平衡尾巷通風負壓是解決采空區瓦斯異常涌出的最有效措施。但采空區抽放對防治自然發火非常不利,所以抽放期間應加強采空區一氧化碳和溫度等監測監控工作。
(2)加強地表堵漏工作,加強采空區的封閉質量,盡可能減少采空區漏風。由于采空區瓦斯沿密
閉向尾巷涌出基本是均勻且采空區是連通的,具有管道效應。僅采取部分密閉堵漏方法降低采空區瓦斯涌出效果較差,因此應全面提升密閉規格和質量。
(3)提高工作面回采率,盡量減少采空區遺煤,降低采空區殘存瓦斯量。
作者簡介:郭凡進(1965-),男,1987年畢業于焦作礦業學院采礦專業,工程碩士,高級工程師,現任神華集團神東煤炭分公司安監局通風處副處長,中煤勞保科技學會通風、瓦斯防治專業委員會委員,長期從事煤礦通風、瓦斯防治和煤礦安全監察工作,曾獲省部級科技進步獎一、三等獎3項,市級科技進步獎6項。
(收稿日期:2005-09-08;責任編輯:王福厚)
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技術資料如下:
開始反應的時間: 15~20 s
反應的延續時間: 3~4 min
反應溫度: 98℃
發泡系數: 1
最終的狀態: 半硬—彈性的
抗壓強度極限: 50 MPa
摘自 《УГОЛЬ》 2005 No.5
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