百功煤礦炮掘巷道煤壁瓦斯涌出規(guī)律研究

摘要：為了進(jìn)一步研究炮掘巷道煤壁瓦斯涌出規(guī)律，確定合理通風(fēng)設(shè)計(jì)和制定瓦斯防治措施。通
過(guò)測(cè)定煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度并建立經(jīng)驗(yàn)公式，研究煤壁瓦斯涌出與巷道長(zhǎng)度、暴露時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果 表明，炮掘巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)間的變化符合雙曲線關(guān)系，并得出了煤壁瓦斯涌出的極限巷 長(zhǎng)度；還根據(jù)瓦斯的不同來(lái)源和含量，將掘進(jìn)工作面風(fēng)流流動(dòng)分為3個(gè)區(qū)段，分別為折返區(qū)、風(fēng)
漉不穩(wěn)定區(qū)和風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)。
關(guān)鍵詞：煤壁；炮掘；瓦斯涌出強(qiáng)度
中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0253—2336(2008)04—0051—03
掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量主要取決于煤壁和落煤的新涌出強(qiáng)度，煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度是表示瓦斯由煤自采掘空間涌出強(qiáng)弱的物理量，通常以每平方米至單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯量來(lái)表示。眾所周知， 善的多孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成了氣體流通的通道。 璧瓦斯涌出強(qiáng)度的大小取決于煤層瓦斯壓力、煤螢孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)、煤對(duì)瓦斯的吸附性能以及空條件?

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，巷道周圍煤層瓦斯壓力平式態(tài)不斷遭到破壞，瓦斯壓力重新分布，煤層瓦
滲透性增加而形成卸壓帶。由于煤體內(nèi)部到煤壁之間存在著瓦斯壓力梯度，卸壓帶內(nèi)的瓦斯在壓力 梯度作用下沿煤體裂隙向巷道涌出，瓦斯涌出強(qiáng)度隨著煤壁暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，即煤壁瓦斯涌出要是暴露時(shí)間的函數(shù)。通過(guò)煤壁瓦斯涌出規(guī)律的研究．可以更加合理地制定瓦斯防治措施。

1 掘進(jìn)工作面風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)。

由于風(fēng)筒出口風(fēng)流至掘進(jìn)工作面快速折返，加 之掘進(jìn)設(shè)備、風(fēng)筒連接不規(guī)范及漏風(fēng)等原因，使得
風(fēng)流流動(dòng)的多向性、不穩(wěn)定性，瓦斯涌出的不均勻 性都特別明顯。為此，對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯分布情況 作了大量的現(xiàn)場(chǎng)考察，并利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出進(jìn)行了多探頭、定點(diǎn)與不定點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，盡管每次測(cè)定分布情況略有差別，但總的分布趨勢(shì)是一致的。掘進(jìn)工作面20 m范圍內(nèi)某一次瓦斯?jié)舛确植记€如圖1所示。受風(fēng)流、瓦斯來(lái)源的影響，從掘進(jìn)工作面向外大致可分為3個(gè)區(qū)段，分別為折返區(qū)、風(fēng)流不穩(wěn)定區(qū)和風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)。第一區(qū)段為距掘進(jìn)工作面3 m內(nèi)的區(qū)域，該區(qū)段由于落煤和新暴露煤壁大量釋放瓦斯，是掘進(jìn)工作面瓦斯的最主要來(lái)源，風(fēng)筒吹出風(fēng)流遇掘進(jìn)工作面煤壁迅速折返；第二區(qū)段在距工作面3～8 m內(nèi)區(qū)域，這個(gè)范圍內(nèi)為暴露時(shí)間較短的新煤壁，瓦斯仍在大量釋放，是瓦斯的次要來(lái)源；第三區(qū)段則在距工作面8m以外，風(fēng)流瓦斯趨于穩(wěn)定，且瓦斯擴(kuò)散后分布均 勻，由圖1看出瓦斯等濃度曲線分布均勻，這一區(qū)段匯集了整個(gè)工作面的瓦斯，瓦斯量是最大的。

2煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度測(cè)定方法
為了確定百功煤礦炮掘工作面煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，利用巷道測(cè)定法對(duì)百功煤礦
1602運(yùn)輸巷炮掘工作面煤壁的瓦斯涌出強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究。巷道測(cè)定法特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，且測(cè)定不影響生產(chǎn)，但要求測(cè)定較多的數(shù)據(jù)，否則易產(chǎn)生誤差。 ’
測(cè)定步驟如下：
1)在正常掘進(jìn)的煤巷中，沿掘進(jìn)方向布置A， B，c和D四個(gè)測(cè)站，如圖2所示。測(cè)定各測(cè)站巷
道斷面積，確定各相鄰測(cè)站問(wèn)暴露煤壁面積和設(shè)站時(shí)煤壁平均暴露時(shí)間。

2)定時(shí)同時(shí)測(cè)定各相鄰測(cè)站的風(fēng)量和瓦斯?jié)舛?測(cè)定選擇在工作面清完煤后進(jìn)行)。 在巷道高度矗不小于平均煤厚的條件下，各相鄰測(cè)站問(wèn)在對(duì)應(yīng)的暴露時(shí)間下單位面積煤壁瓦斯涌
出量可用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中 q_i——相鄰測(cè)站間單位面積煤壁瓦斯涌出量，m³/(m².min)
si，s…——第i，i+1個(gè)測(cè)站巷道斷面積，m一
K，K+，——第i，i+1個(gè)測(cè)站巷道斷面上的平島風(fēng)速，m2／min；
c，，c?！趇，i+1個(gè)測(cè)站巷道斷面上的平均瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％；
m。，——第：個(gè)與第i+1個(gè)測(cè)站間的平均煤厚，m；
L——第i個(gè)與第i+1個(gè)測(cè)站間的距離．
m。
3)每隔3～5 d重復(fù)步驟2)，持續(xù)測(cè)定一段時(shí)間。根據(jù)累積得到各相鄰測(cè)站間在不同的暴露露間f，下的單位面積煤壁瓦斯涌出量g。。

3 測(cè)定數(shù)據(jù)的整理和經(jīng)驗(yàn)公式的建立
利用上述方法對(duì)百功煤礦M16煤層1602運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時(shí)間關(guān)系連行了實(shí)測(cè)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到各測(cè)站的巷道斷面積，單位面積煤壁瓦斯涌出量、巷道掘進(jìn)時(shí)間等數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將結(jié)果匯總于表1。掘進(jìn)工作面煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，百功煤礦炮掘工作面瓦斯涌 出強(qiáng)度與暴露時(shí)間的關(guān)系近似為雙曲線，在復(fù)對(duì)數(shù)
坐標(biāo)系中這種關(guān)系為線性關(guān)系。因此，煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度與暴露時(shí)間的關(guān)系可表示為如下形式：
q₂= q₀/(1+t)^a
式中 q：——1+t時(shí)間后，煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度m³／(m²•d)；
q_o ——t=0時(shí)的煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，且口瓦斯涌出初速度，m。／(m。•d)；
t——煤壁的平均暴露時(shí)間，d
a——衰減系數(shù)。

￡中，m為正數(shù)。
將式(4)、式(5)聯(lián)立求解，即可求出q₀乏理值。同時(shí)運(yùn)用最小二乘法，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、負(fù)指數(shù)回歸和雙曲線回歸等3種基本形式，然后求出衡量各回歸相關(guān)系數(shù)大小的標(biāo)準(zhǔn)差．驗(yàn)證所確定的經(jīng)驗(yàn)公式形式。用雙曲線回歸得出．q₀=4．943 m³／(m²•d)，a=0．658 1，則百功煤礦N16煤層炮掘工作面煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度可表示為：
q₂=4．943(1+t) ^-0.6581 (6)
4.巷道長(zhǎng)度、暴露時(shí)間與煤壁瓦斯涌出的關(guān)系
巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)問(wèn)的延長(zhǎng)而降低，煤壁瓦斯排放過(guò)程在理論上講是無(wú)限的，但實(shí)際上．經(jīng)歷一定暴露時(shí)間后，連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)某極限值后巷道瓦斯涌出量保持最大穩(wěn)定值。巷道煤體內(nèi)的瓦斯大部分在煤壁暴露后幾個(gè)月內(nèi)涌出，表2為根據(jù)式(6)計(jì)算的不同暴露時(shí)間內(nèi)煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度占初始瓦斯涌出強(qiáng)度的比例。

計(jì)算表明，在掘進(jìn)巷道的1個(gè)月的瓦斯涌出總 量就占煤壁瓦斯極限涌出量的80％以上。對(duì)于炮
掘工作面而言，由于放炮作用，煤壁破壞嚴(yán)重，煤 壁瓦斯涌出初始強(qiáng)度大、衰竭速度快，一般當(dāng)巷道 暴露時(shí)間為3～4個(gè)月時(shí)，掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)180～240 m，巷道煤壁瓦斯涌出量達(dá)到最大值，巷道長(zhǎng)度再 增加時(shí)，煤壁瓦斯涌出量基本趨于穩(wěn)定。
圖4為煤壁瓦斯涌出量隨暴露時(shí)間和掘進(jìn)長(zhǎng)度
的變化關(guān)系曲線。


和掘進(jìn)長(zhǎng)度的變化關(guān)系曲線

影響掘進(jìn)巷道瓦斯涌出最大穩(wěn)定值的極限長(zhǎng)度L_max由下式確定：
L_max=tv／30 (7)
式中．r為巷道平均月掘進(jìn)速度，m／月；t為90～ 120d：
通過(guò)在百功煤礦1602運(yùn)輸巷的實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)，隨著巷道長(zhǎng)度的增加，煤層暴露面積的增多，瓦斯涌出量也相應(yīng)增大，當(dāng)掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，瓦斯涌出量保持最大穩(wěn)定值。

5結(jié) 語(yǔ)
1掘進(jìn)巷道風(fēng)流流動(dòng)從掘進(jìn)工作面往外可為 爭(zhēng)區(qū)段=折返區(qū)，距工作面3 m內(nèi)的區(qū)域，該區(qū)
域由于落煤和新暴露煤壁大量釋放瓦斯，是巷道瓦斯的重要來(lái)源；風(fēng)流不穩(wěn)定區(qū)，距工作面3～8 m強(qiáng)區(qū)域，為暴露時(shí)間較短的新煤壁，是瓦斯的次要 來(lái)源；風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)則在距工作面8 m以外，風(fēng)流瓦斯趨于穩(wěn)定，該區(qū)段匯集了全工作面的瓦斯，瓦斯量是最大的。

2，通過(guò)對(duì)百功煤礦1602炮掘工作面瓦斯涌出 過(guò)程進(jìn)行研究，得出了炮掘巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度
隨時(shí)問(wèn)的變化規(guī)律，其關(guān)系符合雙曲線函數(shù)，實(shí)測(cè) 結(jié)果為：g₂=4．943(1+t) ^-0.6581

3)通過(guò)考察炮掘巷道煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度隨時(shí)問(wèn)的情況，得出了煤壁瓦斯涌出的極限巷道長(zhǎng)度，影響炮掘巷道瓦斯涌出量最大穩(wěn)定值的極限長(zhǎng)度由式(7)確定。
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『41 周世寧，林柏泉．煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M]．北京煤炭工業(yè)出版社，1999．

作者簡(jiǎn)介：仇海生(1979一)，男，江辦射陽(yáng)人，工程師，煤 炭科學(xué)研究總院安全技術(shù)及工程專業(yè)碩士研究生，一直從事礦井瓦斯安全科研工作。Tel：024—241 17121，E—mail：jetqiu@126．com