张纪虎

(潞安化工集团有限责任公司 能源事业部通风部，山西 长治 046000)

1 工程概况

山西某煤矿地处沁水煤田东侧边缘区域，井田地形多为小丘陵地带，整体较平坦，部分区域存在断层等地质构造。矿区内有多个含煤地层，其中3号煤层结构单一。煤质较好，为目前主采煤层，埋深400～500 m，厚度约为5～6 m。

根据相关测定结果，该煤矿3号煤层瓦斯含量在4～23 m3/t之间，平均12 m3/t，平均瓦斯压力为0.62 MPa，煤层瓦斯透气性较差(0.015×10-3～0.106×10-3μm2)，存在突出危险。该矿某备采工作面采用Y型通风设计，为准确掌握该工作面煤层瓦斯涌出量的分布规律，本文对工作面的瓦斯涌出量进行了研究，研究成果可为该工作面的瓦斯治理工作提供参考。

2 测定方法与结果

本文采用单元划分测定方法对目标工作面的瓦斯浓度进行监测[1-2]。单元测定法根据监测方案将监测区域划分为若干区域，根据划分区域布置测站及传感器，监测各个单元空间内的瓦斯浓度分布及各空间断面的瓦斯涌出量大小，通过对监测结果的分析计算，可得出整个工作面不同瓦斯涌出源的瓦斯涌出量[3-4]。

2.1 测定原理与方案

根据目标监测工作面的实际特点，将工作面沿倾向划分成15个单元空间，每个单元空间的两端都由1个测站分隔，测站可监测其所在位置处的瓦斯浓度及进出断面的气流流量。测站从胶顺侧至进顺侧编号由小到大，具体如图1所示。各个测站内布置有多个传感器，其空间布置位置如图2所示。

图1 Y型综放面监测单元划分

图2 测点布置

受采动影响，流经工作面的瓦斯来源比较复杂，通常由煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出等来源构成，其组成成分来源见图3。根据单元测定的思想，其单个单元空间内的瓦斯涌出量满足下式：

式中：Qin为进入测定单元的气流量；Qout为离开测定单元的气流量；Q1为本测定单元内从采空区进入的气流量；qg为本测定单元内从采空区进入的瓦斯量；qf为本测定单元内从煤层、煤壁进入的瓦斯量；c1为漏风中的瓦斯浓度；cout、cin为进入和离开本测定单元的瓦斯浓度。通过各个测定单元的监测数据，结合单元测定法的计算方法，通过计算分析可以得到不同来源的瓦斯涌出量分布情况。

图3 瓦斯平衡和风量平衡计算示意

2.2 测定步骤

1) 根据工作面的具体参数，将工作面沿倾向方向上划分成15个监测单元，每个单元空间的两端都布置测站，测站内布置有瓦斯浓度传感器及风速传感器等。

2) 读取并记录进入和离开每个测定单元空间的气流量。

3) 读取并记录各个测定单元空间两段测站内的各个传感器的瓦斯浓度。

4) 为了提高监测结果的准确度，监测结果取一段时间结果的算术平均值。

5) 在大量监测数据的基础上，运用瓦斯涌出量计算公式对不同来源瓦斯涌出量进行计算。

2.3 现场实测结果

运用单元测定方法对该煤矿Y型通风工作面的瓦斯涌出量进行测定，具体数据见表1。

表1 瓦斯涌出量相关数据

3 瓦斯分布规律分析

3.1 横向瓦斯浓度分布规律

图4为测站1至测站5不同位置处瓦斯浓度的分布情况，可以看出横向方向上瓦斯浓度呈明显的“U”型分布状态，煤壁与采空区方向的瓦斯浓度相对较高，而立柱、人行道、落煤区域处的瓦斯浓度相对较低，其中立柱位置处瓦斯浓度分布最低。这是由于工作面中，前方煤壁及采空区中都是工作面瓦斯的主要来源，且工作面气流受到滑脱效应的影响，工作面中心位置处的气流速度最大，靠近四周位置处的气流流速较小，因此造成工作面四周位置处的瓦斯浓度较高。此外，测站1至测站5距离胶带巷位置较近，正好位于巷道相交的拐角位置，气流流速大，可以将立柱与人行道等位置处的瓦斯充分稀释带走。相比于测站1，其余测站各个位置处的瓦斯浓度都有所上升，尤其是在采空区、立柱、煤壁等位置。究其原因，一方面是受气流的相互作用，工作面部分位置出现漏风现象；另一方面是测站1至测站5这一区间内的煤壁与采空区中有新的瓦斯涌出，因此产生工作面瓦斯浓度逐渐升高的现象。

图4 瓦斯平衡和风量平衡计算示意

图5为测站6至至测站10中不同位置的瓦斯浓度分布情况，与测站1至测站5的监测结果类似，其瓦斯浓度分布呈两边高、中间低的特点。其中，测站6至测站10中煤壁侧的瓦斯浓度最高，占全部瓦斯含量的32%，远高于其他位置处的瓦斯浓度，立柱与人行道处瓦斯浓度最低，只占全部瓦斯含量的13%和14%，而落煤处由于瓦斯解析等原因，其瓦斯浓度略高于人行道与立柱处。

图5 瓦斯平衡和风量平衡计算示意

图6为测站11至测站15处的瓦斯浓度监测结果，其整体趋势呈现为两侧高中间低的“马鞍形”，煤壁位置和采空区位置处的瓦斯浓度最高，立柱及人行道处的瓦斯浓度最小。此外，从监测数据的绝对值来看，测站1至测站5、测站6至测站10及测站11至测站15这3个测量区间中，其同一位置处的瓦斯浓度测量结果是逐渐增大的，一方面是由于工作面前方煤壁与后方采空区中瓦斯不断涌出；另一方面是工作面中作业机械占据空间，导致气流流速逐渐变小的缘故。

图6 采煤工作面下部横断面瓦斯浓度分布

3.2 沿工作面倾向瓦斯浓度分布规律

图7为工作面不同倾向长度位置处的瓦斯浓度分布情况。从图中可以看出，在倾向方向上，工作面从进风侧至出风侧瓦斯浓度都呈现出逐渐升高的趋势，其中在工作面靠近进风侧，增加速率较低，为缓慢增加，越远离工作面进风侧，其瓦斯浓度上升速率越快。而在不同测点中，可以直观地看出，煤壁位置处的瓦斯浓度最高，而采空区侧的瓦斯浓度次之，这两个位置都属于工作面横向方向上瓦斯浓度相对较高的位置。

图7 沿工作面倾向瓦斯浓度分布

通过井下对检修班与生产班中瓦斯浓度的监测结果，结合送风量及上隅角瓦斯浓度可以对不同来源的瓦斯浓度进行分析。监测结果显示，煤壁瓦斯涌出量占整个单元体瓦斯总涌出量的32.6%，落煤的瓦斯涌出量占整个单元体瓦斯总涌出量的50.7%.现场实测采空区的瓦斯涌出量占总涌出量的16.7%.

3.3 沿空留巷瓦斯与氧气浓度变化

为了监测Y型通风沿空留巷内部氧气和瓦斯浓度的变化规律，在沿空留巷内定点布置1条瓦斯抽采管，使其深入采空区内2 m。

图9 沿空留巷内瓦斯与氧气浓度变化

图9为工作面沿空留巷段在工作面不同推进位置处的瓦斯浓度与氧气浓度变化情况。从图中可以直观观察到，随着工作面的推进，沿空留巷段的瓦斯浓度呈现出明显的不断升高的趋势，在工作面推进400 m左右时，瓦斯浓度在1.8%左右，当工作面推进至800 m时，瓦斯浓度升高至8%左右，且其升高的速率逐渐增大，至700 m左右时才逐渐放缓。一方面受采空区漏风的影响，另一方面是工作面煤壁和落煤中瓦斯不断解析涌出造成的。沿空留巷段的氧气体积分数随工作面的回采不断降低，工作面回采200 m时，其氧气浓度为19.5%左右；当工作面回采600 m时，氧气浓度衰减至17%左右；当工作面回采至800 m左右时，氧气浓度衰减至14.5%左右。其主要原因是煤体中及采空区中的瓦斯不断向工作面涌入，将氧气置换并稀释了。

4 结 语

根据某Y型通风工作面的实际工程特点设计测定方案，通过单元测定法对该工作面的瓦斯涌出情况进行了测定分析，得出工作面瓦斯在横向、倾斜及沿空留巷段中的分布规律。结果显示，煤壁瓦斯涌出量占整个单元体瓦斯总涌出量的32.6%，落煤的瓦斯涌出量占整个单元体瓦斯总涌出量的50.7%.现场实测采空区的瓦斯涌出量占总涌出量的16.7%.研究结果可为该工作面的瓦斯治理工作提供参考。