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瓦斯是煤矿五大灾害之一,瓦斯事故是我国煤矿最严重的事故之一。本文通过对国内外采煤工作面瓦斯治理的研究现状、发展趋势及存在问题的分析,结合中梁山南矿回采工作面瓦斯治理的问题,采用理论分析和现场实测相结合的研究方法,对急倾斜近距离薄煤层群回采工作面及其采空区瓦斯涌出及瓦斯浓度分布进行定性定量分析,寻求回采工作面的瓦斯运移规律,根据研究得出的规律,再到现场瓦斯治理中进行检验,进一步修正和完善所得出的规律,进而制定出有效的瓦斯综合治理措施。通过有效的瓦斯综合治理措施,对回采工作面瓦斯进行治理,从而消除制约急倾斜近距离薄煤层群回采工作面安全高效的这一重要因素,使回采工作面充分发挥其生产能力,实现真正意义上的安全高效。
本文首先介绍了中梁山南矿的基本情况,针对中梁山南矿特殊的、复杂的地质构造条件,从瓦斯地质和开采技术条件两个方面研究论述了影响瓦斯涌出及运移规律的主要因素(但由于受客观条件、科技装备及认知水平的限制,各因素之间的相互关系未能研究)。通过对影响瓦斯赋存的地质条件的分析,认识到瓦斯的形成和保存、运移与富集同煤层赋存的地质条件密切相关,并受到地质条件的制约。对于不同区域、不同煤层或块段,影响瓦斯赋存的地质条件存在着差异,起主导作用的因素也有区别。同时根据对影响瓦斯运移规律的开采技术进行研究,得到了回采工作面配风与采空区瓦斯涌出量的关系;工作面推进速度与采空区的绝对瓦斯涌出量以及采空区的相对瓦斯涌出量的相互关系;均压技术在控制采空区瓦斯涌出及抽放采空区瓦斯等方面的应用。认识到通风系统对采空区瓦斯涌出量大小、瓦斯涌出路径等都有较大的影响,对于采空区瓦斯涌出量较大的工作面,在通风系统设计时应考虑使其有利于采空区或下隅角瓦斯治理。同时,工作面采用下行通风,可以降低进、回两侧的压差,减小采空区漏风,有利于防止下隅角瓦斯积聚。
其次,分析了瓦斯在正常井巷风流中的主要运移扩散方式,然后论述了分段测定法测定回采工作面瓦斯分布的方法原理,并根据现场实测数据对回采工作面的瓦斯在垂直煤壁方向和倾斜方向上的分布规律进行了分析,得出如下结论:在回采工作面倾斜方向上,在工作面上半部,只有煤壁、顶板和落煤涌出瓦斯,风流由工作面漏入采空区,瓦斯浓度由煤壁向采空区迅速减小;在工作面下半部分,存在煤壁、顶板、落煤瓦斯涌出的同时,由于漏风方向由采空区漏入工作面,造成采空区也有瓦斯涌出,瓦斯浓度由煤壁至采空区由大到小、再到大,呈一倒“马鞍”形。在垂直煤壁方向上,采面瓦斯浓度从进风侧至回风侧逐渐增大。进风到采面中部范围内瓦斯浓度变化不大,采面中部到回风下隅角瓦斯浓度增加较快,尤其是靠近回风侧30m范围内瓦斯浓度较高。最后阐述了在回采工作面由于受各种因素影响,在瓦斯的分布规律上,存在着不均衡性。
第三,通过理论分析、现场实际测定、考察和历史资料统计,得出回采工作面采空区瓦斯涌出及浓度分布规律。采空区瓦斯主要来源于上下邻近层、丢煤、未采分层及围岩的瓦斯涌出。沿工作面走向方向上,采空区距工作面20-30m范围内,瓦斯浓度变化不明显,浓度在10%上下波动;采空区距工作面30-50m之间时,瓦斯浓度逐渐增大;根据对中梁山南矿回采面采空区瓦斯浓度在空间上分布考察,确定了回采面采空区瓦斯抽放的最佳位置是采空区距工作面60-80m左右。通过对1482下、1220-1下工作面的抽放效果实测,1482下工作面钻孔终孔位置在75m时效果最佳,而1220-1下工作面终孔位置在67m时抽放效果最好。沿采空区垂直高度方向,顶板处瓦斯浓度比底板处瓦斯浓度高;如进行采空区瓦斯抽放,抽放管管口应尽量靠近采空区的顶板。沿工作面倾向斜方向,在距离工作面较近区域,由于采空区漏风流流动对瓦斯的运移作用,从进风侧向回风侧方向,瓦斯浓度逐渐增大。距工作面较远的采空区深处,采空区风流速度较小,对瓦斯运移作用微弱,采空区的瓦斯浓度在宽度方向上两侧的差别不大。由于采空区瓦斯涌出,致使工作面下隅角处瓦斯积聚严重(甚至10%以上),故应加强采空区瓦斯抽放,以消除瓦斯隐患,确保安全生产,从有利于下隅角瓦斯治理的角度看,在距工作面40m左右进行抽放,既可抽放采空区深部的瓦斯,又可改变靠近工作面的采空区内的漏风流,因此对解决下隅角瓦斯最有利。提出了两种可行的估算采空区瓦斯涌出量的方法,分别为老顶来压前后采面瓦斯涌出量变化法和做图法。
第四,通过理论分析,建立了同采工作面采场瓦斯运移的数学模型,为利用计算机对瓦斯运移进行模拟奠定基础。
第五,利用采煤工作面的瓦斯运移规律,对中梁山南矿各回采面进行瓦斯治理,在实践基础上得出以下研究结果:
在对回采工作面的瓦斯治理上,采用瓦斯抽放、改变工作面的通风系统、采用下行通风、设置临时通风设施等,均对工作面及其下隅角瓦斯的治理有较好的效果,但每种措施均有其适宜的使用条件。在使用过程中,必须矿井现场实际,形成治理瓦斯的最佳方案才能取得最好的治理效果,从而防止瓦斯事故的发生。
第六,本文的创新点:一是根据回采工作面的现场实际,分别对工作面、采空区和下隅角按照不同的方法和各处瓦斯涌出及浓度分布测定,在对实测数据进行分析时,针对三者存在的不同点与联系,采取了独立分析与综合分析相结合的分析方式。二是提出对回采工作面标本兼治的综合瓦斯治理方法。
本文中所论述的回采工作面瓦斯运移规律及瓦斯综合治理方法可供在条件类似的工作面瓦斯治理时参考和借鉴。
但由于认知水平和理论水平的欠缺,受现场客观条件和科技装备不足的限制,以下问题需进一步研究。
(一)影响回采工作面瓦斯涌出的地质条件及开采技术各因素之间的相互关系研究。
(二)回采工作面采场瓦斯运移数学模型的计算机程序。
(三)对回采工作面的瓦斯治理,采用瓦斯抽放、改变工作面的通风系统、采用下行通风、设置临时通风设施等技术措施如何配合,形成治理瓦斯的最佳方案,需进一步研究。