高位巖漿巖條件下瓦斯運(yùn)移通道發(fā)育特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

徐傳偉 蔣金泉 張培鵬 孔 朋 劉緒峰 張國龍

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省泰安市，271000 ；3.山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東省泰安市，271000)

★ 煤礦安全 ★

高位巖漿巖條件下瓦斯運(yùn)移通道發(fā)育特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

徐傳偉1蔣金泉2張培鵬3孔 朋1劉緒峰1張國龍1

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省泰安市，271000 ；3.山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東省泰安市，271000)

為研究關(guān)鍵層條件下瓦斯運(yùn)移通道發(fā)育特征，以楊柳煤礦104采區(qū)為工程背景，通過相似材料試驗(yàn)，模擬了高位巖漿巖條件下離層裂隙發(fā)育規(guī)律。研究表明：隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖裂隙逐漸向上發(fā)育，并止于巖漿巖底部；高位巖漿巖的存在對(duì)離層裂隙發(fā)育起著控制作用，巖漿巖破斷前，其底部形成大面積離層空間，為離層瓦斯的形成提供了條件；硬厚巖漿巖底部離層空間長時(shí)間大量擴(kuò)展，為離層瓦斯積聚提供了孕育空間；巖漿巖發(fā)生破斷后，離層瓦斯受強(qiáng)動(dòng)壓沖擊作用，通過斷裂裂隙突涌至工作面或采空區(qū)內(nèi)，造成瓦斯突涌事故。通過離層注漿、抽采離層瓦斯等措施防治硬厚巖層下瓦斯突涌。

高位巖漿巖 相似模擬 離層裂隙 瓦斯突涌

離層裂隙是煤巖體內(nèi)瓦斯流動(dòng)的主要通道，研究瓦斯運(yùn)移通道發(fā)育及瓦斯運(yùn)移特征對(duì)瓦斯防治具有重要的意義。長期以來許多學(xué)者對(duì)覆巖離層裂隙發(fā)育、瓦斯運(yùn)移特征進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)高位主關(guān)鍵層條件下覆巖離層裂隙和瓦斯運(yùn)移特征研究較少。本文以楊柳煤礦104采區(qū)煤系地層覆巖特征為試驗(yàn)背景，通過相似材料模擬試驗(yàn)直觀地研究了高位巖漿巖條件下瓦斯運(yùn)移通道發(fā)育和瓦斯運(yùn)移規(guī)律特征，對(duì)防治瓦斯突涌具有一定的指導(dǎo)意義。

1 相似材料模擬試驗(yàn)的建立

為研究高位巖漿巖條件下瓦斯通道形成過程及發(fā)育規(guī)律，以楊柳煤礦104 采區(qū)煤系地層覆巖賦存特征及其巖石力學(xué)參數(shù)為參考，按照相似理論構(gòu)建相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究瓦斯運(yùn)移通道的形成過程及發(fā)育規(guī)律。根據(jù)相似理論確定本次試驗(yàn)相似比，模型采用的幾何相似比Cl=1/200,彈性模量相似比CE=1/300，強(qiáng)度相似比Cσ=1/300，泊松比Cu=1。相似模型的覆巖名稱及主要參數(shù)見表1。

模擬試驗(yàn)臺(tái)框架尺寸為3 m×0.4 m×2.1 m，實(shí)際鋪設(shè)高度為1.8 m。模擬地層原型的開采煤層厚度8 m，上覆高位巖漿巖厚度為60 m，距開采煤層的層間距為80 m。模型總厚度為1452 mm，通過施加鐵塊實(shí)現(xiàn)未鋪設(shè)巖層的載荷，試驗(yàn)過程中施加鐵塊的總質(zhì)量為500 kg。上覆巖層主要由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層及巖漿巖等巖性組成，各巖層之間用云母粉分層，反映相鄰巖層之間的層面效應(yīng)。開挖過程中，為消除邊界效應(yīng)，模型兩側(cè)各留設(shè)250 mm邊界煤柱，開挖過程從右側(cè)向左側(cè)推進(jìn)。所建模型如圖1所示。

表1 模型巖層參數(shù)及配比

為方便觀察上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況，在煤層上方布置5條檢測線，其中關(guān)鍵層下方布置4條，關(guān)鍵層上方布置1條。檢測線和監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。開采過程中采用照相方法和尼康 Nivo 2.M 免棱鏡全站儀配合三腳架分別對(duì)覆巖離層裂隙和覆巖位移情況進(jìn)行記錄和測量。

圖1 相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 巖漿巖破斷前后瓦斯運(yùn)移通道的發(fā)育規(guī)律

在模型開挖過程中，受采動(dòng)影響上覆巖層彎曲變形，隨著工作面的推進(jìn)離層裂隙發(fā)育過程如圖2所示。

工作面自開切眼處逐漸向前推進(jìn)，當(dāng)懸露面積到達(dá)直接頂?shù)臉O限跨距時(shí)，直接頂隨之垮落，基本頂懸露在采空區(qū)上方。當(dāng)工作面推進(jìn)至70 m時(shí)，如圖2(a)所示，基本頂懸露跨度到達(dá)極限，基本頂發(fā)生斷裂，形成鉸接的傳遞巖梁結(jié)構(gòu)，在上部巖層中形成較小的離層空間。在工作面開采前期，上覆巖層發(fā)生破斷和彎曲下沉，此時(shí)由于工作面推進(jìn)距離較小，覆巖發(fā)育高度未到達(dá)巖漿巖底部，覆巖的破斷運(yùn)移規(guī)律與無關(guān)鍵層條件下的覆巖破斷規(guī)律一致。

當(dāng)工作面推進(jìn)至160 m處時(shí)，如圖2(b)所示，離層首次發(fā)育至巖漿巖底部，在其底部形成大面積的離層空間，離層橫向跨度為66 m，離層空間高度為4.6 m。采空區(qū)中部破碎巖石逐漸壓實(shí)，此時(shí)高位巖漿巖未發(fā)生任何彎曲下沉現(xiàn)象。距煤層較近的破碎帶內(nèi)，裂隙貫通巖層；上部斷裂帶內(nèi)裂隙主要以貫穿裂隙和較小的離層空間為主；巖漿巖底部的彎曲下沉帶內(nèi)雖然存在裂隙，但裂隙并未完全貫通巖層。

圖2 離層裂隙發(fā)育情況

高位關(guān)鍵層的存在將會(huì)對(duì)離層裂隙的發(fā)育起到控制作用,在高位巖漿巖初次破斷前，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，離層高度在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)繼續(xù)向上方發(fā)育，離層空間隨著工作面的推進(jìn)增大。當(dāng)工作面由260 m推進(jìn)到290 m時(shí)，離層跨度由116 m增加到134 m，巖漿巖懸露面積增大，彎矩逐漸變大，此時(shí)巖漿巖發(fā)生輕微彎曲下沉，底部產(chǎn)生微小的破斷裂隙，離層高度由5 m減小到4 m，如圖2(c)～2(d)所示。工作面推進(jìn)至330 m處時(shí)，如圖2(e)所示，離層空間高度減小到1 m，離層空間逐漸減小，巖漿巖底部破斷裂隙逐漸增大，在巖漿巖兩側(cè)出現(xiàn)微小的破斷裂隙。

當(dāng)工作面推進(jìn)到340 m時(shí)，巖漿巖破斷失穩(wěn)，巖漿巖及其上覆巖層快速破斷下沉，巖漿巖下部離層空間迅速閉合，下方巖層被壓實(shí)，離層裂隙發(fā)育至頂部巖層。

由圖2可知，縱向裂隙自開切眼處隨著工作面的推進(jìn)逐漸前移。當(dāng)工作面逐漸推進(jìn)，中部采空區(qū)巖石逐漸壓實(shí)，裂隙主要分布在工作面上方和開切眼處的巖層破斷處，貫穿裂隙主要分布在斷裂帶內(nèi)，彎曲下沉帶內(nèi)裂隙并未完全貫穿巖層，當(dāng)高位巖漿巖破斷后，裂隙發(fā)育至頂部巖層。

3 瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究

離層裂隙是瓦斯運(yùn)移的主要通道，巖漿巖發(fā)生破斷前，離層空間內(nèi)存在的負(fù)壓真空吸引力較大。在真空負(fù)壓和瓦斯物理性質(zhì)的作用下，煤層開采過程中釋放的瓦斯和采空區(qū)內(nèi)殘存的瓦斯通過四周的斷裂裂隙和離層大量匯集到高位巖漿巖下部的離層空間內(nèi)，形成離層瓦斯。瓦斯積聚運(yùn)移如圖3所示。

圖3 高位巖漿巖破斷前瓦斯運(yùn)移圖

從巖漿巖發(fā)生彎曲下沉直至巖漿巖破斷垮落，離層空間內(nèi)壓力增大，離層內(nèi)瓦斯受到強(qiáng)動(dòng)壓沖擊作用，通過縱向裂隙突涌至工作面或采空區(qū)內(nèi)造成瓦斯事故。瓦斯突涌示意圖如圖4所示。

4 瓦斯防治技術(shù)

通過上述分析可知，離層瓦斯突涌的前提條件一是大面積的離層內(nèi)積聚了大量的瓦斯，二是高位巖漿巖破斷提供了巨大的動(dòng)壓沖擊能量。因此防治瓦斯突涌的主要措施是實(shí)現(xiàn)瓦斯的充分抽采，減少離層內(nèi)瓦斯含量；其次要提前采取措施防止大面積離層空間的形成，阻止高位巖漿巖的破斷。

圖4 離層瓦斯突涌示意圖

(1)抽采離層瓦斯。通過設(shè)置地面瓦斯抽采鉆孔對(duì)離層內(nèi)瓦斯實(shí)現(xiàn)充分抽采。

(2)離層注漿?？刹捎秒x層注漿的方法，減小巖漿巖底部離層空間面積，阻止高位巖漿巖的破斷，以防巖漿巖的迅速破斷下沉對(duì)離層瓦斯產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊動(dòng)壓。

5 總結(jié)

(1)高位巖漿巖的存在，對(duì)離層的發(fā)育起著控制作用。在巖漿巖發(fā)生彎曲下沉前，巖漿巖底部離層空間隨著工作面的開采逐漸增大，為離層瓦斯的形成提供了條件。

(2)在高位巖漿巖破斷前，裂隙隨著工作面的推進(jìn)不斷前移，主要分布在工作面上方和開切眼處。當(dāng)巖漿巖破斷后，裂隙發(fā)育至頂部巖層。

(3)巖漿巖發(fā)生彎曲下沉直至破斷，將對(duì)離層瓦斯形成強(qiáng)動(dòng)壓沖擊作用，離層瓦斯則通過縱向裂隙突涌至工作面或采空區(qū)內(nèi)，造成瓦斯事故。

(4)為防止瓦斯突涌造成瓦斯事故，可以通過離層注漿的方法或設(shè)置地面瓦斯抽采鉆孔來防治瓦斯突涌。

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Studyonthecharacteristicsofgaschanneldevelopmentandgasmigrationundertheconditionofhighmagmatite

Xu Chuanwei1， Jiang Jinquan2， Zhang Peipeng3， Kong Peng3， Liu Xufeng1， Zhang Guolong1

(1. College of Mining & Safety Engineering, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control Co-Founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Tai'an, Shandong 271000, China; 3. Department of Resources and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai'an, Shandong 271000, China)

To study the development characteristics of gas migration channel under the condition of key layer, taking No. 104 mining area of Yangliu Mine as engineering background, the development law of the fractured rock seam under the condition of high magmatic rock was simulated by similar material simulation experiment. The research showed that with work face advancing, rock gradually developed, and ended up at the bottom of magmatite. High magmatite played a controlling role in fracture separation. Magmatite formed a large area of separation space, providing the conditions for the formation of gas separation before breaking at the bottom. The large expansion of bottom separation space in hard and thick magmatite provided space for the separation of gas accumulation. After magmatite was broken, separated gas gushed into work face or gob under strong dynamic pressure impact through fracture, bringing about gas outburst accidents. The gas outburst under hard rock layer could be controlled by separating layer grouting and pumping off gas separation.

high magmatic rock, similarity simulation, separation fracture, gas outburst

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374139)，山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013EEM018)

徐傳偉，蔣金泉，張培鵬等. 高位巖漿巖條件下瓦斯運(yùn)移通道發(fā)育特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究[J].中國煤炭，2017,43(12)：136-176.

Xu Chuanwei，Jiang Jinquan，Zhang Peipeng，et al. Study on the characteristics of gas channel development and gas migration under the condition of high magmatite [J]. China Coal, 2017，43(12):136-176.

TD712

A

徐傳偉(1990-)，男，山東新泰人，在讀研究生，從事礦山安全工程方面的研究。

(責(zé)任編輯 張艷華)