大采高工作面采動(dòng)圍巖活動(dòng)與瓦斯涌出關(guān)系

何福勝 ，畢建乙 ，孫 亮

（1.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 太原 030000；2.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁033602；3.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

由于大采高工作面具有開采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度快等特點(diǎn)[1]，開采后將會(huì)導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力發(fā)生很大變化并進(jìn)行重新分布，這樣在工作面不同范圍與空間內(nèi)的煤巖體將發(fā)生大變形和大面積破壞，在采場應(yīng)力的作用下覆巖和煤體將產(chǎn)生新的裂隙和裂縫，并逐漸發(fā)育完全構(gòu)成一個(gè)相互貫通的網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重影響工作面不同范圍與區(qū)域的瓦斯賦存與運(yùn)移[2]。因此對高瓦斯大采高工作面采動(dòng)圍巖活動(dòng)與瓦斯涌出之間的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行研究具有重要意義[3]。國內(nèi)學(xué)者對采動(dòng)活動(dòng)與瓦斯涌出二者之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并取得十分豐富的成果[4-6]。但目前國內(nèi)對大采高開采條件下的礦壓顯現(xiàn)[7-8]、覆巖控制[9-10]及瓦斯涌出變化[10-11]三者之間相互影響規(guī)律的研究相對較少?；诖?，在現(xiàn)場實(shí)測的基礎(chǔ)上[12]，研究高瓦斯大采高工作面采動(dòng)過程對瓦斯涌出的影響規(guī)律。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省興縣縣城北50 km處嵐漪河兩側(cè)，隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)，屬于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)，主采煤層為8#、13#煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積為88.6 km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式，8#煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度為4.70 m，傾角為 7.5°～11.4°，平均 9.4°。8#煤為自燃煤層，最短自然發(fā)火期為63 d，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細(xì)粒砂巖。8#煤透氣性系數(shù)為0.014 16 m2/（MPa2·d），為低透性煤層。

8#煤18205工作面位于12采區(qū)輔助運(yùn)輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實(shí)煤區(qū)。工作面標(biāo)高為+520～+584 m，可采走向長度為2 800 m，傾斜長為264 m，工作面支架共計(jì)157臺(tái)，采用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行回采，長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，平均推進(jìn)速度3.2 m/d；采用“U”型通風(fēng)方式，根據(jù)掘進(jìn)資料，最大絕對瓦斯涌出量為0.88 m3/min，局部煤巖層裂隙瓦斯富集，預(yù)計(jì)回采過程中，局部瓦斯涌出量較大。目前工作面瓦斯涌出量為14.15 m3/min，工作面、上隅角瓦斯?jié)舛容^大，嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)速度。

2 采場周期來壓與瓦斯涌出關(guān)系

2.1 周期來壓監(jiān)測

工作面液壓支架的支護(hù)阻力是采場礦壓顯現(xiàn)最為直觀和便于監(jiān)測的重要參數(shù)。因此，在斜溝煤礦18205工作面利用KBJ-2004B型礦用多功能監(jiān)測系統(tǒng)，對18205工作面液壓支架分3組安設(shè)壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓支架的支護(hù)阻力，另外從機(jī)頭1#架至機(jī)尾分別安裝1#～5#分站，實(shí)時(shí)監(jiān)測瓦斯?jié)舛葋硌芯抗ぷ髅嫱咚褂砍鲆?guī)律。依據(jù)液壓支架阻力變化規(guī)律，得到18205工作面周期來壓步距及來壓強(qiáng)度，具體工作面來壓情況見表1。

通過表1得到18205工作面基本頂初次來壓步距約為28 m，動(dòng)載系數(shù)為1.65 2；周期來壓步距為20.36 m，動(dòng)載系數(shù)為1.53。

2.2 礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出的關(guān)系

在整個(gè)監(jiān)測階段，18205工作面共發(fā)生6次周期來壓現(xiàn)象，其中第4次礦壓顯現(xiàn)最為明顯，此時(shí)液壓支架工作阻力與工作面絕對瓦斯涌出量變化關(guān)系最為典型（圖1）。

表1 工作面來壓情況

圖1 支架支護(hù)阻力與瓦斯?jié)舛茸兓€

現(xiàn)場觀測工作面頂板來壓期間礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，18#～77#液壓支架之間片幫嚴(yán)重，片幫深度達(dá)到0.9～1.1 m，支架壓力升高2.2倍，最大增加2.83倍，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬?.54倍，最大增到2.92倍。

由圖1發(fā)現(xiàn)，采動(dòng)應(yīng)力顯著影響著工作面的瓦斯絕對涌出量，當(dāng)工作面開采到28 m時(shí)，煤層直接頂板開始破裂垮落，實(shí)測18205工作面風(fēng)排瓦斯量明顯增大，由18.92 m3/min升高至23.64 m3/min，工作面的絕對瓦斯涌出量是煤層頂板未發(fā)生破壞垮落前的1.25倍；當(dāng)開采距工作面切眼53 m，此時(shí)測定風(fēng)排瓦斯涌出量顯著升高，由28.57 m3/min增加至約33.75 m3/min，18205工作面絕對瓦斯涌出量頂板周期來壓時(shí)刻是周期來壓之前的1.24倍。在整個(gè)推進(jìn)過程內(nèi)，工作面在首次來壓和周期來壓之前，瓦斯涌出量相對減小；而來壓結(jié)束后，瓦斯涌出量開始顯著升高，且工作面周期來壓略超前于瓦斯涌出量峰值的出現(xiàn)1個(gè)班左右。

工作面周期來壓期間，液壓支架支護(hù)阻力的升高與瓦斯涌出量升高在時(shí)間上具有很好的一致性，即隨著頂板壓力加大即礦壓顯現(xiàn)明顯時(shí)，工作面瓦斯涌出量隨之升高；當(dāng)頂板壓力減弱時(shí)，工作面瓦斯涌出量隨之降低，瓦斯涌出量的增加略晚于液壓支架支護(hù)阻力的升高。

3 超前支承壓力與瓦斯涌出的關(guān)系

為了研究18205工作面前方超前支承壓力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，在材料巷距離工作面32 m處施工7個(gè)壓力鉆孔，孔深10 m，鉆孔間距8 m，并安裝壓力傳感器，連接到KBJ-2004B型礦用多功能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋工作面超前支承壓力變化規(guī)律，超前支撐壓力監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖2。

圖2 超前支撐壓力監(jiān)測系統(tǒng)布置

對這7個(gè)壓力孔進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測60 d，其中4#孔煤體瓦斯?jié)舛扰c超前支承壓力的關(guān)系如圖3。

圖3 煤體瓦斯?jié)舛扰c超前支承壓力的關(guān)系

從圖3發(fā)現(xiàn)，隨工作面不斷向前開采，工作面超前支承壓力發(fā)生波動(dòng)性變化規(guī)律。當(dāng)工作面推進(jìn)到距離4#孔距離13 m左右時(shí)，超前支承壓力最大，即為18205工作面超前支承壓力峰值點(diǎn)；當(dāng)工作面開采到距4#孔31 m時(shí)，頂板周期來壓，超前支承壓力突然增大；應(yīng)力相對降低區(qū)域在工作面前方0～6 m處，此時(shí)鄰近層開始膨脹變形，裂縫裂隙發(fā)育完全，構(gòu)成一個(gè)良好的瓦斯運(yùn)移通道，煤層滲透系數(shù)增大，導(dǎo)致瓦斯大量釋放并不斷擴(kuò)散，產(chǎn)生卸壓增流效應(yīng)，瓦斯涌出顯著增加，此時(shí)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.8%～2.3%；在工作面6～44 m為應(yīng)力增高區(qū)域，在覆巖壓力的作用下，煤體內(nèi)部的原生裂隙閉合，裂隙發(fā)育不完全，相互貫通的瓦斯運(yùn)移通道被阻斷，煤體透氣系數(shù)降低，瓦斯涌出量顯著下降，此時(shí)瓦斯?jié)舛葍H為0.6%～0.7%。距工作面44 m以外為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，超前支承壓力減小，煤層裂隙裂縫再次發(fā)育，瓦斯涌出開始增大，此時(shí)瓦斯?jié)舛然厣?.0%～1.4%。

為了防止頂板周期來壓時(shí)工作面瓦斯涌出量升高，致使工作面及上隅角瓦斯超限，斜溝煤礦18205工作面瓦斯采取分源治理監(jiān)測，還提高液壓支架的初承力及工作阻力，來防止煤壁片幫，有效降低了受采動(dòng)影響的煤體瓦斯解吸速度，保障了工作面安全生產(chǎn)。

4 采空區(qū)頂板垮落對瓦斯涌出的影響

4.1 采空區(qū)（靠底板處）瓦斯分布

采空區(qū)一定區(qū)域的高濃度瓦斯回流至采煤工作面是頂板周期來壓期間對18205工作面瓦斯涌出量升高的另一個(gè)重要來源。因此，在采空區(qū)底板埋管測定18205工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋瑏硌芯坎蓜?dòng)過程中采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，18205采空區(qū)瓦斯?jié)舛扰c距工作面距離關(guān)系如圖4。

圖4 采空區(qū)瓦斯?jié)舛扰c距工作面距離關(guān)系

從圖4看出，在工作面后方0～7 m范圍瓦斯?jié)舛忍幱?.5%～1.0%變化，工作面后方7～13 m區(qū)域瓦斯呈現(xiàn)顯著升高趨勢，此區(qū)域最大瓦斯?jié)舛葹?.5%，超過13 m后采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S著深度增大，逐步保持在1.4%。

實(shí)測結(jié)果證明：采空區(qū)靠近18205工作面范圍，瓦斯?jié)舛燃吧呲厔荻驾^小，這是由于受到工作面負(fù)壓流場的影響，距煤層底板附近周圍的瓦斯都擴(kuò)散負(fù)壓流吹到回風(fēng)巷，隨著周期來壓的到來，煤層直接頂板破裂垮落產(chǎn)生大量的裂隙在覆巖采場壓力的作用下，裂隙快速閉合，采空區(qū)瓦斯運(yùn)移升浮的通道受到?jīng)_擊和擠壓作用，受沖擊擴(kuò)散影響的瓦斯流涌向工作面及上隅角，而負(fù)壓流場的擴(kuò)散動(dòng)力減弱，導(dǎo)致在采空區(qū)深部積聚大量的瓦斯，來壓期間發(fā)生突然升高的趨勢；之后采場覆巖裂隙緩慢發(fā)育，采空區(qū)瓦斯平穩(wěn)擴(kuò)散升浮，導(dǎo)致底板處瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。因此，根據(jù)瓦斯?jié)舛确植继卣餮赝七M(jìn)方向?qū)⒉煽諈^(qū)（靠底板處）劃分為：擴(kuò)散負(fù)壓作用的低瓦斯區(qū)，瓦斯?jié)舛葦?shù)升高區(qū)及瓦斯?jié)舛确€(wěn)定區(qū)。

4.2 頂板周期來壓對高位鉆孔的影響

為了研究頂板周期來壓對高位鉆孔的影響，指派專人實(shí)時(shí)監(jiān)測瓦斯抽采情況。抽采瓦斯量、風(fēng)排瓦斯量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5。

圖5 抽采瓦斯量、風(fēng)排瓦斯量隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖5可知，受到來壓的作用，最大瓦斯抽采量達(dá)到50.12 m3/min，表明采空區(qū)及鄰近層瓦斯被高位鉆孔有效攔截，防止采空區(qū)向工作面及上隅角涌出大量瓦斯。隨著工作面不斷開采，綜采支架支承壓力的峰值不斷向前移動(dòng)，圍巖應(yīng)力不斷發(fā)生變化（由降低區(qū)-升高區(qū)-恢復(fù)區(qū)），上覆巖層的裂隙進(jìn)行發(fā)育和閉合的交替變化，導(dǎo)致采動(dòng)裂隙場隨之前移；鉆孔瓦斯抽采量滯后于周期來壓1～2 d，但與周期來壓步距有較好的一致性，并且存在裂隙區(qū)與壓實(shí)區(qū)的交替變化，說明工作面瓦斯大量涌出現(xiàn)象也是礦山壓力一種顯現(xiàn)。頂板初次來壓、周期來壓與瓦斯抽采峰值的出現(xiàn)基本一致。

5 結(jié)論

1）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得出18205工作面頂板周期來壓期間，液壓支架的支護(hù)阻力與瓦斯涌出量二者同步升高，具有良好的一致性，即礦壓顯現(xiàn)越劇烈，瓦斯涌出量越高，且瓦斯涌出量的升高略滯后于支護(hù)阻力的增高。

2）應(yīng)力相對降低范圍在工作面前方0～6 m，應(yīng)力增高區(qū)區(qū)在工作面前方6～44 m，44 m以外是應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，距工作面17 m時(shí)工作面支承壓力達(dá)到峰值；18205工作面初次來壓步距為28 m，正常開采時(shí)周期來壓步距為20.36 m，來壓強(qiáng)度系數(shù)為1.53；且在來壓期間煤巖體裂隙得到充分發(fā)育，為瓦斯運(yùn)移提供良好的通道，煤體呈現(xiàn)“卸壓增流效應(yīng)”，瓦斯涌出量增大。

3）根據(jù)瓦斯?jié)舛确植继卣餮赝七M(jìn)方向?qū)⒉煽諈^(qū)（靠底板處）劃分為：擴(kuò)散負(fù)壓作用的低瓦斯區(qū)，瓦斯?jié)舛葦?shù)升高區(qū)及瓦斯?jié)舛确€(wěn)定區(qū)。周期來壓期間高位鉆孔抽采量顯著增大，有效阻止了采空區(qū)及鄰近層瓦斯向工作面的涌出，鉆孔瓦斯抽采量滯后于周期來壓1～2 d，瓦斯抽采量峰值與周期來壓步距有較好的一致性。