高瓦斯煤層群采動(dòng)卸壓瓦斯流動(dòng)規(guī)律研究

何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：以典型的高瓦斯礦井為例，瓦斯事故的隱患極大，消除瓦斯事故隱患需要花費(fèi)較多的時(shí)間、空間和費(fèi)用，同時(shí)機(jī)械化采掘設(shè)備很難發(fā)揮效用，同時(shí)該煤礦開采煤層屬于高瓦斯近距離煤層群，煤層瓦斯含量豐富，采用傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法不僅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空氣中污染大氣，浪費(fèi)資源。文章針對(duì)高瓦斯煤層群開采條件下，采動(dòng)引起圍巖應(yīng)力在煤巖層中在空間上的再分布后，對(duì)在空間上X軸、Y軸、Z軸方向上的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高瓦斯;煤層群;采動(dòng)卸壓;瓦斯規(guī)律

引言

煤層瓦斯，又稱為煤層氣，賦存于煤層之中，近幾年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井?dāng)?shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，瓦斯危害越來越嚴(yán)重，頻發(fā)的瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重地威脅著礦井工作人員的生命安全，制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展。同時(shí)，瓦斯又是一種清潔、高效的能源，如果將瓦斯資源安全抽采并加以利用，則能實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)、礦井安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一。因此，如何更有效地開發(fā)和利用煤層瓦斯，一直以來都是廣大的科研工作者努力的方向和目標(biāo)[1～3]。

以典型的高瓦斯礦井為例，瓦斯事故的隱患極大，消除瓦斯事故隱患需要花費(fèi)較多的時(shí)間、空間和費(fèi)用，同時(shí)機(jī)械化采掘設(shè)備很難發(fā)揮效用，煤巷掘進(jìn)速度通常都難以超過100m/月，回采工作面產(chǎn)量通常難以超過100萬t/a。因此，該煤礦高瓦斯隱患極大地限制了煤礦生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高。同時(shí)該煤礦開采煤層屬于高瓦斯近距離煤層群，煤層瓦斯含量豐富，采用傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法不僅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空氣中污染大氣，浪費(fèi)資源。

1工程概況

某礦井14301工作面為傾向長(zhǎng)壁工作面，為南三采區(qū)第一個(gè)回采工作面，北面為杜峪村保護(hù)煤柱;南面為14302工作面，未開掘;東面為膠泥壟村保護(hù)煤柱，西面至南三采區(qū)大巷。工作面設(shè)計(jì)兩進(jìn)一回，為“刀把”型工作面，三條順槽都與南三集中膠帶巷垂直。軌道順槽1502m（1302+200m），膠帶順槽長(zhǎng)1468m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)1463m，工作面切眼寬220m（100m+120m），工作面可采長(zhǎng)度為1445m，可采面積為0.298km2。地質(zhì)儲(chǔ)量（Qd）為102.2萬t，可采儲(chǔ)量（Qk）為94.3萬t。

工作面底板標(biāo)高預(yù)計(jì)在440～570m之間，工作面上覆地表均為黃土覆蓋區(qū)，地面標(biāo)高為855～995m，預(yù)計(jì)蓋山厚度為470～540m，地表由四個(gè)近似南北向的沖溝和黃土峁梁相間分布組成，為典型的黃土丘陵地貌，地表附著有蘋果樹，通往強(qiáng)家塔村的小路，無建筑物等設(shè)施。工作面煤厚在2.2～2.7m之間，平均2.45m。煤層呈黑色，結(jié)構(gòu)均一。煤巖組分以鏡煤為主，條帶狀，煤巖類型為光亮型煤。14301工作面整體為一單斜構(gòu)造，煤層走向320°，傾向SW，傾角3°～6°，平均為4°。工作面地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，預(yù)計(jì)掘進(jìn)過程中局部地段會(huì)揭露小型斷裂構(gòu)造或煤層變薄帶。

根據(jù)本采區(qū)已采工作面瓦斯資料情況分析，預(yù)計(jì)正常情況下，14301掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為3～8m3/min之間，遇特殊地質(zhì)條件、會(huì)發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，瞬間瓦斯?jié)舛葧?huì)增大好幾倍，給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患，發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象一般在遇小型構(gòu)造附近，煤層產(chǎn)狀、煤層厚度變化大的地段，以及煤層受地質(zhì)應(yīng)力作用變軟或煤層結(jié)構(gòu)遭到破壞的地段。

2 煤層群卸壓瓦斯在采場(chǎng)空間運(yùn)移規(guī)律

井下工作面回采時(shí)破壞了煤巖層的原始應(yīng)力場(chǎng)，引起了應(yīng)力在煤巖層中在空間上的再分布，在空間上X軸、Y軸、Z軸方向上的瓦斯運(yùn)移規(guī)律如下：

（1）卸壓瓦斯沿X軸方向上的移運(yùn)規(guī)律

經(jīng)過前面的分析可知，4號(hào)煤層開采時(shí)沿走向X軸方向上煤層及上下鄰近煤巖層得到卸壓，卸壓的過程由開始卸壓充分卸壓最后達(dá)到穩(wěn)定期的三個(gè)區(qū)段組成，也正是鄰近層瓦斯從開始期經(jīng)活躍期到衰退期向采空區(qū)涌出過程的反應(yīng)，如圖2所示。

實(shí)踐分析表明：4號(hào)煤層開采時(shí)，工作面煤壁前方30m至工作面后方40m左右為瓦斯涌出的開始期;工作面后方40～90m為瓦斯涌出的活躍期;工作面后方90m以外為瓦斯涌出的衰退期。當(dāng)抽放瓦斯的鉆孔布置在活躍期時(shí)抽采瓦斯瓦斯效果最好，一般瓦斯?jié)舛仍?0%以上，且流量穩(wěn)定。

（2）卸壓瓦斯在Y軸方向上的移動(dòng)規(guī)律

沿工作面傾向方向，巖層的移動(dòng)范圍受開采的影響，從而對(duì)鄰近層卸壓瓦斯的排放也存在一定的影響，形成一定的卸壓范圍[68]。卸壓范圍通常以卸壓角表示，卸壓角的大小主要受煤層傾角和煤巖層的性質(zhì)的影響，傾角越大卸壓角越大，煤巖層性質(zhì)越軟卸壓角越大。圖3所示為鄰近層的卸壓角，通過前述理論分析可知，4號(hào)煤層開采后，卸壓角δ1約為55°，卸壓角δ2約為65°。

（3）卸壓瓦斯在Z軸方向上的移動(dòng)規(guī)律

4號(hào)煤層回采時(shí)，上覆煤巖層發(fā)生不同程度的破壞和變形，工作面上部依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，距離開采層越近裂隙發(fā)育越充分，解析出的瓦斯量越大。圖4為垂直工作面方向Z軸坐標(biāo)上的頂板分帶與瓦斯分布圖。

①冒落帶H1：位于開采層的上方，由直接頂冒落形成，與采空區(qū)的漏風(fēng)帶直接相通，難以采用鉆孔抽采冒落帶瓦斯。

②裂隙帶H2：位于冒落帶之上，靠近冒落帶的為大裂隙帶，越向上裂隙越小，裂隙帶是抽采上鄰近層瓦斯的最佳位置，而小裂隙帶的抽采效果要好于大裂隙帶，鉆孔位置處于裂隙帶中部時(shí)的抽采效果最好，層位為H=H1+1/2H2。

③彎曲下沉帶H3：裂隙帶的上部為彎曲下沉帶，其高度一般可達(dá)到地表，由于彎曲下沉帶距離開采煤層的距離較遠(yuǎn)卸壓程度較低，瓦斯抽采率較低，又由于彎曲下沉帶沒有產(chǎn)生于大氣相連的裂隙通道，從而能夠抽出較高濃度的瓦斯。

3結(jié)論

分析了近距離煤層群卸壓瓦斯在采場(chǎng)空間的運(yùn)移規(guī)律，得出在工作面推進(jìn)方向分為瓦斯涌出開始期、活躍期和衰退期，在活躍期瓦斯抽采效果最好，抽采濃度達(dá)到85%以上，最優(yōu)卸壓瓦斯區(qū)處于裂隙帶中部，鉆孔布置在此層位抽采瓦斯效果最好。該煤礦4號(hào)煤層開采后，在頂板上方22m左右處形成大量離層裂隙，為瓦斯的存儲(chǔ)提供了空間，4號(hào)煤層開采后，4號(hào)、5號(hào)和3號(hào)煤層的部分瓦斯，在擴(kuò)散和升浮的作用下沿穿層頂?shù)装辶严叮蛏蠑U(kuò)散，最后聚集在4號(hào)煤層上方的離層裂隙中，形成瓦斯富集區(qū)域。

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作者簡(jiǎn)介：何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110977009）