綜采面煤巖破壞和礦壓顯現(xiàn)對(duì)瓦斯涌出的影響研究

王英波

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

近些年來，瓦斯、水害已成為各大煤炭集團(tuán)防范和遏制重特大事故、維護(hù)安全生產(chǎn)的重中之重，尤其是瓦斯事故的風(fēng)險(xiǎn)仍然較高，因此，被稱為煤礦安全生產(chǎn)的“第一殺手”[1]。隨著礦井開采深度的不斷延伸，礦井瓦斯含量和壓力逐步增大，瓦斯涌出量也在逐漸增加，通過通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化技術(shù)與方法，全面推進(jìn)瓦斯抽采主要技術(shù)與方法[2-3]。

綜采放頂煤開采因強(qiáng)度大導(dǎo)致采場(chǎng)應(yīng)力發(fā)生較大變化而重新分布，使得工作面上覆巖層煤巖體發(fā)生明顯的失穩(wěn)變形破壞，在原生裂隙的基礎(chǔ)上，采場(chǎng)覆巖體受到應(yīng)力的作用不斷延伸發(fā)展而形成新的裂縫裂隙[4-6]，對(duì)綜采面各個(gè)區(qū)域的瓦斯運(yùn)移形成重要影響，所以，研究高瓦斯綜采面煤巖破壞和礦壓顯現(xiàn)對(duì)瓦斯涌出的影響是至關(guān)重要的。

許多科研工作者已對(duì)采場(chǎng)礦山壓力、覆巖破壞及瓦斯涌出開展了大量的研究，并已取得重要成果。李文福等[7]在主焦煤礦2308工作面通過理論計(jì)算得到采動(dòng)過程中垮落帶及裂隙帶高度，同時(shí)利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)記錄工作面回采時(shí)覆巖微震事件，得到上覆巖層瓦斯富集區(qū)的空間位置，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明通過微震監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)瓦斯富集區(qū)是可靠的；李楊等[8]針對(duì)西部煤礦高強(qiáng)度開采，通過微震事件的定位結(jié)果，分析驗(yàn)證推進(jìn)速度的影響規(guī)律；劉強(qiáng)等[9]通過微震監(jiān)測(cè)參數(shù)圈定出頂板崩落的宏觀范圍，并以時(shí)域反射、鉆孔電視等監(jiān)測(cè)參數(shù)確定的頂板崩落位置為基準(zhǔn)對(duì)頂板崩落的宏觀范圍進(jìn)行修正，進(jìn)而有效預(yù)測(cè)大范圍頂板崩落，保障礦山安全生產(chǎn)。

目前，由于對(duì)煤巖破壞、礦壓顯現(xiàn)及瓦斯涌出三者之間相互影響關(guān)系的研究較少，本文將結(jié)合前人的成果，對(duì)高瓦斯綜采面煤巖破壞和礦壓顯現(xiàn)影響瓦斯涌出情況進(jìn)行研究。

1 工作面概況

斜溝煤礦為低瓦斯礦井，根據(jù)2020年8月20日，山西焦煤集團(tuán)公司山西焦煤通函[2020]413號(hào)《關(guān)于山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果的批復(fù)》，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量11.84 m3/min，相對(duì)涌出量0.39 m3/t，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為4.15 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.23 m3/t.礦井現(xiàn)主采的8號(hào)煤厚平均為4.7 m，煤層較穩(wěn)定，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單煤層；頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，基本底為中細(xì)粒砂巖。

18205工作面采用U型通風(fēng)方式，材料巷承擔(dān)回風(fēng)、行人、行車和運(yùn)料任務(wù)，膠帶巷承擔(dān)進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤任務(wù)。工作面一次采全高回采，采高為4.7 m，工作面長(zhǎng)度為264 m，走向長(zhǎng)度為2 840 m.工作面南側(cè)為12采區(qū)輔助運(yùn)輸下山，東部、西部、南部均為實(shí)煤區(qū)。工作面共有液壓支架157架，其中：中間架143架，長(zhǎng)頂梁過渡架2架，短梁過渡架5架，端頭架7架，最大控頂距為6 293 mm，最小控頂距為5 493 mm.

2 監(jiān)測(cè)工作面煤巖破壞

采煤工作面因掘進(jìn)和回采的影響，破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，重新進(jìn)行分布應(yīng)力，若一部分巖層所受的應(yīng)力大于自身的強(qiáng)度，巖體會(huì)開始斷裂甚至垮落下沉同時(shí)形成微震(應(yīng)力波)。所謂微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是通過在采場(chǎng)附近安設(shè)傳感器(拾震器或檢波器)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)搜集微震數(shù)據(jù)，依據(jù)震動(dòng)定位機(jī)理，判斷巖體發(fā)生破裂的三維空間區(qū)域，也可利用震源機(jī)理研究巖體破裂性質(zhì)和尺寸，為分析采場(chǎng)裂隙演化規(guī)律及上覆巖體空間破壞垮落形態(tài)提供有效的方法[10-11]。對(duì)斜溝煤礦18205工作面采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到工作面回采165.8 m時(shí)微震事件分布情況，如圖1所示。

巖體發(fā)生煤巖破壞與微震之間的關(guān)系是必要非充分條件，就是煤巖體發(fā)生微振條件不一定代表煤巖體破壞，但是煤巖破壞一定會(huì)發(fā)生微震現(xiàn)象[12-13]。

圖1 工作面微震事件分布規(guī)律

根據(jù)微震事件頻數(shù)、能量及距離的1～4階差分變化規(guī)律，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖破壞。如果微震事件出現(xiàn)連續(xù)貫通、密集度增大的現(xiàn)象，表示煤巖發(fā)生破壞，如果僅發(fā)生單一的微震事件，并不表示煤巖體已經(jīng)發(fā)生破壞[14-15]。

從圖1發(fā)現(xiàn)，根據(jù)微震事件的分布規(guī)律可知，煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞的區(qū)域主要位于工作面前方煤體10～50 m，沿著工作面走向，較大能量的微震事件主要集中在工作面前方煤體10～30 m，同時(shí)，在工作面采空區(qū)也存在一部分微震事件，在回采階段，煤層頂?shù)装彘_始失穩(wěn)斷裂或破壞，最終垮落形成采空區(qū)。微震事件主要集中在煤層頂?shù)装鍘r體中，而且煤層頂板中微震事件出現(xiàn)的數(shù)量明顯超過底板，但在煤層中微震事件出現(xiàn)得相對(duì)較少。結(jié)合微震事件分布的規(guī)律，能大致獲得工作面頂?shù)装迨Х€(wěn)破壞范圍，頂板的破壞高度在10～60 m，頂板以上30 m范圍微震事件分布最為集中；底板的破壞高度在0～30 m，底板以下10 m范圍內(nèi)微震事件較為集中。

通過微震事件的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在煤層頂板的基本頂破壞斷裂之前發(fā)生少量的微震事件，當(dāng)基本頂開始破壞，微震事件陡然增加，伴隨事件頻數(shù)多、密集度增大、能量高等基本頂破壞結(jié)束，微震事件突然減少，伴隨著事件頻數(shù)減小、能量降低。隨工作面不斷向前回采，微震事件的發(fā)生頻數(shù)、密集度及能量高低發(fā)生周期性變化規(guī)律，利用微震監(jiān)測(cè)方法，可大致獲得基本頂發(fā)生周期性失穩(wěn)破裂的時(shí)間及區(qū)域。

3 礦壓測(cè)定

3.1 支架工作阻力測(cè)定

將18205工作面切眼劃分為上、中、下3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，以監(jiān)測(cè)支架工作阻力，結(jié)合支架工作阻力變化規(guī)律判斷工作面的來壓強(qiáng)度和周期來壓步距，如表1所示。

從表1得到，18205工作面初次來壓步距平均為42.88 m，初次來壓動(dòng)載系數(shù)平均為1.78，周期來壓步距平均為20.39 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.55.

表1 工作面來壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 隨工作面推進(jìn)速度支架工作阻力變化規(guī)律

通過統(tǒng)計(jì)分析18205工作面的推進(jìn)速度，選擇2020年12月12日至2021年2月9日(共計(jì)58 d)進(jìn)行觀測(cè)，工作面正?；夭?5 d、停產(chǎn)13 d，累計(jì)推進(jìn)151.6 m，平均推進(jìn)速度為2.61 m/d，工作面推進(jìn)速度隨時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 工作面推進(jìn)度隨時(shí)間的變化曲線

工作面不同推進(jìn)度(1.6 m、2.4 m、3.2 m、4.0 m)時(shí),支架工作阻力變化情況如圖3所示，圖中曲線代表支架的平均工作阻力。從圖3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)速度從1.6 m升至2.4 m時(shí)，支架工作阻力發(fā)生小幅度下降，但工作面推進(jìn)速度升至3.2 m時(shí)，支架工作阻力發(fā)生大幅度升高，當(dāng)工作面推進(jìn)速度升至4.0 m時(shí)，支架工作阻力保持平穩(wěn)、變化很小。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合工作面生產(chǎn)實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，在工作面生產(chǎn)初始階段，工作面推進(jìn)度基本保持在3 m以下，這時(shí)礦壓顯現(xiàn)較弱，提高推進(jìn)度可減少每個(gè)正規(guī)循環(huán)時(shí)間，降低頂板下沉量，所以支架工作阻力發(fā)生較小幅度的減少。隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，推進(jìn)度開始不斷增加，特別是工作面初次來壓之后，煤層上覆巖層開始失穩(wěn)破裂，巖塊之間的相互咬合處于失穩(wěn)狀態(tài)或極限平衡階段，所以相比初采期間支架工作阻力發(fā)生較大升高，這時(shí)的工作面推進(jìn)度保持在4 m上下浮動(dòng)，在工作面保持較高的推進(jìn)速度條件下，通過增大推進(jìn)度不會(huì)明顯降低工作面頂板壓力，所以支架工作阻力出現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，未發(fā)生較大變化。

4 煤巖破壞與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系

通過統(tǒng)計(jì)分析微震事件發(fā)生的頻次和震源能量的大小，研究煤巖破壞與礦壓顯現(xiàn)之間的規(guī)律，并與工作面的來壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行對(duì)照，具體如圖4所示。

圖4 微震發(fā)生的頻次和能量與來壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系

從圖4發(fā)現(xiàn)：在一段時(shí)間范圍內(nèi)，每天的微震事件數(shù)量發(fā)生周期性變化，在頂板來壓之前，微震事件的數(shù)量和能量發(fā)生明顯的升高；在頂板來壓階段，微震事件發(fā)生數(shù)量是非來壓階段的1.49倍，微震事件的能量是非來壓階段的1.71倍；周期來壓完成后，微震事件的數(shù)量和能量開始降低，并逐漸趨向正常，同時(shí)微震事件發(fā)生數(shù)量和能量的突然升高大多比來壓顯現(xiàn)提前1 d.因此，可得到工作面覆巖破壞程度與來壓存在必然關(guān)系。當(dāng)工作面不斷回采時(shí)，伴隨不斷增加的基本頂懸臂長(zhǎng)度，在煤壁前部區(qū)域發(fā)生破裂，是導(dǎo)致在來壓前微震事件增多的原因。隨著基本頂不斷發(fā)生破裂、懸臂長(zhǎng)度在不斷增加，最終使得基本頂斷裂，這時(shí)工作面頂板下沉量開始增加，支架載荷開始增多，發(fā)生煤壁片幫等現(xiàn)象。表明在工作面來壓之前，煤巖產(chǎn)生的破壞行為最終迫使基本頂開始斷裂，發(fā)生來壓顯現(xiàn)。所以通過觀察微震事件發(fā)生頻率和能量的變化能大致判斷周期來壓時(shí)間。

5 煤巖破壞與瓦斯涌出關(guān)系

因?yàn)槲⒄鹗录l(fā)生的數(shù)量和釋放的能量體現(xiàn)了工作面煤巖破壞情況，所以通過研究微震事件和瓦斯涌出的關(guān)系，能夠掌握煤巖破壞對(duì)瓦斯涌出的影響。將微震監(jiān)測(cè)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與工作面的最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量進(jìn)行對(duì)比分析，4月10日至4月24日期間微震事件數(shù)量、能量與最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 微震事件數(shù)量與瓦斯涌出之間關(guān)系

圖6 微震事件發(fā)生能量與瓦斯涌出之間關(guān)系

從圖5和6發(fā)現(xiàn)：工作面的瓦斯涌出量與微震事件的數(shù)量及能量大小的分布都具備一定的周期性。瓦斯涌出量隨著微震事件發(fā)生的數(shù)量的升高而相應(yīng)增大，當(dāng)微震事件發(fā)生數(shù)量達(dá)到峰值時(shí)，瓦斯涌出量繼續(xù)升高，但2 d后迅速減少，微震事件發(fā)生數(shù)量的峰值要超前于瓦斯涌出量的峰值。隨著煤巖破壞不斷加強(qiáng)，瓦斯涌出量在逐步升高，但瓦斯的大量涌出要滯后于煤巖的完全破壞1個(gè)班，所以借助微震監(jiān)測(cè)手段能間接預(yù)估瓦斯涌出情況。

6 礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出關(guān)系

隨著支架工作阻力的變化，18205工作面絕對(duì)瓦斯涌出量變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 絕對(duì)瓦斯涌出量與支架工作阻力之間關(guān)系

從圖7發(fā)現(xiàn)：工作面絕對(duì)瓦斯涌出量和支架工作阻力之間存在密切關(guān)系。當(dāng)工作面回采22 m時(shí)，直接頂開始垮落，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量從24.78 m3/min升高到30.14 m3/min，是直接頂垮落前的1.21倍；當(dāng)工作面回采50 m時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量從32.24 m3/min升高到38.52 m3/min，來壓期間絕對(duì)瓦斯涌出量為來壓之前的1.19倍。工作面在回采期間，瓦斯涌出量呈現(xiàn)以下的變化規(guī)律：在工作面初次來壓和周期來壓之前，絕對(duì)瓦斯涌出量發(fā)生相對(duì)下降的變化趨勢(shì)；但當(dāng)來壓完成后，絕對(duì)瓦斯涌出量開始發(fā)生明顯的升高，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量出現(xiàn)最大值比周期來壓的到來相對(duì)遲緩。

選擇9號(hào)鉆孔作為測(cè)點(diǎn)，利用預(yù)先在9號(hào)鉆孔安裝好的鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)壓力變化，同時(shí)測(cè)定鉆孔瓦斯?jié)舛龋垣@得工作面前方煤體內(nèi)瓦斯的變化規(guī)律，瓦斯?jié)舛扰c超前支撐壓力的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 瓦斯?jié)舛扰c超前支承壓力之間的關(guān)系

從圖8發(fā)現(xiàn)：在工作面前部卸壓區(qū)(0～8 m)，煤層由于采動(dòng)破壞卸壓作用發(fā)生膨脹變形，形成大量的互相貫通裂隙，提高了滲透系數(shù)，吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為解吸態(tài)瓦斯且不斷擴(kuò)散，發(fā)生“卸壓增流”反應(yīng)，瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)1.6%～2.1%；在工作面前部支承壓力集中區(qū)(8～30 m)煤層受采動(dòng)影響較小，裂隙發(fā)育不充分，滲透較小，瓦斯壓力升高，導(dǎo)致瓦斯涌出量快速減少，瓦斯?jié)舛葍H為0.5%左右；在工作面前部30～50 m區(qū)域，支承壓力減小，煤層裂隙得到良好發(fā)育，瓦斯?jié)舛扔珠_始回升。

7 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)研究結(jié)果得到工作面周期來壓比微震事件峰值出現(xiàn)時(shí)間略晚，比瓦斯涌出量峰值出現(xiàn)時(shí)間略早，可以根據(jù)微震事件的能量、個(gè)數(shù)及頻數(shù)來判斷工作面來壓規(guī)律和瓦斯涌出規(guī)律。

2) 在工作面初次來壓及周期來壓之前，瓦斯涌出量相對(duì)減小，在來壓完成之后，瓦斯涌出量呈現(xiàn)明顯升高。

3) 在斜溝煤礦18205工作面來壓之前，微震事件的能量和數(shù)量發(fā)生明顯升高，隨著煤巖破壞的增加，工作面瓦斯涌出量不斷升高，瓦斯大量涌出比煤巖的充分破壞推遲1個(gè)班。