近距離煤層瓦斯涌出量影響因素之研究

趙效中

(西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

·試驗研究·

近距離煤層瓦斯涌出量影響因素之研究

趙效中

(西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

為提高近距離煤層采煤面瓦斯涌出量受鄰近層影響程度的預測準確性，以西山礦區西銘礦48402工作面為例，通過對地應力、瓦斯分布、瓦斯含量、瓦斯抽采等方面的分析研究，根據該面相關實測參數，得出了影響瓦斯涌出量的因素主要是三個方面，即:頂底板應力變化引起的煤層瓦斯涌出量的變化、采空區內平均瓦斯含量隨著距工作面距離增大而減小、采空區內瓦斯分布的狀況對工作面瓦斯涌出量具有直接的影響。確定了今后開采8#煤層時，除對本煤層進行抽采外，還要對上鄰近層施工高位孔，對下鄰近層9#煤層施工底抽鉆場的辦法，為今后瓦斯綜合治理提供了科學依據。

近距離煤層;瓦斯分布;瓦斯含量;瓦斯抽采

近年來，隨著西山礦區采掘向地層深部延深，地質條件越來越復雜，煤層瓦斯含量明顯增加，以屯蘭礦為代表的礦井已經鑒定為煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井，西銘礦也相應地提高了瓦斯管理等級，同時，在瓦斯治理手段和方法上提出了更高要求。尤其是近距離煤層開采時，首采區域受鄰近煤層瓦斯涌出影響，會造成采掘面瓦斯涌出量增大，嚴重影響安全生產。為此，研究近距離煤層瓦斯涌出量影響因素，成為開采近距離煤層的首要任務。在西山煤電(集團)公司西銘礦48402工作面開采時，對這一課題進行了研究。

1 工作面概況

48402工作面采長194 m，可采走向長370 m。該面裂隙發育，結構復雜，煤層厚度4．20～4．75 m，平均厚度為4．47 m，煤層厚度變化不大，屬單一穩定中厚煤層。回采范圍地層總體為復合型褶曲構造，局部有小型背向斜構造較發育。煤巖層傾角2°～15°，平均5°左右。

該面地表多為黃土覆蓋，蓋山厚度平均238 m。上覆2#煤已回采，3#煤局部回采，3#與8#煤層間距65 m 左右，下伏9#煤層與8#煤層間距為1．64～3．41 m。該面老頂為石灰巖，厚度為8．29 m，呈灰色，致密堅硬，含方解石脈及動物化石;直接頂為石灰巖，厚度為2．16 m，呈灰色，裂隙發育，含方解石脈，易呈塊狀冒落。偽頂為頁巖，厚度為0～0．2 m，呈黑色，破碎易冒落;直接底為細粒砂巖，厚度為2．26 m，灰白色，頂部有0．6 m左右黑色頁巖，底部有薄層頁巖，層理發育;老底為細粒砂巖，厚度為5．05 m，頂部為黑色頁巖為主，中下部以細粒砂巖為主。

2 影響瓦斯涌出量因素分析

2．1 頂底板地應力變化的影響

48402工作面回采期間，當工作面推進距離在0～18 m時，采空區頂板緩慢下沉，頂板破碎巖塊零散跨落，檢測工作面、回風流、上隅角瓦斯無明顯增加;當推至18～30 m時，大頂隨拉移支架逐步跨落，檢測點瓦斯呈現不規律瞬間涌出。

推進至30 m以后，頂板全部跨落初次來壓結束后呈現為周期來壓，周期來壓步距為25 m，周期來壓時頂板活動劇烈，片幫嚴重，支架壓力增大，瓦斯在隨后1～2 d內增大，瓦斯增大時間略滯后于支架壓力增大時間。經觀測，瓦斯增大幅度為正常涌出期間的140%。工作面、回風流、上隅角瓦斯都呈現出同步變化，變化幅度較大。

通過分析可知，頂底板應力變化引起了煤層瓦斯涌出規律的變化，地應力增大，頂底板裂隙發育增強，為近距離9#煤層瓦斯涌出創造了裂隙通道。

上隅角、回風流瓦斯濃度與工作面距離變化相關情況見圖1。

圖1 上隅角、回風流瓦斯濃度與工作面距離變化圖

2．2 采空區立體空間內瓦斯分布狀況的影響

從48402采空區瓦斯涌出來源分析，認為采空區瓦斯除從8#煤遺留浮煤涌出及裸露煤巖隔離柱涌出外，主要來源為近距離下伏9#煤層影響最為嚴重。在8#煤回采后解放9#煤，8#與9#煤層間距較小，砂巖或頁巖隔層裂隙發育，透氣性較好。

周期來壓前，采空區老頂緩慢下沉不斷地將采空區壓實，逐步減小采空區立體空間間隙，大量從9#煤涌出的高濃度瓦斯逐漸從采空區深部隨著老頂的壓實向外推移，形成活塞式積壓效應，呈現出規律性的變化，9#煤向采空區涌出量變化均衡時，向采場空間涌出呈現“弱－強－弱”穩定規律。

周期來壓時老頂大面積垮落，瓦斯密度為0．715 kg/m3，空氣密度為1．293 kg/m3，瓦斯容重幾乎為空氣1/2倍，采空區內瓦斯受老頂垮落時震蕩激起的強烈氣流沖擊影響涌入工作面，在風量不變情況下會造成瓦斯濃度增加，甚至發生超限。

48402工作面采空區內瓦斯分層狀態圖，見圖2。

另外，不同工作面長度也影響鄰近層瓦斯涌出量。隨著工作面長度變化，采空區卸壓范圍發生變化，而這個范圍對采空區上下分層瓦斯涌出量影響極大。隨著長度增加，逐漸形成卸壓區，煤巖應力開始釋放，造成鄰近煤層瓦斯涌入工作面及其采空區內。

經過對48402采空區瓦斯分布進行測定，采空區內平均瓦斯分布圖如圖3所示。從圖3可知，采空區內平均瓦斯含量隨著距工作面距離增大而減小。

2．3 瓦斯含量對涌出量的影響

瓦斯含量是影響近距離煤層群采煤面瓦斯涌出量最重要的因素，采空區內瓦斯的分布對工作面瓦斯涌出量具有重要影響;采煤過程中煤層瓦斯含量也對瓦斯涌出量有一定的影響。

根據采煤過程中瓦斯涌出量可以建立瓦斯涌出率與瓦斯含量的函數關系。煤層瓦斯涌出率η0按下式計算:

式中:

M0—煤層瓦斯含量，m3/t。

采空區瓦斯涌出率η1按下式計算:

式中:

M1—采空區內平均瓦斯含量，m3/t。

掌握近距離煤層群，特別是鄰近層瓦斯含量將有助于預測實際瓦斯涌出量和預測瓦斯涌出量之間的差異，隨著工作面參數變化，這些差異也會隨之加大。上下鄰近層瓦斯含量分布取決于所采煤層的開采程度。在采煤過程中，卸壓區內上下分層瓦斯含量影響著瓦斯涌出量的預測可靠性?；诖祟?，提高預測準確性主要通過計算不同煤層的瓦斯含量梯度來達到目的。

瓦斯含量梯度gw由下式計算:

式中:

Mn—下部煤層n的原始瓦斯含量，m3/t;

Mp—上部煤層p的原始瓦斯含量，m3/t;

lk—兩煤層之間的間距，m。

對于任意煤層的原始瓦斯含量Mi由下式計算:

式中:hi—煤層i的埋深，m;

hk—所開采煤層的埋深，m;

Mk—開采煤層原始瓦斯含量，m3/t。

結合采煤面長度、傾角等基礎參數，可計算出從頂板到底板瓦斯涌出的范圍，以開采煤層瓦斯含量值為基礎參數，上下分層的煤層瓦斯含量梯度均可用公式計算得出。

3 采取的針對性措施

根據對48402工作面煤層原始瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層透氣性、鉆孔瓦斯流量衰減系數等的分析可知，當近距離煤層瓦斯進入采空區，會增加立體空間內瓦斯總量，當有上鄰近層瓦斯通過裂隙涌入采空區時，采空區空間內瓦斯變化趨勢為靠近頂板瓦斯濃度最高，越靠近底板瓦斯濃度越低;當有下鄰近層瓦斯通過裂隙涌入采空區時，靠近底板附近層流狀態瓦斯濃度最高，擴散至空間中部濃度變低，靠近采空區頂部則濃度再次升高。確定今后在開采8#煤層時，除對本煤層進行抽采外，還要對上鄰近層施工高位孔，對下鄰近層9#煤層施工底抽鉆場。

通過對48402工作面抽采鉆場觀測，認為從初采初放開始，1#底抽鉆場支管路抽采濃度呈降低趨勢，在工作面推進超過切眼125 m以后，經取樣檢測，瓦斯逐步呈反彈回升?？蓪?25 m作為8#煤采空區瓦斯臨界閾值，可推測采空區內冒落區域逐步受壓密實。為解決近距離煤層瓦斯影響，該礦在相鄰巷道掘送3個底抽鉆場，采用“釜底抽薪”辦法對9#煤賦存瓦斯進行攔截抽采。經抽采8#煤層本煤層抽放濃度達30%，抽放純瓦斯流量為16 m3/min，混合瓦斯流量50 m3/min，工作面抽采率達53%。

4結論

瓦斯抽采是解決近距離煤層瓦斯涌出危害的有效手段，對于勉強抽放或較難抽放的煤層，主要采取的措施為開采解放層，采用密集鉆孔預抽，時間保證在1年以上;對于可以抽放煤層，采取的措施主要是加強預抽，抽放時間在6個月以上，開采解放層。上鄰近層抽放，若煤層埋藏較淺，可采用地面鉆孔抽;施工穿層鉆孔抽放時，鉆孔應向采空區方向略為偏斜，在鉆機能力范圍內盡力穿透各抽放煤層;對下鄰近層也可以采取下行鉆孔抽，穿層鉆孔終孔點應鉆透所抽煤層并進入巖層1 m，鉆孔沿工作面方向和傾斜方向均勻布孔;工作面長＞100 m(傾斜－急傾斜煤層)時，可設抬高鉆場或增設中間巷抽;工作面長＞150 m(緩傾斜煤層)時，工作面回風、運輸順槽應同時布置鉆孔抽。緩傾斜近距離煤層群抽放可以采用巷道抽或“網格”式布孔抽，采用密集鉆孔。

近距離煤層瓦斯涌出量研究，不僅找到了近距離煤層瓦斯管理的思路，特別是為近距離難采煤層受二次動壓影響的條件下施工巷道提供了有效、經濟、合理的科學方法，而且還進一步掌握了綜采工作面抽采變化規律，從而為選擇合理的瓦斯綜合治理方式提供了重要理論依據。該技術具有顯著的經濟效益和社會效益。不僅適用于西銘礦，而且還可應用于類似條件的其它礦井，具有廣闊的應用推廣前景。

［1］煤炭科學研究總院撫順分院．煤礦安全手冊［M］．北京:煤炭工業出版社，1994:7－11．

［2］ 俞啟香．中國采煤工作面瓦斯涌出規律及其控制研究．［J］．北京:中國礦業大學學報，2000，29(1):9－14．

［3］姜文忠，霍中剛，秦玉金．礦井瓦斯涌出量預測技術［J］．煤炭科學技術，2008，36(6):1－4．

［4］張榮立，何國緯，李鐸．采礦工程設計手冊［M］．煤炭工業出版社，2010:4－14．

Study on Gas Em ission Factors of the Close Coal Seam

Zhao Xiao－zhong

In order to improve the predictive accuracy of gas emission in the mining face of close coal seam by the adjacent layers influence degree，takes the 48402 face in Ximing mine of Xishan mining area as example，through analyzing ground stress，gas distribution，gas content，gas extraction and other aspects，based on the measured parameters of the face，obtains that the factors of impact of gas emission mainly are three aspects，namely the stress change in the roof and floor caused change of gas emission in the coal seam，the average gas content in the gob area decreases with increasing of the face distance，gas distribution status in goaf has direct impact on the amount of gas emission．Determine the approach when in future the No．8 coal seam would be mined，in addition to the coal seam extraction，but also on the upper adjacent layer construct high hole，No．9 coal seam of the next adjacent layer construct bottom pumping drilling field，for future gas comprehensive control provides scientific basis．

Close coal seam;Gas distribution;Gas content;Gas extraction

TD712

A

1672－0652(2012)09－0045－03

2012－08－09

趙效中(1968—)，男，山西五臺人，1992年畢業于山西礦業學院，工程師，主要從事煤礦生產技術管理工作(E －mail)sxtyxswxd@126．com