綜放工作面初采期煤與瓦斯共采試驗研究

馬延崑，郭勇義，，吳世躍，李川田，閆晉文，秦貴成

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.太原科技大學，太原 030024；3.潞安集團余吾煤業，山西 長治 046031）

煤與瓦斯共采實現了煤礦企業的高產高效及瓦斯的“變害為寶”，成為我國煤炭企業瓦斯防治的主要理念[1-2]。高瓦斯工作面煤層瓦斯預抽采有限，初采期間，覆巖裂隙初始發育，裂隙帶瓦斯抽采處較低水平，采空區瓦斯涌出量持續增加，工作面瓦斯治理主要以風排為主，嚴重制約了煤炭企業的高效生產[3-5]。因此，回采工作面初采期通常被稱為困難時期。針對工作面初次來壓、周期來壓等動力現象造成瓦斯涌出突然增大，工作面來不及做出應對的情況，眾多學者進行了大量相關研究。屈慶棟等人研究了初采期頂板關鍵層斷裂時鄰近層瓦斯異常涌出的情況，提出結合覆巖關鍵層結構采用后偽高抽巷治理的方案[6]；李化敏教授基于對回采工作面的實時觀測，認為隨采動過程中工作面礦壓顯現增大，瓦斯體積分數同步增大[7]；姜福興教授采用微地震監測技術，分析得出工作面瓦斯涌出主要受高層位巖層周期運動的影響[8]；吳仁倫、許家林教授等人利用數值模擬的方法，提出采用頂板預裂方案治理工作面初采期瓦斯超限[9]。當前對于初采期覆巖裂隙演化規律的研究不足，未能有效提出準確的初采期定義和較為系統化的初采期瓦斯治理的理論、措施。文中將采用數值模擬的方法，從初采期覆巖卸壓移動和裂隙演化規律入手，確定裂隙發育區，通過工程試驗驗證覆巖采動裂隙發育規律，研究初采期瓦斯涌出特性，以期為初采期實現煤與瓦斯高效共采提供相關理論依據。

1 試驗工程概況

余吾煤業屬高瓦斯特大型礦井，設計生產能力6Mt／a，工程試驗選定N2105工作面。N2105工作面主采3號煤層，煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，埋藏深度507～597m，煤層厚度穩定，平均厚6.3m，局部含0.1～0.7m 炭質泥巖夾矸，原始瓦斯含量為10.0496m3／t。工作面由西向東3號煤層整體近似為一單斜構造，平均坡度＋5°，東高西低（回風順槽高，膠帶順槽低），工作面頂底板狀況如圖1所示。

工作面采用走向長壁后退式頂板全部跨落及大采高低位放頂煤綜合機械化采煤工藝，通風系統采用并列雙“U”型，工作面傾向長285m，回采斜距2170m。

圖1 工作面頂底板狀況

2 煤與瓦斯共采理論基礎

2.1 覆巖卸壓移動機理

煤巖體在原始地質賦存中，在高地應力下處于壓縮狀態，采場開挖擾動，導致圍巖應力場重新分布以達到新的平衡，表現為應力轉移、應力集中及巖層的破斷與下沉。上覆巖層由原始的三向應力狀態趨于向單向或雙向應力狀態轉變，巖層向采空區下沉，覆巖中變形巖梁的具有應力傳遞的作用，將巖層垂直地應力以一定角度向采空區四周煤巖體內傳遞，使煤巖體內存在遠高于原巖應力的應力集中區[10]，采空區上部產生變形或破斷的巖層處于卸壓范圍。

覆巖卸壓移動，由于巖層間巖性差異，出現不協調的位移，產生離層裂隙，隨回采跨距增大，離層裂隙巖層發展為剪切破斷或拉張破壞，形成裂隙帶和冒落帶。采空區中部冒落帶巖層有被壓實趨勢，上方巖層發育的離層裂隙因壓實而閉合；距采空區端頭向內區域上覆巖層長久保持卸壓，并且巖層間不協調位移維持不變，大量離層及破斷裂隙存在，空間上覆巖形成高位環形裂隙圈[1，3，11]，如圖2所示。

2.2 卸壓裂隙帶瓦斯抽采技術

覆巖卸壓移動導致巖層裂隙發育的同時，卸壓煤巖體及采空區殘煤吸附瓦斯經歷“解析-擴散-滲流”的過程。采空區內游離瓦斯通過裂隙通道發生滲流，并在裂隙區域內積聚，形成高濃度瓦斯富集區[3]。因此，裂隙大量發育并長久維持的高位環形裂隙圈成為采空區瓦斯運移的主要通道和賦存空間。對于雙“U”型工作面通風系統，上隅角為工作面風流低壓區，并存在局部滯流，附近裂隙區域內聚積高濃度瓦斯趨于向工作面運移[3，12]；上隅角附近高位環形裂隙區域，屬高滲透區域，高濃度瓦斯富集，極易發生擴散、滲流[3，13]。故應在上隅角附近環形裂隙區應用高位鉆孔抽放瓦斯工藝，大量高濃度瓦斯的抽采，有效攔截瓦斯向工作面涌入，保證工作面安全生產，實現煤與瓦斯共采。

圖2 高位環形裂隙圈分布

3 圍巖采動影響數值模擬

3.1 模型建立

采用通用離散元程序UDEC，依據N2105工作面實際巖層分布及幾何特點進行開挖模擬試驗，分別建立采場走向和傾向二維受力模型。走向模型尺寸為300m×100m（長×高），采用水平布置，在3號煤層中82.5～90m處留有切眼，開挖范圍為90～210m，模型兩側留90m左右邊界煤柱；傾向模型尺寸為480×160（長×高），在3號煤層中100～380m之間布置工作面，傾角5°，模型兩側留100m邊界煤柱。

模型左右及底邊為固定邊界，速度、位移為零，頂部為自由邊界，以10MPa的均布載荷作用于上邊界代替略去巖層，模型計算采用mohr-coulomb屈服準則，煤巖層物理力學參數如表1所示。

表1 煤巖層物理力學參數

3.2 結果分析

3.2.1 采動圍巖裂隙演化

如圖3，工作面推進20，45，60，100m 處，分別為采場直接頂跨落、老頂初次來壓、第一次周期來壓、正常推進狀態。隨工作面推進，伴隨頂板來壓，覆巖下沉量增加，波及范圍擴大，切眼及工作面處覆巖始終保持有不協調的位移量。不協調位移量產生離層，進而發育為破斷裂隙或保持離層。文中引入采動前、后上覆巖層中兩點綜合相對位移差與采前相對距離的比值來表示該點的孔（空）裂隙度[4]，獲得覆巖裂隙演化規律如圖4所示。

有效的、常態化的監督是踐行“四種形態”的重要保障。推進監督常態化：1.探索建立基層黨組織對黨員的日常監督方式。2.完善紀檢監察信訪舉報受理制度，建立信訪舉報問題線索收集、分析、研判制度，提煉并科學運用信訪舉報信息。3.正確引導、科學利用黨外監督力量，如群眾舉報、媒體曝光、輿情反映，既要善于引導，又要善于從中發現線索問題。4.發揮巡視巡察作用，緊盯違反“六大紀律”問題，尤其是違反政治紀律、政治規矩問題。

圖3 工作面推進中覆巖鉛直位移量

1）圖4-a采場頂板來壓時孔（空）裂隙度分布，結合圖3，直接頂跨落時，僅老頂有小量變形，覆巖中幾乎無裂隙發育；老頂初次來壓時，采場有大范圍巖層沉降，老頂上方30m范圍下沉量大于2m，覆巖中裂隙發育量急劇增加，采空區中部上方有離層產生，故裂隙較發育；老頂第一次周期來壓時，覆巖下沉量繼續增加，大于2m的范圍波及模型上邊界，故采動裂隙在原有基礎上又一次較大程度發育。可以看出，初采時，覆巖裂隙初始發育，隨工作面推進，伴隨采場的來壓現象，覆巖下沉量增加，采動裂隙加速發育，并逐漸波及較高層位巖層。

2）圖4-b工作面累積進尺達70～90m，隨工作面推進距逐漸增加，覆巖中裂隙發育范圍繼續擴大，即覆巖中采動裂隙沿豎直方向和水平推進方向擴展。

3）圖4-c工作面推進距達到100～120m時，覆巖中巖層采動裂隙分布形成較為明顯的“馬鞍形”，靠近切眼及工作面裂隙發育處峰值。結合圖3-d，可以看出，老頂上方30m范圍覆巖下沉量大于3 m，最大下沉量達到4m以上，距切眼50～60m的采空區中部，由于出現壓實區域，離層裂隙閉合，切眼及工作面覆巖裂隙發育并保持，此時，采空區中部壓實區域形成并有擴大趨勢，覆巖裂隙發育豎直方向上達到最大高度。

圖4 工作面不同推進距下孔（空）裂隙度分布及演化

綜上分析，初采期間覆巖裂隙初始發育，隨工作面推進，伴隨采場老頂初次來壓、周期來壓現象，采動裂隙加速發育，沿豎直方向和水平推進方向擴展，采空區內出現壓實區時，覆巖裂隙發育達到最高層位。

3.2.2 覆巖應力分布

覆巖受采動影響后應力重新分布，依據采場卸壓穩定后應力的分布及巖體破壞特征，如圖5，確定卸壓范圍，進而判斷覆巖的裂隙發育良好區域。

1）如圖5-a為采場傾向鉛直應力分布，依據應力大小可以分為應力集中區、卸壓變形區和卸壓穩定區。

卸壓變形區：該區內巖層間維持有不協調位移，受剪切變形或拉剪破壞，采場內最小應力值5MPa分布在該區。采空區上端頭向內50m和采空區下端頭向內60m，即分別為水平方向95～155m范圍和375～325m范圍，應力變化為5～10MPa。

卸壓穩定區：采空區中部趨于被壓實，應力較為穩定，水平方向為160～310m范圍，應力變化為10～20MPa。

2）如圖5-b為采場傾向水平應力分布圖，覆巖中大變形巖梁傳遞大部分水平應力，靠近煤層底板巖層受拉張破壞而冒落，水平應力傳遞較小，故由煤層底板向上水平應力值有增大趨勢，變化范圍4～20MPa。

綜上分析，覆巖中應力值小于卸壓穩定區內最小值的范圍為裂隙發育區，卸壓穩定區鉛直和水平最小應力分別為10MPa，8MPa，認為覆巖卸壓變形區中鉛直應力小于5MPa及水平應力小于4 MPa范圍為裂隙發育良好的區域，形成高濃度瓦斯富集區，即距采空區上端頭0～50m范圍和煤層頂板上方30～50m范圍空間交匯處。

圖5 采空區頂底板巖層應力分布

4 工程試驗

4.1 高位鉆場布置

依據N2105工作面回采工藝及覆巖卸壓裂隙良好發育區域的范圍，在工作面回風順槽距切眼100m處，每隔40m布置一個瓦斯抽采鉆場，施工兩排抽采鉆孔，共12個，參數如表2，終孔位于煤層頂板36～38m處，沿工作面傾向投影為0～97m，沿工作面走向投影為60～80m。

表2 鉆場抽采鉆孔參數

4.2 效果分析

研究表明[6，7，14]，采動裂隙作為瓦斯滲流的主要通道，其數量和范圍直接影響裂隙帶抽采瓦斯量，裂隙發育量越大，發育范圍越廣，滲透率越高，鉆孔抽采瓦斯效果越好。由N2105工作面回風順槽距切眼100，140，180m處的51號、50號和49號鉆場抽采效果反演分析裂隙發育狀況如下：

1）圖6-a，工作面距51號鉆場70～80m之間，工作面累積推進20～30m，覆巖裂隙尚未發育或初始發育，鉆場幾乎無瓦斯流量；工作面推進45m處，距鉆場55m，老頂初次來壓，工作面上方鉆孔與發育裂隙導通，鉆場瓦斯流量發生突變，迅速增大至1.8m3／min；工作面推進60m處，老頂第一次周期來壓，裂隙發育區擴展，瓦斯流量迅速增加，并逐漸穩定在3m3／min。

2）圖6-b，工作面累積推進60m時，進入50號鉆場控制范圍，隨工作面靠近鉆場，覆巖裂隙數量增加，并逐漸向高層位發育，瓦斯流量逐漸升高，距鉆場50～20m范圍，即累積推進達到100～120m，鉆場瓦斯流量穩定在最高水平10m3／min。

3）圖6-c，工作面累積推進100m時，進入49＃鉆場控制范圍，瓦斯抽采濃度迅速穩定在50%以上，裂隙發育、擴展，導致抽采純量由4.2m3／min逐漸增加，并在進尺量達到140m時，抽采純量達到10m3／min。

圖6 鉆場瓦斯抽采情況圖

4）對比圖6，隨工作面靠近鉆場，瓦斯抽采量逐漸升高，而51號鉆場抽采總量明顯低于50號、49號鉆場，50號與49號鉆場最大抽采純量及濃度幾乎相等。原因分析如下：初采時，裂隙初始發育，無裂隙與抽采鉆孔導通，故幾乎無瓦斯流量，而在老頂初次來壓后，裂隙突然有較大程度發育，裂隙發育量增加，鉆場瓦斯流量有較明顯的增加趨勢，但由于裂隙發育范圍處較低層位，只有少量裂隙導通抽采鉆孔，因此，距工作面較近的51號鉆場抽采量處較低水平；50號與49號鉆場瓦斯流量最大為10m3／min，分析此時鉆場控制區域內，裂隙發育范圍、發育量達到最大，抽采鉆場發揮全部效用，即工作面推進100～120m時，覆巖裂隙發育至最高層位；工作面進入49＃鉆場控制范圍時，覆巖裂隙發育已達到最高層位，卸壓變形區內已有大量裂隙，裂隙發育主要沿推進方向擴展，故抽采瓦斯量迅速由4.2m3／min增加至10m3／min。

5）綜合以上分析，認為N2105工作面初采期間，隨推進距增加，覆巖裂隙逐漸發育，累積推進達100～120m之間，采空區壓實區形成，覆巖裂隙發育范圍達到最高層位，高位鉆場發揮最大效用。

5 結論

1）初采期間覆巖裂隙初始發育，隨工作面推進，伴隨采場老頂初次來壓、周期來壓現象，采動裂隙加速發育，沿豎直方向和水平推進方向擴展，采空區內出現壓實區時，覆巖裂隙發育達到最高層位。

2）距采空區上端頭0～50m范圍和煤層頂板30～50m范圍空間交匯處裂隙較發育，為瓦斯抽采重點區域。

3）N2105工作面初采期間，隨推進距增加，覆巖裂隙逐漸發育，累積推進達100～120m之間，采空區壓實區形成，覆巖裂隙發育達到最高層位，高位鉆場發揮最大效用。

4）高瓦斯工作面初采期是指采場自工作面切眼形成開始，隨工作面推進，覆巖裂隙逐漸發育至最高層位期間，采空區內壓實區形成為初采結束標志。初采期間，裂隙帶瓦斯抽采較低水平，采空區大量瓦斯涌入工作面，瓦斯治理主要以風排為主。為使采煤工作面順利渡過初采期，提供以下建議：一方面，采用頂板預裂技術，減小老頂初次來壓步距，加速覆巖裂隙的發育；另一方面，初采期進尺范圍內鉆場采用低層位密集鉆孔抽采，增加初采期瓦斯抽采量。

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