火成巖侵入條件下被保護層掘進工作面瓦斯異常涌出原因分析

鄧欣雨， 柳東明， 劉 鵬

(1.鐵法煤業(集團)大強煤礦有限責任公司，遼寧 沈陽 110514；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122； 4.鐵嶺市應急管理局，遼寧 鐵嶺 112000)

1 工作面概況及瓦斯治理措施

1.1 工作面基本情況

南五903工作面位于南五采區中北部。工作面設計可采走向長641 m，切眼寬240 m。工作面東部為F38號斷層，南部為工作面采區煤柱，西部為未采動區，北部為9煤層最低可采邊界。

1.2 工作面煤層特征及火成巖侵入情況

本工作面西南部8、9煤層合層，煤層較厚在2.64 m～3.11 m之間，東北部8、9煤層分層，9煤層逐漸變薄，9煤層呈南厚北薄趨勢，平均煤厚為2.11 m，南部煤層頂板受一條厚度在3 m～4 m的火成巖巖床侵入，影響煤層局部有變質現象。本工作面頂板以細砂巖和粗砂巖為主，底板以粉砂巖為主。

根據本工作面4個地質鉆孔和上部南五707工作面實見資料看，該工作面火成巖侵入復雜。南五707回順有火成巖侵入體實見，工作面有3個地質鉆孔實見3.00 m～4.03 m厚火成巖，分析認為火成巖是以F38號斷層為侵入通道，侵入到煤巖層薄弱區。本工作面火成巖侵入形式以巖床為主，侵入層位在9煤層頂板1.5 m以上，厚度3.48 m左右，由于火成巖是以F38號斷層為侵入通道，鄰近工作面回順，因此本工作面回順側火成巖侵入較為嚴重，局部有可能形成無煤區，對掘進影響較大。

1.3 鄰近煤層賦存及開采情況

本工作面上部7-2煤層已開采(南五707、709工作面已回采結束)，局部為應力集中區，7-2與9煤層間距一般為31.74 m，處于被保護區，但由于9煤層頂板發育一火成巖巖床，掘進過程中應加強突出指標的測試工作。

工作面上鄰9-3、8、7-2煤層，9-3煤層局部發育，與9煤層間距3.88 m，煤層厚0.53 m，不可采；8煤層大部分發育，與9煤層間距一般為11.34 m，煤厚0.82 m～1.00 m，未采動；7-2煤層與9煤層間距一般為31.74 m，煤厚在3.52 m～6.37 m，已采動。工作面下鄰10-1煤層，與9煤層間距在1.20 m～4.29 m，工作面南部距9煤層較近為1.2 m，北部距9煤層較遠為4.29 m，一般間距為1.42 m，煤厚平均為0.60 m。

1.4 工作面瓦斯治理措施

根據鄰近層采掘關系，其上鄰近層南五707、709工作面已采區域對南五903工作面來說構成了上保護層開采。因此，保護層開采為區域防突措施。第68頁圖1為南五903工作面實際受保護區域。

圖1 南五903工作面實際受保護區域

2 瓦斯異常涌出經過

2.1 噴孔現象描述

2020年1月22日4點班23時14分，南五903運順掘進工作面(已掘進至288 m處)距迎頭3 m施工頂板錨索孔時發生噴孔現象，工作面甲烷傳感器瞬時達1.5%，人員撤至回順口新鮮風流中。該掘進面掘進至298 m，錨索布置為3-0-2-0，該孔為3-0中間孔，孔深5.4 m(巖性描述：0 m～3.4 m砂巖；-4.5 m煤；-5.4 m火成巖)，工作面風量550 m3/min，回風風量650 m3/min，噴孔發生前回風流平均瓦斯濃度0.45%，噴孔后12 h 平均濃度0.95%。

2.2 噴孔前工作面突出指標測定

1月22日白班距噴孔點2.4 m測定突出預測指標，測得8煤層Δh2= 117.6 Pa(濕),9煤層Δh2=98.0 Pa(干)；工作面左側8煤層厚1.3 m，右側0.5 m。

2.3 現場處置及效果

1月23日白班現場查驗工作面頂板有一裂隙面，無明顯瓦斯涌出，僅錨索孔有瓦斯涌出，有輕微哨聲。現場使用聚氨酯4分管封孔，連抽4吋管上。通風處現場要求，涌出瓦斯要導入抽采系統，盡快形成永久抽采系統；工作面要采取局部防突措施(8煤層、9煤層)。

通過采取抽采措施后，回風瓦斯濃度降至0.7%，抽采瓦斯量1.97 m3/min，至1月23日晚20時工作面瓦斯濃度降至0.9%。經統計，噴出瓦斯量3.7 m3/min，至25日晚20時工作面總瓦斯涌出量 4 662 m3。

3 瓦斯異常涌出原因分析

3.1 保護層開采影響

南五903工作面從理論上來說，均位于上保護層7-2煤層已采區域(707、709工作面)被保護范圍之內，但由于709工作面于2018年1月19日剛采完，上覆圍巖尚處于動態變化之中，903工作面運順沿傾斜方向80 m范圍屬于未受保護區域。因此，903工作面運順在掘進過程中容易受應力集中影響而導致瓦斯異常涌出，比如在掘進過程中施工預抽鉆孔有噴孔現象。

3.2 火成巖侵入影響

巖漿巖侵入的熱力烘烤使煤的變質程度提高，伴生的瓦斯量增加，巖漿巖的封蓋對煤層瓦斯的逸散起到一定的阻礙作用[1-3]。從第69頁工作面運順剖面圖2可以看出，火成巖沿8煤層與9-3煤層之間侵入，部分8煤層被侵蝕掉，侵蝕過程中大量解吸瓦斯富集于圍巖裂隙孔隙中；8煤層煤體焦化變質后對瓦斯吸附性增強，在地應力共同作用下，煤層瓦斯吸附量增高，瓦斯含量增大，上鄰近層7-2煤層開采后，8煤層卸壓瓦斯解吸量增大，富集于火成巖蓋層之上。在這種特定的地質條件下演變成了瓦斯富集區，成為瓦斯異常涌出的來源。一旦由于采動影響而產生裂隙，則形成了卸壓瓦斯釋放的通道[4-6]。本次南五903工作面運順掘進期間的瓦斯異常涌出現象，也是此種原因造成。

圖2 南五903運順剖面圖

3.3 上覆采空區動壓影響

南五903工作面上保護層南五709工作面于2018年2月19日回采結束，其上覆巖層尚處于動態變化過程中，經保護層開采保護范圍確定，南五903工作面運順沿傾斜往上80 m范圍為未受保護區，即處于應力集中帶，在掘進時應采取超前鉆孔卸壓措施。

南五903工作面1月22日掘進至296 m，距南五709工作面平面位置304 m，即南五903運順位于南五709工作面采空區影響范圍內，其相對位置見圖3所示。

圖3 南五903掘進面與南五709回采面相對位置關系圖

4 結論

南五903工作面運順瓦斯異常涌出現象為8煤層受火成巖影響煤發生變質、吸附能力增強、動壓影響下而釋放的大量游離瓦斯富集于9煤層頂板火成巖蓋層之上不易擴散、掘進過程中受集中應力影響下頂板出現裂隙而形成了瓦斯釋放的通道造成的。而上鄰近層7-2煤層采空區卸壓瓦斯和遺煤瓦斯不會通過9煤頂板裂隙涌入到9煤采掘工作面。