大采高综采工作面瓦斯运移聚集规律
关晋宏; 吉磊
【期刊名称】《《煤矿机电》》 【年(卷),期】2019(040)005 【总页数】4页(P71-73,77)
【关键词】高瓦斯矿井; 大采高综采; 瓦斯运移聚集 【作 者】关晋宏; 吉磊
【作者单位】长治市煤矿安全技术培训中心 山西长治046000; 山西省煤炭职工培训中心 山西太原030012 【正文语种】中 文 【中图分类】TD712+.52 0 引言
大采高综采工作面回采时煤层截落高度大、覆岩运移复杂、瓦斯集中释放，容易引起瓦斯超限，导致瓦斯突出、爆炸等工程灾害[1]。目前高瓦斯矿井采用布置大量抽采巷道、抽采钻孔和加大通风等技术措施[2-3]，投入大量人力物力进行瓦斯治理，但由于瓦斯运移聚集规律的复杂性，瓦斯抽采效果较差，矿井仍面临较大瓦斯威胁。掌握大采高综采工作面瓦斯运移和聚集规律，是瓦斯的高效抽放治理的基础。国内外专家对大采高综采瓦斯运移规律进行大量研究[4]，由于大采高采场覆岩垮落失稳的复杂性和多种影响因素综合作用，该问题仍需要进一步研究。
本论文以山西寨崖底煤矿15号厚煤层大采高综采工作面为研究对象，采用现场调研、理论分析和现场实测结合方法，对采动卸压瓦斯的运移和聚集规律分析，掌握大采高工作面瓦斯运移规律，实现高瓦斯矿井的安全高效开采。 1 采动卸压瓦斯运移规律
寨崖底煤矿主采15#煤层属于高瓦斯煤层，平均厚度6.51 m，煤层倾角1～13°，平均6°，上方31.49 m处为13#煤层，煤层厚度为0.56 m，瓦斯含量为5.42 m3/t；上方37 m处为12#煤层，煤层厚度为1.29 m，瓦斯含量为5.08 m3/t；下方9.05 m处为16#煤层，煤层厚度为0.3 m，瓦斯含量约为5 m3/t。1510工作面回采时由于采高大，垮落空间大，引起高位岩层的破坏失稳，破坏了煤岩层的原始应力场，引起了应力在煤岩层中在空间上的再分布，如图1所示。 图1 工作面围岩应力场在空间上的再分布
1)卸压瓦斯沿X轴方向上的移运规律：如图2所示，15#煤层开采时沿走向X轴方向上煤层及下邻近煤岩层随推进即破断垮落，得到卸压。采空区后方不同距离采场卸压程度不同，岩层垮落有孕育、发生和结束等过程，卸压也有开始、充分和稳定三个阶段。
图2 沿工作面X方向上卸压
根据实测，工作面采空区30～40 m采场岩层破断后开始较大范围垮落失稳，初步形成瓦斯运移的裂隙通道；在采空区40～90 m采场大范围的覆岩发生剧烈垮落失稳，裂缝大量贯通发生，形成了瓦斯运移通道；在采空区90m以外，采场覆岩趋于稳定，裂缝又重新闭合压实，瓦斯运移通道阻断。
2)卸压瓦斯在Y轴方向上的移动规律：卸压范围通常以卸压角表示，煤层倾角越大,卸压角越大;煤岩层性质越软,卸压角越大。图3所示为邻近煤层的卸压角，15#为近水平煤层，卸压角δ1约为55°，卸压角δ2约为65°。
3)卸压瓦斯在Z轴方向上的移动规律：厚煤层采用大采高工艺回采后覆岩发生较
大范围垮落失稳，在不同层位岩层形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图4所示。
图3 工作面倾向剖面卸压角 图4 Z轴方向上顶板分带与瓦斯分布
15#煤层回采后直接顶随即出现破断垮落，形成一定高度的冒落带H3，该区域破断块体大，块体间空隙大，瓦斯可以迅速通过上升到裂隙带中，故瓦斯积聚较少，抽采效果差。
裂隙带H4中破断岩层有较多裂隙贯通，具有瓦斯聚集空间，但由于高位弯曲下沉带岩层裂隙不发育，瓦斯没有继续上升的通道，故由冒落带运移的瓦斯大部分积聚在裂隙带中，形成富集区。
弯曲下沉带H5由于覆岩破坏运移幅度较少，且变形连续，故岩层中裂隙多次出现扩展后重新闭合，不能形成瓦斯运移的有效通道，阻断了瓦斯运移。 2 采动卸压瓦斯储集规律
实现瓦斯的精准抽采，要求弄清卸压后瓦斯的储集位置和来源。15#煤层回采时瓦斯储集主要有两大部分，一部分混在风流中通过通风系统排放到大气中，另一部分储存在采空区孔洞和采动岩层的孔隙或裂隙中。如图5所示，15#煤层开采后，在顶板上方12.25～51.92 m处形成大量离层裂隙，为瓦斯的存储提供了空间。 图5 瓦斯的运移与储集
15#煤层开采后，由于采动岩层运移破断，在顶板上方的12#、13#煤层和底板下方16#煤层形成裂隙通道；由于卸压作用，在15#煤层裂隙带中形成低应力区。煤岩层中瓦斯在扩散和升浮的作用，沿裂隙进入15#煤层裂隙带中形成瓦斯富集区。
通过以上分析可得出瓦斯在采动裂隙带的运移聚集特征：
1)采空区内的瓦斯在风流的作用下，瓦斯由进风巷侧向回风巷侧运移，工作面附近
由进风侧起瓦斯浓度逐渐增加。
2)大采高工作面采场瓦斯储集要求满足有运移通道和密度差条件，采动下煤层顶板和底板均出现破坏裂隙，形成瓦斯运移通道；采动卸压后出现较大瓦斯密度差，瓦斯不断向低密度区聚集，形成瓦斯富集区。 3 工作面瓦斯综合治理方案 3.1 治理方案
根据大采高综采卸压瓦斯运移规律分析，防治瓦斯灾害的综合治理方案为： 1) 优化通风系统，改善工作面通风方式。提出适应大采高综采工艺的通风布置方式来提高通风效率，稀释积聚瓦斯。
2) 优化抽采系统布置，对抽采钻孔层位、倾角等优化，提高抽采效率。 3.2 治理措施
1510大采高综采工作面瓦斯综合治理具体措施为： 1) 采用一进两回的U+I型通风方式。 2) 顺层钻孔抽采本煤层瓦斯。
3) 沿12#煤层顶板掘进走向高抽巷抽采上邻近层瓦斯。 3.3 具体操作
根据现场实际情况，1510工作面仅在回风巷布置本煤层抽采瓦斯钻孔，工作面倾斜长度为220 m，设计采用回风单侧布置本煤层钻孔：钻孔间距2 m，距离回风巷底板1.5～2 m，孔深120 m，孔径φ98 mm。
设计顶板走向高抽巷长度为1 066 m，前30 m为大断面掘进，后1 036 m为小断面掘进。高抽巷开口沿高抽准备巷平掘30 m，以10°的坡掘进112.1 m至K4石灰岩，沿K4石灰岩下部岩层掘进923.9 m至后高抽巷。高抽巷平行1510两巷巷道向开切眼方向布置，水平距离回风巷50 m。 4 工作面瓦斯综合防治效果分析
瓦斯防治效果实测自2017年11月19日起，至2018年1月2日止，期间工作面实际推进长度约73.4 m。根据现场瓦斯报表，作出1510工作面回风巷与尾巷在初采期间的瓦斯浓度、瓦斯涌出量变化图，如图6、图7所示。 图6 1510工作面初采期间瓦斯浓度
从图6和图7可以看出，1510工作面尾巷瓦斯浓度和瓦斯涌出量变化较大，工作面开始回采即迅速升高，于13日达到峰值，后趋于稳定，在24日工作面初次来压期间和2018年1月2日第一次周期来压期间，工作面尾巷、回风巷瓦斯浓度和涌出量呈小幅度增加。
图7 1510工作面初采期间瓦斯涌出量
自2017年12月9日开始，受采空区顶板垮落的影响，尾巷平均瓦斯浓度由0.5%上升到1.33%，尾巷涌出量由8.715 m3/min上升到18.41 m3/min；回风巷平均瓦斯浓度为0.55%，平均瓦斯涌出量为0.707 m3/min，瓦斯浓度和涌出量均上升。实测1510工作面绝对瓦斯涌出量平均为36.84 m3/min，按工作面绝对瓦斯涌出总量最大值44.2 m3/min计算，工作面的平均瓦斯抽采总量38.518
m3/min，平均瓦斯抽采率为87.14%≥70%，满足采煤工作面瓦斯抽采率的规定。 5 结论
1)通过综合对比分析得出,大采高综采工作面开采卸压是沿X轴、Y轴和Z轴方向瓦斯运移、积聚规律和特征，并进行了卸压后不同瓦斯富集区域的划分。 2)在扩散和升浮的作用下沿穿层顶底板裂隙，向上扩散，最后聚集在15#煤层开采的裂隙带中，形成瓦斯富集，也是抽采钻孔布置的合理层位。
3)分析了防治瓦斯的技术路径，提出1510大采高综采工作面协同瓦斯治理技术措施。通过现场实测可知平均瓦斯抽采率为87.14%，瓦斯治理效果良好，基本消除了瓦斯隐患。 参考文献：
【相关文献】
[1] 余学义，王琦，赵兵朝，等.大采高双巷布置工作面巷间煤柱合理宽度研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34(S1):3328-3336.
[2] 朱捷.白龙煤矿瓦斯抽放钻孔施工工艺研究[J].山东煤炭科技，2018(12):75-76.
[3] 刘晓恒，张富国.综放工作面瓦斯异常区综合治理技术[J].中国煤炭，2018，44(9):113-116. [4] 张亮.大采高综采工作面瓦斯治理技术[J].煤，2014，23(6):33-35.
