厚煤層工作面采空區(qū)頂板破斷與瓦斯涌出分析

席興云

（大同煤礦集團有限責任公司通風處， 山西　大同　037003）

引言

采空區(qū)頂板擾動是伴隨著煤層開采而時刻變化的，是礦山壓力的一種外在表現(xiàn)形式。采空區(qū)上方上覆巖層產(chǎn)生變形、下沉及斷裂等變化形成裂隙、裂紋，從而改變了瓦斯原有的賦存狀態(tài)及運移形式[1-2]。在一定范圍內(nèi)，瓦斯從煤層及圍巖中通過貫穿的空隙空間向采空區(qū)和工作面運移，甚至急劇涌出[3]。采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出的能量來源于頂板破斷作用于采空區(qū)的濃度差（壓力差），同時在負壓風流的驅使下，瓦斯氣體從濃度高的地方向濃度低的工作面擴散。伴隨著上覆巖層的繼續(xù)垮落、運移、壓實，促使采空區(qū)孔隙逐漸變小，造成破碎的煤巖體趨于壓實狀態(tài)，直至壓力平衡[4]。

1　工程概況

1401大采高工作面位于沁水煤田東南邊緣的西翼，其井下西臨1402工作面，北為西軌大巷，西南為嘉豐煤礦采空區(qū)，主采二疊系山西組3號煤層，煤體呈黑色，厚層狀結構，局部含0.1 m左右的夾矸。煤體的容重為1.46 t/m3，其普氏硬度系數(shù)為1～2；煤層底板標高為278～326 m，地面標高為550～670 m，其蓋山厚度為230～380 m。該礦西井區(qū)3號煤平均厚度為6.1 m，煤層傾角為1～4°，平均2°，屬于近水平煤層。

工作面地質(zhì)構造簡單，總體為北低南高的單斜構造。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，煤層上方偽頂為粉砂質(zhì)泥巖，層厚為0.4 m；直接頂為粉砂巖，平均厚度2.83 m，以小型交錯節(jié)理為主，下部夾薄層砂巖，深灰色厚層狀結構；基本頂為細粒砂巖，平均厚度6.3 m，灰白色巨厚層狀結構成分，呈灰黑色并含少量植物化石；直接底為砂質(zhì)泥巖，深灰色，含豐富的植物化石，厚0.51 m；基本底主要是細粒砂巖，含云母，灰色巨厚層狀結構，平均厚度5.9 m。

西區(qū)井田位于沁水復式向斜盆地的南端東翼，陽城山字型構造體系脊柱部分的南端，馬蹄形盾地的北側，小西洼背斜西側，井田基本構造形態(tài)與區(qū)域構造一致，整體為東南高西北低的向斜構造。

根據(jù)1997年10月煤科總院重慶研究院提供的3號煤層瓦斯基本參數(shù)測定報告和2006年12月河南理工大學瓦斯地質(zhì)研究所提交的3號煤層瓦斯地質(zhì)研究報告可知，西井區(qū)3號煤層平均原煤瓦斯含量為 17.63 m3/t，瓦斯壓力為 0.2～2.12 MPa，殘存量為3.52 m3/t。由于受DF9斷層構造作用的影響，該區(qū)域附近瓦斯賦存較高，原煤瓦斯含量為28 m3/t，瓦斯壓力為3 MPa，絕對瓦斯涌出量為280 m3/min；在2007年5月20日掘進過程中發(fā)生了一起煤與瓦斯突出事故，突出煤量300多t，使西井區(qū)升級為煤與瓦斯突礦井。1401工作面是西井區(qū)首采工作面，原煤瓦斯含量為 18～24 m3/t，瓦斯壓力為 1.5～2.5 MPa，絕對瓦斯涌出量為220～240 m3/min。

2　采動影響下瓦斯風流的運移特征

從上述采空區(qū)瓦斯風流特征發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的推進，頂板破斷改變采空區(qū)垮落巖石的介質(zhì)特征，同時影響著產(chǎn)生高速氣流對工作面瓦斯的涌出。根據(jù)關鍵層破斷對瓦斯涌出的沖擊作用分析可得，隨著工作面的推進，大采高工作面后方垮落矸石隨頂板破斷向采空區(qū)深部密實性逐步增高，從而使回采空間內(nèi)形成瓦斯壓力梯度；同時頂板擾動產(chǎn)生強大的沖擊氣流，從而使得采空區(qū)內(nèi)矸石及遺煤的瓦斯解吸快速向工作面涌出[5-6]。

因而，可將1401工作面采空區(qū)簡化為一體積很大的扁平容器，暫不考慮通風方式、尾巷布置及頂?shù)装迕海ㄅR近層）巖石等周邊向采空區(qū)涌入瓦斯，且將進風巷及回風巷視為扁平容器底部的兩個孔，并不計兩孔間風流的靜壓差和速壓差，便有圖1所示的計算簡圖。

圖1　頂板失穩(wěn)沖擊大采高工作面矸石垮落模型

假設容器內(nèi)氣體為理想氣體，其密度為ρa，（kg/m3），顯然容器內(nèi)氣體承受著比巷道內(nèi)風流更高的壓力，由Birmoulli能量方程得。

式中：vG為采空區(qū)氣體流速，m/s；v0為巷道內(nèi)氣體流速，m/s；P0為巷道內(nèi)氣體壓力，Pa。

根據(jù)連續(xù)性方程：vGAG=2v0A0，得 vG=2v0A0/AG，故：

式中：pG為頂板失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊力與采空區(qū)內(nèi)漏風壓力的合成，Pa；AG、A0為采空區(qū)及兩巷道面積，m2。

考慮到阻力損失和壓差存在，及模型與實際情況的差異，將式（2）乘以簡化系數(shù)R，則可得到采空區(qū)內(nèi)瓦斯在頂板破斷失穩(wěn)后產(chǎn)生的擾動氣流向尾巷向上隅角涌出的瞬時速度為：

由頂板破斷沖擊工作面矸石模型可知，隨著工作面的推進，大采高工作面后方垮落矸石隨頂板破斷向采空區(qū)深部密實性逐步增高，從而使回采空間內(nèi)形成瓦斯壓力梯度；同時頂板擾動產(chǎn)生強大的沖擊氣流，使得采空區(qū)瓦斯大量解吸后迅速“壓”向采面及尾巷橫川處。由上式3分析可得，頂板失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊力與采空區(qū)內(nèi)漏風壓力的合成pG越大，采面及尾巷橫川處的風流速度就越大，進而會出現(xiàn)短時間內(nèi)瓦斯涌出量急劇增高現(xiàn)象，給工作面安全生產(chǎn)帶來極大隱患。

3　采空區(qū)頂板擾動對瓦斯涌出的影響

結合該礦1401工作面風流運移方式（如圖2所示），在回風巷距煤壁50 m處加設一道風墻，增大回風巷的風阻，使得工作面大部分風流及采空區(qū)漏入風流經(jīng)尾巷橫川排出，從而解決上隅角瓦斯超限問題。本文從大采高工作面上隅角及尾巷橫川處的風流及瓦斯涌出量變化的相對關系來反應采空區(qū)頂板破斷擾動的影響。

本文為分析采空區(qū)頂板擾動對工作面瓦斯涌出的影響，進而隨著工作面的推進，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測1401工作面上隅角及尾巷橫川處的風速及瓦斯涌出量變化，分析采動區(qū)頂板擾動與瓦斯涌出的關系。表1為上隅角及尾巷橫川處采空區(qū)頂板破斷前后風速及瓦斯涌出量的變化情況。

圖2　1401工作面風流運動示意圖

表1　頂板擾動與瓦斯涌出量關系

由上述監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，非來壓期間工作面上隅角處風速為3.61 m/s，絕對瓦斯涌出量為33.47 m3/min；而工作面初次來壓時風速增大到4.32 m/s，絕對瓦斯涌出量為33.47 m3/min，初次來壓時的風速較非來壓期間增大了1.2倍，其絕對瓦斯涌出量相應地增大了1.74倍；而對于工作面尾巷橫川處，非來壓期間風速為4.39 m/s，絕對瓦斯涌出量為65.87 m3/min；工作面初次來壓時風速為5.16 m/s，絕對瓦斯涌出量為112.2 m3/min，來壓時的風速較非來壓期間增大了1.17倍，絕對瓦斯涌出量同時也增大了1.7倍；這是因為工作面初采階段，大采高采出空間內(nèi)只有偽頂及部分直接頂垮落后自然堆積的矸石，使得采空區(qū)深部尚有大量的風流運移空間，不會發(fā)生大量瓦斯積聚現(xiàn)象，進而工作面初次來壓時，頂板破斷產(chǎn)生的沖擊風流，使得短時間內(nèi)工作面上隅角及尾巷橫川處瓦斯涌出量同時增大。

進入正常回采階段，工作面后方垮落矸石的密實程度逐步增高，由于尾巷橫川距工作面距離的差異使得上隅角及尾巷橫川處風流速度及瓦斯涌出量產(chǎn)生變化。為了更直觀地體現(xiàn)頂板擾動對瓦斯涌出的影響，如曲線變化圖3、圖4所示。

圖3　頂板擾動與風流速度關系曲線圖

圖4　頂板擾動與瓦斯涌出量關系曲線圖

隨著工作面推進，采空區(qū)后方垮落矸石逐漸被壓實，風流難以稀釋積聚的瓦斯，使得大量的瓦斯積存在采空區(qū)內(nèi)，當工作面第3～4次周期來壓時，由于尾巷橫川距離工作面較遠，采空區(qū)頂板破斷產(chǎn)生的強大沖擊氣流，很難通過垮落矸石裂隙由尾巷橫川排出，使得尾巷橫川處風流速度最低至2.18 m/s，瓦斯涌出量僅為60.2 m3/min；相反沖擊氣流能夠克服回風巷風墻的阻力及負壓通風的壓力，將高濃度的瓦斯氣體壓入工作面，使得瓦斯?jié)舛燃眲≡龈撸嫌缃峭咚褂砍隽孔罡哌_到81.2 m3/min，且持續(xù)較長一段時間嚴重影響了工作面正常生產(chǎn)。針對1401工作面大采高開采條件，周期來壓期間，時常出現(xiàn)工作面瓦斯超限現(xiàn)象，可以在距工作面更近的回風巷與尾巷間人工增開橫川，使得采空區(qū)風流經(jīng)尾增開橫川排出，達到降低瓦斯的效果；根據(jù)以上對采空區(qū)瓦斯涌出有效深度的分析，增開橫川最好選在距工作面15 m處。

4　結論

1）結合采空區(qū)頂板垮落形式，將采空區(qū)沿水平方向劃為自然堆積區(qū)、擾動影響區(qū)及壓實穩(wěn)定區(qū)；

2）隨著工作面推進，大采高工作面后方回采空間內(nèi)形成瓦斯壓力梯度；

3）大采高頂板擾動產(chǎn)生強大的沖擊氣流，將采空區(qū)瓦斯迅速“壓”向工作面及尾巷橫川處，造成工作面上隅角及尾巷橫川處風速及瓦斯涌出量急劇增高；

4）隨著尾巷橫川與工作面距離的增大，上隅角在周期來壓期間會出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。

[1]付明明.頂板垮落對回風巷側采空區(qū)三帶內(nèi)瓦斯運移和爆炸影響的試驗研究[D].邯鄲：河北工程大學，2012.

[2]孫家偉.石港煤礦堅硬頂板高瓦斯綜放面初采期瓦斯涌出特征及治理關鍵技術研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2014.

[3]李化敏，蘇承東，宋常勝.采空區(qū)頂板垮落與瓦斯涌出關系的模擬實驗研究[J].煤炭工程，2007（11）：32-34.

[4]胡千庭，梁運培，劉見中.采空區(qū)瓦斯流動規(guī)律的CFD模擬[J].煤炭學報，2007（7）：737-739.

[5]王家臣，王進學，沈杰，等.頂板垮落誘發(fā)瓦斯災害的試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2007（1）：49-52.

[6]揣文峰，王緒光.采煤工作面初次放頂?shù)募夹g與管理[J].遼寧工程技術大學學報，2003（2）：28-30.