掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出原因分析與防治

路 鵬， 齊連旭

(遼寧鐵法能源有限責(zé)任公司，遼寧 調(diào)兵山 112700)

引 言

瓦斯異常涌出現(xiàn)象，一般是在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)中斷層、褶曲、火成巖侵入的地區(qū)容易發(fā)生。如果這個(gè)地區(qū)的構(gòu)造是由于受到強(qiáng)應(yīng)力而產(chǎn)生的話，則附近的煤層中的瓦斯便能通過此處的裂隙帶的開放性而不斷的向外擴(kuò)散出去。此時(shí)，這個(gè)區(qū)域的瓦斯由于附近的封閉性的裂縫而不易向外擴(kuò)散，導(dǎo)致瓦斯含量較大，當(dāng)在這個(gè)區(qū)域附近工作時(shí)，會(huì)容易發(fā)生瓦斯涌出異常的狀況。

1 煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出發(fā)生經(jīng)過

1.1 瓦斯異常涌出現(xiàn)象描述

2018年1月22日4點(diǎn)班23時(shí)14分，南五903運(yùn)順掘進(jìn)工作面距迎頭3m施工頂板錨索孔時(shí)發(fā)生噴孔現(xiàn)象，工作面甲烷傳感器瞬時(shí)增大1.46%，人員撤至回順口新鮮風(fēng)流中。該掘進(jìn)面掘進(jìn)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(fēng)量550 m3/min，回風(fēng)風(fēng)量650 m3/min，噴孔發(fā)生前回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.45%，噴孔后12 h平均濃度0.95%。

1.2 噴孔前工作面突出指標(biāo)測(cè)定

22日白班距噴孔點(diǎn)2.4 m測(cè)定突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，測(cè)得8煤Δh2=117.6 Pa(濕),9煤Δh2=98.0 Pa(干)；工作面左側(cè)8煤厚1.3 m，右側(cè)0.5 m。

2 瓦斯異常涌出原因分析

2.1 保護(hù)層開采的影響

南五903工作面理論上均位于上保護(hù)層7-2#煤層已采區(qū)域(707、709工作面)被保護(hù)范圍之內(nèi)，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(dòng)態(tài)變化之中，903工作面運(yùn)順沿傾斜方向80 m范圍屬于未受保護(hù)區(qū)域，因此，903工作面運(yùn)順在掘進(jìn)過程中容易受應(yīng)力集中影響而導(dǎo)致瓦斯異常涌出，比如在掘進(jìn)過程中施工預(yù)抽鉆孔有噴孔現(xiàn)象。

2.2 采動(dòng)影響區(qū)瓦斯賦存演化規(guī)律

煤層瓦斯主要以吸附于孔隙表面及承壓于煤巖體孔、裂隙內(nèi)的狀態(tài)賦存，在巖體應(yīng)力與瓦斯壓力下處于相對(duì)平衡狀態(tài)，但在采動(dòng)影響下會(huì)被打破，煤巖體隨之變形破裂，滲流結(jié)構(gòu)得到改變，瓦斯得以解吸、擴(kuò)散、滲流、運(yùn)移。煤層開采后，瓦斯運(yùn)移及儲(chǔ)集依賴于采場(chǎng)覆巖裂隙發(fā)育演化規(guī)律及其形態(tài)[1]。

煤層開采后，底板采動(dòng)影響有兩方面：非破壞性影響與破壞性影響。受非破壞性影響時(shí),底板巖體采動(dòng)后只產(chǎn)生微小的應(yīng)力變化或整體移動(dòng),不產(chǎn)生連通性裂隙，因此，不會(huì)形成瓦斯釋放的通道；受破壞性影響時(shí)，底板巖體產(chǎn)生移動(dòng)、變形及裂隙，并且形成連通性通道。當(dāng)采動(dòng)破壞影響帶波及到含瓦斯富集區(qū)時(shí),就會(huì)導(dǎo)致瓦斯異常涌出現(xiàn)象，造成采掘工作面瓦斯超限。煤層開采后,原巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生破壞,造成部分區(qū)域應(yīng)力集中,部分區(qū)域應(yīng)力釋放。支承壓力是導(dǎo)致煤層底板運(yùn)動(dòng)發(fā)展的根源。隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)覆巖自下而上發(fā)生冒落、斷裂和彎曲沉降。在圍巖應(yīng)力重新分布的范圍內(nèi)，作用在煤層、巖層和巖石上的垂直壓力稱為支承壓力，其一部分直接向底板巖體傳播，一部分通過采空區(qū)兩側(cè)煤體和巖層間接向煤層底板巖體傳播[2]。

通過大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)可以得出,底板運(yùn)動(dòng)主要是由于垂向應(yīng)力變化導(dǎo)致底板巖體的垂向運(yùn)動(dòng)。在煤層開采初期,底板位移為整體向下，支承壓力壓縮區(qū)略大于采空區(qū)，隨著工作面的推進(jìn)[3],支承壓力區(qū)位移量增大，采空區(qū)巖層轉(zhuǎn)向向上運(yùn)動(dòng)隨采空區(qū)的增大，支承壓力加大，支承壓力區(qū)的垂向位移量增加，而采空區(qū)向上的位移量也增加。

2.3 瓦斯異常涌出分析結(jié)果

經(jīng)過對(duì)該區(qū)域瓦斯異常涌出的影響因素-保護(hù)層開采、火成巖侵入、采動(dòng)影響區(qū)等因素分析，得出其原因是由于火成巖從8#煤與9-3#煤層之間侵入，造成了8#煤變質(zhì)程度提高、吸附瓦斯量增大、動(dòng)壓影響區(qū)瓦斯解吸量增大，再加上8煤局部區(qū)域被火成巖侵蝕而產(chǎn)生了大量的游離瓦斯，均富集于9煤頂板火成巖蓋層之上的圍巖裂隙空隙且不易擴(kuò)散；南五903運(yùn)順處于7-2#煤層采空區(qū)動(dòng)壓影響范圍之內(nèi)，903掘進(jìn)工作面一旦由于采動(dòng)影響而產(chǎn)生裂隙，就形成了富集瓦斯區(qū)域釋放的通道，從而發(fā)生瓦斯異常涌出現(xiàn)象，導(dǎo)致工作面瓦斯超限而影響安全生產(chǎn)。

經(jīng)估算7-2#煤層開采后其采空區(qū)底板破壞帶深度為20.3 m，小于與9#煤層層間距31.74 m，且南五709工作面剛剛回采結(jié)束，其底板變形產(chǎn)生的裂隙尚無法影響到9#煤層，即7-2#煤層采空區(qū)的卸壓瓦斯和遺煤釋放瓦斯不會(huì)通過底板裂隙涌到9#煤采掘工作面。

3 瓦斯異常涌出治理措施及效果

3.1 瓦斯治理措施

南五903掘進(jìn)工作面于2018年1月22日出現(xiàn)瓦斯異常現(xiàn)象后，及時(shí)采取了施工超前抽采孔對(duì)9#煤層及鄰近層8#煤層瓦斯進(jìn)行了抽采，截止到3月末，共施工抽采鉆孔112個(gè)，鉆孔工程量5 995 m。

3.2 瓦斯抽采效果分析

南五903掘進(jìn)工作面最大抽采純瓦斯量達(dá)到8.06 m3/min，共抽采瓦斯量28.8萬m3，保證了巷道安全掘進(jìn)。抽采瓦斯量和風(fēng)排瓦斯量隨推進(jìn)時(shí)間變化曲線，如圖1所示。

從圖1瓦斯涌出變化曲線來看，在1月22日出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象后，風(fēng)排瓦斯涌出量急劇增加，最大瓦斯涌出量達(dá)到5.1 m3/min；隨后立即采取了施工穿層鉆孔預(yù)抽8#煤變質(zhì)區(qū)域瓦斯措施，最大瓦斯抽采量達(dá)到8.06 m3/min，風(fēng)排瓦斯量迅速下降；之后隨著預(yù)抽措施的繼續(xù)施工，瓦斯抽采量的增大，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量恢復(fù)至正常水平，消除了突出危險(xiǎn)性，工作面得以安全掘進(jìn)。截止到3月26日，共抽采瓦斯量28.8萬m3。

圖1 風(fēng)排瓦斯量及抽采瓦斯量隨巷道推進(jìn)時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

通過對(duì)南五903運(yùn)順掘進(jìn)過程中瓦斯異常涌出現(xiàn)象的影響因素分析，得出其具體原因；并根據(jù)這一現(xiàn)象，提出了針對(duì)性的瓦斯治理措施，可為今后有類似現(xiàn)象的瓦斯治理提供借鑒。具體結(jié)論為：

1) 南五903運(yùn)順瓦斯異常涌出現(xiàn)象為8#煤層受火成巖影響煤發(fā)生變質(zhì)、吸附能力增強(qiáng)、動(dòng)壓影響下而釋放的大量游離瓦斯，富集于9#煤頂板火成巖蓋層之上不易擴(kuò)散、掘進(jìn)過程中受集中應(yīng)力影響下頂板出現(xiàn)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(qū)卸壓瓦斯和遺煤瓦斯不會(huì)通過9#煤頂板裂隙涌入到9#煤采掘工作面。

2) 經(jīng)施工錨索鉆孔發(fā)現(xiàn)這一異常涌出現(xiàn)象后，采取了施工頂板穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的措施，共施工抽采鉆孔112個(gè)，鉆孔工程量5 995 m；控制范圍為掘進(jìn)工作面前方60 m、巷道輪廓線外15 m、距煤層頂板6 m；可掘進(jìn)距離為每輪40 m，預(yù)留20 m措施超前距；掘進(jìn)過程中對(duì)火成巖影響區(qū)進(jìn)行突出預(yù)測(cè)和超前鉆探，并結(jié)合頂板打錨桿錨索孔情況判定工作面安全性。經(jīng)過以上預(yù)抽措施，消除了突出危險(xiǎn)性，保證了巷道安全掘進(jìn)。