淺析綜放工作面礦壓顯現與瓦斯變化關系

郭守坤，吳軍峰

(陜西陜煤韓城礦業有限公司 桑樹坪煤礦,陜西 渭南 715407)

桑樹坪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采的3號煤層為“三軟”煤層,2021年度礦井瓦斯絕對涌出量為35.39 m3/min，相對瓦斯涌出量為26.33 m3/t.

礦井采用“五進二回”的分區式通風方式，抽出式通風方法，分別為1號膠帶斜井、3號膠帶斜井、4號進風斜井、5號進風斜井、6號副斜井進風，南一回風斜井、北二回風斜井回風。

礦井總進風量13 786 m3/min，主扇總排風量15 021 m3/min，其中：礦井總回風量14 793 m3/min，南一回風井7 345 m3/min，北二回風井7 448 m3/min.

1 工作面地質情況

4321工作面傾斜上部直接頂為粉砂巖、中砂巖，頂板巖性堅硬，厚10.0～23.0 m，平均厚度16.65 m，屬于Ⅲ類中等穩定巖層，抗壓強度33.8 MPa，抗拉強度7.2 MPa，抗剪強度22 MPa，普氏系數4.89；傾斜下部有部分砂質泥巖頂板存在，厚3.0 m，基本頂為中砂巖，抗壓強度80.5 MPa，抗拉強度5.7 MPa，普氏系數7.9；煤層直接底板一般為細砂巖，灰黑色，堅硬致密，中厚層狀，厚1.0～5.8 m,平均3.0 m，抗壓強度53.6 MPa，抗拉強度5.5 MPa，抗剪強度25.4 MPa，普氏系數7.0，局部漸變為砂質泥巖，巖性相對較軟，屬于Ⅳ類穩定性較差的巖層。

2 工作面瓦斯情況

回采工作面瓦斯涌出量由開采層(包括圍巖)和鄰近層兩部份組成，計算公式如下：

q=q1+q2

式中：q為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t.

2.1 開采層瓦斯涌出量

q1=K1K2K3(m/M)·(W0-Wc)

式中：K1為圍巖瓦斯涌出系數，一般取1.2.K2為回采工作面丟煤涌出系數，其值為回采率的倒數，該工作面回采率為85%，K3=(B-2b)/B，取1.17.K3為巷道掘進預排系數，后退式回采。B為回采工作面長度，170 m；b為巷道瓦斯預排寬度(無煙煤、貧煤取10.5 m，瘦煤、焦煤取14.2 m，其他煤種取18 m)，這里3號煤為瘦煤，取14.2 m，計算得K3=0.83.m為開采層厚度，平均煤厚7 m.M為工作面采高，工作面為放頂煤采全厚.W0為預抽后煤層剩余瓦斯含量，最大為5.9 m3/t.Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t.根據日常3號煤測定平均為1.3 m3/t.根據計算公式求得：

q1=1.2×1.17×0.83×1.0×4.6=5.36 m3/t.

2.2 鄰近層瓦斯涌出量

3號煤臨近煤層主要為上部2號煤層，其余臨近煤層瓦斯涌出量可忽略不計。

式中：q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i個鄰近層煤層厚度，2號煤層平均厚度0.75 m；M為工作面采高，取7 m；ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率，這里取1；W0i為第i個鄰近層煤層原始瓦斯含量，臨近2號煤層4219工作面原始瓦斯含量4.43～5.14 m3/t，平均5.14 m3/t；Wci為第i個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，取1 m3/t.

q2=(5.14-1)×0.75/7=0.44 m3/t.

綜采面相對瓦斯涌出總量為q=q1+q2=5.36+0.44=5.8 m3/t，按平均日產4 200 t煤計算，綜采面絕對瓦斯涌出量Q為：

Q=5.8×4 200/1 440=16.92 m3/min.

根據回采期間的監測數據顯示：該工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為3.9～4.3 m3/min，相對瓦斯涌出量為1.4～3.2 m3/t.

2 工作面回采情況

4321工作面采用U型通風，實際配風量1 098 m3/min，傾斜可采長度1 132.7 m，切眼長度170 m，平均煤厚5.65 m，回采率85%，3號煤容重1.38 t/m3，地質儲量150.14萬t，可采儲量127.62萬t.工作面于2019年4月開始回采，于2020年8月底結采回撤，累計回采時長1年零5個月。

3 回采期間瓦斯治理

回采過程中采用多種形式進行瓦斯治理。

1) 合理安排推采。根據綜采面地質構造及煤巷變化情況調整采高，隨上隅角瓦斯變化情況調整循環進尺，保證瓦斯自然釋放時間，確保推采過程中瓦斯不超限。

2) 通過煤體注水來控制瓦斯。生產過程中，根據煤厚變化情況制定多種注水方案，保證注水效果。由于處于原始環境中的含瓦斯煤體是一種氣固耦合平衡體，改變任何一方均會同時對另一方產生影響，煤層注水不僅能對瓦斯和煤體起綜合作用，還能起防塵作用。在孔內注液壓力作用下，煤體內裂隙的發展與外液的浸潤同步進行，增加工作面前方塑性區卸載帶的寬度，降低應力峰值大小，從而使防突效果更加明顯。

3) 采用本煤層、穿層鉆孔、采空區等抽放方式進行瓦斯治理，由北區250 m3/min瓦斯抽放泵抽放采空區瓦斯，500 m3/min抽放泵負擔本煤層、穿層鉆孔的瓦斯抽放，實現高、低負壓分源抽采。

4 回采期間綜采面礦壓數據與瓦斯涌出關系

4321綜放工作面初次來壓步距為24 m，周期來壓步距為9.5 m.通過礦壓監測與瓦斯監測，得到4321綜采面礦壓數據與瓦斯涌出關系，見表1、圖1。從圖1中可知，瓦斯涌出呈周期性變化，基本與礦壓顯現同步。

圖1 礦壓與瓦斯濃度關系曲線圖

表1 礦壓與瓦斯濃度匯總

5 回采過構造期間工作面支架工作阻力與瓦斯涌出量關系

回采期間，共計過斷層4次，2020年5月23日推采至807 m處時，探查到1處斷距為2.2 m的正斷層，過斷層采取打眼放松動炮措施；7月8日推采至880 m處時，出現底板撓曲構造，采取打眼放松動炮措施進行回采；7月27日推采至918 m處時，遇一西傾正斷層構造，斷距0.5 m，向前50 m工作面內部70架開始揭露，斷距2.5 m，采取施工釋放孔以及煤機破底等措施進行回采；8月16日推采至960 m時，工作面進入斷距為1 m的正斷層構造，回采工藝調整為沿底放頂煤，區域驗證鉆孔調整為雙排布置，并且在工作面執行完區域驗證鉆孔并測定指標正常后，在工作面執行瓦斯釋放鉆孔措施進行回采。通過對相關數據的分析，回采過構造期間，工作面支架工作阻力變化不大，回風瓦斯濃度相對平穩，無超限。

5 瓦斯濃度接近超限的分析

4321綜采面回采期間共發生了3次瓦斯濃度預警接近超限的情況，對3次瓦斯濃度接近超限期間工作面液壓支架壓力與回風瓦斯濃度進行對比，見表2.

表2 支架壓力與瓦斯濃度對比

從工作面3次瓦斯濃度預警接近超限與工作面支架壓力關系數據分析可知：

1) 綜采面回風巷7月22日瓦斯預警，濃度接近超限(0.85%)，同時工作面平均壓力增大，見圖2 ，工作面多數支架瞬時工作阻力超過30 MPa，個別超過40 MPa，說明此次瓦斯預警為周期來壓引起。

圖2 7月22日礦壓監測曲線

2) 綜采面回風巷7月25日發生瓦斯預警，濃度接近超限(0.81%)，同時工作面中間段壓力集中顯現，見圖3，說明此次瓦斯預警為工作面中部來壓引起。

圖3 7月25日礦壓監測曲線

3) 綜采面回風巷8月19日發生瓦斯預警，濃度接近超限(0.9%)，同時工作面前部壓力集中顯現，見圖4，說明此次瓦斯預警為工作面局部來壓引起。

圖4 8月19日礦壓監測曲線

7 結 語

通過對桑樹坪煤礦4321綜采工作面礦壓顯現與瓦斯涌出數據的統計分析，可知綜放工作面在頂板周期來壓會引起瓦斯涌出量和濃度增大，期間應加強管理，確保安全生產。