近距离煤层瓦斯涌出量影响因素之研究

赵效中

(西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052)

·试验研究·

近距离煤层瓦斯涌出量影响因素之研究

赵效中

(西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052)

为提高近距离煤层采煤面瓦斯涌出量受邻近层影响程度的预测准确性，以西山矿区西铭矿48402工作面为例，通过对地应力、瓦斯分布、瓦斯含量、瓦斯抽采等方面的分析研究，根据该面相关实测参数，得出了影响瓦斯涌出量的因素主要是三个方面，即:顶底板应力变化引起的煤层瓦斯涌出量的变化、采空区内平均瓦斯含量随着距工作面距离增大而减小、采空区内瓦斯分布的状况对工作面瓦斯涌出量具有直接的影响。确定了今后开采8#煤层时，除对本煤层进行抽采外，还要对上邻近层施工高位孔，对下邻近层9#煤层施工底抽钻场的办法，为今后瓦斯综合治理提供了科学依据。

近距离煤层;瓦斯分布;瓦斯含量;瓦斯抽采

近年来，随着西山矿区采掘向地层深部延深，地质条件越来越复杂，煤层瓦斯含量明显增加，以屯兰矿为代表的矿井已经鉴定为煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井，西铭矿也相应地提高了瓦斯管理等级，同时，在瓦斯治理手段和方法上提出了更高要求。尤其是近距离煤层开采时，首采区域受邻近煤层瓦斯涌出影响，会造成采掘面瓦斯涌出量增大，严重影响安全生产。为此，研究近距离煤层瓦斯涌出量影响因素，成为开采近距离煤层的首要任务。在西山煤电(集团)公司西铭矿48402工作面开采时，对这一课题进行了研究。

1 工作面概况

48402工作面采长194 m，可采走向长370 m。该面裂隙发育，结构复杂，煤层厚度4．20～4．75 m，平均厚度为4．47 m，煤层厚度变化不大，属单一稳定中厚煤层。回采范围地层总体为复合型褶曲构造，局部有小型背向斜构造较发育。煤岩层倾角2°～15°，平均5°左右。

该面地表多为黄土覆盖，盖山厚度平均238 m。上覆2#煤已回采，3#煤局部回采，3#与8#煤层间距65 m 左右，下伏9#煤层与8#煤层间距为1．64～3．41 m。该面老顶为石灰岩，厚度为8．29 m，呈灰色，致密坚硬，含方解石脉及动物化石;直接顶为石灰岩，厚度为2．16 m，呈灰色，裂隙发育，含方解石脉，易呈块状冒落。伪顶为页岩，厚度为0～0．2 m，呈黑色，破碎易冒落;直接底为细粒砂岩，厚度为2．26 m，灰白色，顶部有0．6 m左右黑色页岩，底部有薄层页岩，层理发育;老底为细粒砂岩，厚度为5．05 m，顶部为黑色页岩为主，中下部以细粒砂岩为主。

2 影响瓦斯涌出量因素分析

2．1 顶底板地应力变化的影响

48402工作面回采期间，当工作面推进距离在0～18 m时，采空区顶板缓慢下沉，顶板破碎岩块零散跨落，检测工作面、回风流、上隅角瓦斯无明显增加;当推至18～30 m时，大顶随拉移支架逐步跨落，检测点瓦斯呈现不规律瞬间涌出。

推进至30 m以后，顶板全部跨落初次来压结束后呈现为周期来压，周期来压步距为25 m，周期来压时顶板活动剧烈，片帮严重，支架压力增大，瓦斯在随后1～2 d内增大，瓦斯增大时间略滞后于支架压力增大时间。经观测，瓦斯增大幅度为正常涌出期间的140%。工作面、回风流、上隅角瓦斯都呈现出同步变化，变化幅度较大。

通过分析可知，顶底板应力变化引起了煤层瓦斯涌出规律的变化，地应力增大，顶底板裂隙发育增强，为近距离9#煤层瓦斯涌出创造了裂隙通道。

上隅角、回风流瓦斯浓度与工作面距离变化相关情况见图1。

图1 上隅角、回风流瓦斯浓度与工作面距离变化图

2．2 采空区立体空间内瓦斯分布状况的影响

从48402采空区瓦斯涌出来源分析，认为采空区瓦斯除从8#煤遗留浮煤涌出及裸露煤岩隔离柱涌出外，主要来源为近距离下伏9#煤层影响最为严重。在8#煤回采后解放9#煤，8#与9#煤层间距较小，砂岩或页岩隔层裂隙发育，透气性较好。

周期来压前，采空区老顶缓慢下沉不断地将采空区压实，逐步减小采空区立体空间间隙，大量从9#煤涌出的高浓度瓦斯逐渐从采空区深部随着老顶的压实向外推移，形成活塞式积压效应，呈现出规律性的变化，9#煤向采空区涌出量变化均衡时，向采场空间涌出呈现“弱－强－弱”稳定规律。

周期来压时老顶大面积垮落，瓦斯密度为0．715 kg/m3，空气密度为1．293 kg/m3，瓦斯容重几乎为空气1/2倍，采空区内瓦斯受老顶垮落时震荡激起的强烈气流冲击影响涌入工作面，在风量不变情况下会造成瓦斯浓度增加，甚至发生超限。

48402工作面采空区内瓦斯分层状态图，见图2。

另外，不同工作面长度也影响邻近层瓦斯涌出量。随着工作面长度变化，采空区卸压范围发生变化，而这个范围对采空区上下分层瓦斯涌出量影响极大。随着长度增加，逐渐形成卸压区，煤岩应力开始释放，造成邻近煤层瓦斯涌入工作面及其采空区内。

经过对48402采空区瓦斯分布进行测定，采空区内平均瓦斯分布图如图3所示。从图3可知，采空区内平均瓦斯含量随着距工作面距离增大而减小。

2．3 瓦斯含量对涌出量的影响

瓦斯含量是影响近距离煤层群采煤面瓦斯涌出量最重要的因素，采空区内瓦斯的分布对工作面瓦斯涌出量具有重要影响;采煤过程中煤层瓦斯含量也对瓦斯涌出量有一定的影响。

根据采煤过程中瓦斯涌出量可以建立瓦斯涌出率与瓦斯含量的函数关系。煤层瓦斯涌出率η0按下式计算:

式中:

M0—煤层瓦斯含量，m3/t。

采空区瓦斯涌出率η1按下式计算:

式中:

M1—采空区内平均瓦斯含量，m3/t。

掌握近距离煤层群，特别是邻近层瓦斯含量将有助于预测实际瓦斯涌出量和预测瓦斯涌出量之间的差异，随着工作面参数变化，这些差异也会随之加大。上下邻近层瓦斯含量分布取决于所采煤层的开采程度。在采煤过程中，卸压区内上下分层瓦斯含量影响着瓦斯涌出量的预测可靠性。基于此类，提高预测准确性主要通过计算不同煤层的瓦斯含量梯度来达到目的。

瓦斯含量梯度gw由下式计算:

式中:

Mn—下部煤层n的原始瓦斯含量，m3/t;

Mp—上部煤层p的原始瓦斯含量，m3/t;

lk—两煤层之间的间距，m。

对于任意煤层的原始瓦斯含量Mi由下式计算:

式中:hi—煤层i的埋深，m;

hk—所开采煤层的埋深，m;

Mk—开采煤层原始瓦斯含量，m3/t。

结合采煤面长度、倾角等基础参数，可计算出从顶板到底板瓦斯涌出的范围，以开采煤层瓦斯含量值为基础参数，上下分层的煤层瓦斯含量梯度均可用公式计算得出。

3 采取的针对性措施

根据对48402工作面煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力、煤层透气性、钻孔瓦斯流量衰减系数等的分析可知，当近距离煤层瓦斯进入采空区，会增加立体空间内瓦斯总量，当有上邻近层瓦斯通过裂隙涌入采空区时，采空区空间内瓦斯变化趋势为靠近顶板瓦斯浓度最高，越靠近底板瓦斯浓度越低;当有下邻近层瓦斯通过裂隙涌入采空区时，靠近底板附近层流状态瓦斯浓度最高，扩散至空间中部浓度变低，靠近采空区顶部则浓度再次升高。确定今后在开采8#煤层时，除对本煤层进行抽采外，还要对上邻近层施工高位孔，对下邻近层9#煤层施工底抽钻场。

通过对48402工作面抽采钻场观测，认为从初采初放开始，1#底抽钻场支管路抽采浓度呈降低趋势，在工作面推进超过切眼125 m以后，经取样检测，瓦斯逐步呈反弹回升。可将125 m作为8#煤采空区瓦斯临界阈值，可推测采空区内冒落区域逐步受压密实。为解决近距离煤层瓦斯影响，该矿在相邻巷道掘送3个底抽钻场，采用“釜底抽薪”办法对9#煤赋存瓦斯进行拦截抽采。经抽采8#煤层本煤层抽放浓度达30%，抽放纯瓦斯流量为16 m3/min，混合瓦斯流量50 m3/min，工作面抽采率达53%。

4结论

瓦斯抽采是解决近距离煤层瓦斯涌出危害的有效手段，对于勉强抽放或较难抽放的煤层，主要采取的措施为开采解放层，采用密集钻孔预抽，时间保证在1年以上;对于可以抽放煤层，采取的措施主要是加强预抽，抽放时间在6个月以上，开采解放层。上邻近层抽放，若煤层埋藏较浅，可采用地面钻孔抽;施工穿层钻孔抽放时，钻孔应向采空区方向略为偏斜，在钻机能力范围内尽力穿透各抽放煤层;对下邻近层也可以采取下行钻孔抽，穿层钻孔终孔点应钻透所抽煤层并进入岩层1 m，钻孔沿工作面方向和倾斜方向均匀布孔;工作面长＞100 m(倾斜－急倾斜煤层)时，可设抬高钻场或增设中间巷抽;工作面长＞150 m(缓倾斜煤层)时，工作面回风、运输顺槽应同时布置钻孔抽。缓倾斜近距离煤层群抽放可以采用巷道抽或“网格”式布孔抽，采用密集钻孔。

近距离煤层瓦斯涌出量研究，不仅找到了近距离煤层瓦斯管理的思路，特别是为近距离难采煤层受二次动压影响的条件下施工巷道提供了有效、经济、合理的科学方法，而且还进一步掌握了综采工作面抽采变化规律，从而为选择合理的瓦斯综合治理方式提供了重要理论依据。该技术具有显著的经济效益和社会效益。不仅适用于西铭矿，而且还可应用于类似条件的其它矿井，具有广阔的应用推广前景。

［1］煤炭科学研究总院抚顺分院．煤矿安全手册［M］．北京:煤炭工业出版社，1994:7－11．

［2］ 俞启香．中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究．［J］．北京:中国矿业大学学报，2000，29(1):9－14．

［3］姜文忠，霍中刚，秦玉金．矿井瓦斯涌出量预测技术［J］．煤炭科学技术，2008，36(6):1－4．

［4］张荣立，何国纬，李铎．采矿工程设计手册［M］．煤炭工业出版社，2010:4－14．

Study on Gas Em ission Factors of the Close Coal Seam

Zhao Xiao－zhong

In order to improve the predictive accuracy of gas emission in the mining face of close coal seam by the adjacent layers influence degree，takes the 48402 face in Ximing mine of Xishan mining area as example，through analyzing ground stress，gas distribution，gas content，gas extraction and other aspects，based on the measured parameters of the face，obtains that the factors of impact of gas emission mainly are three aspects，namely the stress change in the roof and floor caused change of gas emission in the coal seam，the average gas content in the gob area decreases with increasing of the face distance，gas distribution status in goaf has direct impact on the amount of gas emission．Determine the approach when in future the No．8 coal seam would be mined，in addition to the coal seam extraction，but also on the upper adjacent layer construct high hole，No．9 coal seam of the next adjacent layer construct bottom pumping drilling field，for future gas comprehensive control provides scientific basis．

Close coal seam;Gas distribution;Gas content;Gas extraction

TD712

A

1672－0652(2012)09－0045－03

2012－08－09

赵效中(1968—)，男，山西五台人，1992年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作(E －mail)sxtyxswxd@126．com