综放工作面初采期煤与瓦斯共采试验研究

马延崑，郭勇义，，吴世跃，李川田，闫晋文，秦贵成

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.太原科技大学，太原 030024；3.潞安集团余吾煤业，山西 长治 046031）

煤与瓦斯共采实现了煤矿企业的高产高效及瓦斯的“变害为宝”，成为我国煤炭企业瓦斯防治的主要理念[1-2]。高瓦斯工作面煤层瓦斯预抽采有限，初采期间，覆岩裂隙初始发育，裂隙带瓦斯抽采处较低水平，采空区瓦斯涌出量持续增加，工作面瓦斯治理主要以风排为主，严重制约了煤炭企业的高效生产[3-5]。因此，回采工作面初采期通常被称为困难时期。针对工作面初次来压、周期来压等动力现象造成瓦斯涌出突然增大，工作面来不及做出应对的情况，众多学者进行了大量相关研究。屈庆栋等人研究了初采期顶板关键层断裂时邻近层瓦斯异常涌出的情况，提出结合覆岩关键层结构采用后伪高抽巷治理的方案[6]；李化敏教授基于对回采工作面的实时观测，认为随采动过程中工作面矿压显现增大，瓦斯体积分数同步增大[7]；姜福兴教授采用微地震监测技术，分析得出工作面瓦斯涌出主要受高层位岩层周期运动的影响[8]；吴仁伦、许家林教授等人利用数值模拟的方法，提出采用顶板预裂方案治理工作面初采期瓦斯超限[9]。当前对于初采期覆岩裂隙演化规律的研究不足，未能有效提出准确的初采期定义和较为系统化的初采期瓦斯治理的理论、措施。文中将采用数值模拟的方法，从初采期覆岩卸压移动和裂隙演化规律入手，确定裂隙发育区，通过工程试验验证覆岩采动裂隙发育规律，研究初采期瓦斯涌出特性，以期为初采期实现煤与瓦斯高效共采提供相关理论依据。

1 试验工程概况

余吾煤业属高瓦斯特大型矿井，设计生产能力6Mt／a，工程试验选定N2105工作面。N2105工作面主采3号煤层，煤层赋存于二叠系山西组地层中下部，为陆相湖泊沉积，埋藏深度507～597m，煤层厚度稳定，平均厚6.3m，局部含0.1～0.7m 炭质泥岩夹矸，原始瓦斯含量为10.0496m3／t。工作面由西向东3号煤层整体近似为一单斜构造，平均坡度＋5°，东高西低（回风顺槽高，胶带顺槽低），工作面顶底板状况如图1所示。

工作面采用走向长壁后退式顶板全部跨落及大采高低位放顶煤综合机械化采煤工艺，通风系统采用并列双“U”型，工作面倾向长285m，回采斜距2170m。

图1 工作面顶底板状况

2 煤与瓦斯共采理论基础

2.1 覆岩卸压移动机理

煤岩体在原始地质赋存中，在高地应力下处于压缩状态，采场开挖扰动，导致围岩应力场重新分布以达到新的平衡，表现为应力转移、应力集中及岩层的破断与下沉。上覆岩层由原始的三向应力状态趋于向单向或双向应力状态转变，岩层向采空区下沉，覆岩中变形岩梁的具有应力传递的作用，将岩层垂直地应力以一定角度向采空区四周煤岩体内传递，使煤岩体内存在远高于原岩应力的应力集中区[10]，采空区上部产生变形或破断的岩层处于卸压范围。

覆岩卸压移动，由于岩层间岩性差异，出现不协调的位移，产生离层裂隙，随回采跨距增大，离层裂隙岩层发展为剪切破断或拉张破坏，形成裂隙带和冒落带。采空区中部冒落带岩层有被压实趋势，上方岩层发育的离层裂隙因压实而闭合；距采空区端头向内区域上覆岩层长久保持卸压，并且岩层间不协调位移维持不变，大量离层及破断裂隙存在，空间上覆岩形成高位环形裂隙圈[1，3，11]，如图2所示。

2.2 卸压裂隙带瓦斯抽采技术

覆岩卸压移动导致岩层裂隙发育的同时，卸压煤岩体及采空区残煤吸附瓦斯经历“解析-扩散-渗流”的过程。采空区内游离瓦斯通过裂隙通道发生渗流，并在裂隙区域内积聚，形成高浓度瓦斯富集区[3]。因此，裂隙大量发育并长久维持的高位环形裂隙圈成为采空区瓦斯运移的主要通道和赋存空间。对于双“U”型工作面通风系统，上隅角为工作面风流低压区，并存在局部滞流，附近裂隙区域内聚积高浓度瓦斯趋于向工作面运移[3，12]；上隅角附近高位环形裂隙区域，属高渗透区域，高浓度瓦斯富集，极易发生扩散、渗流[3，13]。故应在上隅角附近环形裂隙区应用高位钻孔抽放瓦斯工艺，大量高浓度瓦斯的抽采，有效拦截瓦斯向工作面涌入，保证工作面安全生产，实现煤与瓦斯共采。

图2 高位环形裂隙圈分布

3 围岩采动影响数值模拟

3.1 模型建立

采用通用离散元程序UDEC，依据N2105工作面实际岩层分布及几何特点进行开挖模拟试验，分别建立采场走向和倾向二维受力模型。走向模型尺寸为300m×100m（长×高），采用水平布置，在3号煤层中82.5～90m处留有切眼，开挖范围为90～210m，模型两侧留90m左右边界煤柱；倾向模型尺寸为480×160（长×高），在3号煤层中100～380m之间布置工作面，倾角5°，模型两侧留100m边界煤柱。

模型左右及底边为固定边界，速度、位移为零，顶部为自由边界，以10MPa的均布载荷作用于上边界代替略去岩层，模型计算采用mohr-coulomb屈服准则，煤岩层物理力学参数如表1所示。

表1 煤岩层物理力学参数

3.2 结果分析

3.2.1 采动围岩裂隙演化

如图3，工作面推进20，45，60，100m 处，分别为采场直接顶跨落、老顶初次来压、第一次周期来压、正常推进状态。随工作面推进，伴随顶板来压，覆岩下沉量增加，波及范围扩大，切眼及工作面处覆岩始终保持有不协调的位移量。不协调位移量产生离层，进而发育为破断裂隙或保持离层。文中引入采动前、后上覆岩层中两点综合相对位移差与采前相对距离的比值来表示该点的孔（空）裂隙度[4]，获得覆岩裂隙演化规律如图4所示。

有效的、常态化的监督是践行“四种形态”的重要保障。推进监督常态化：1.探索建立基层党组织对党员的日常监督方式。2.完善纪检监察信访举报受理制度，建立信访举报问题线索收集、分析、研判制度，提炼并科学运用信访举报信息。3.正确引导、科学利用党外监督力量，如群众举报、媒体曝光、舆情反映，既要善于引导，又要善于从中发现线索问题。4.发挥巡视巡察作用，紧盯违反“六大纪律”问题，尤其是违反政治纪律、政治规矩问题。

图3 工作面推进中覆岩铅直位移量

1）图4-a采场顶板来压时孔（空）裂隙度分布，结合图3，直接顶跨落时，仅老顶有小量变形，覆岩中几乎无裂隙发育；老顶初次来压时，采场有大范围岩层沉降，老顶上方30m范围下沉量大于2m，覆岩中裂隙发育量急剧增加，采空区中部上方有离层产生，故裂隙较发育；老顶第一次周期来压时，覆岩下沉量继续增加，大于2m的范围波及模型上边界，故采动裂隙在原有基础上又一次较大程度发育。可以看出，初采时，覆岩裂隙初始发育，随工作面推进，伴随采场的来压现象，覆岩下沉量增加，采动裂隙加速发育，并逐渐波及较高层位岩层。

2）图4-b工作面累积进尺达70～90m，随工作面推进距逐渐增加，覆岩中裂隙发育范围继续扩大，即覆岩中采动裂隙沿竖直方向和水平推进方向扩展。

3）图4-c工作面推进距达到100～120m时，覆岩中岩层采动裂隙分布形成较为明显的“马鞍形”，靠近切眼及工作面裂隙发育处峰值。结合图3-d，可以看出，老顶上方30m范围覆岩下沉量大于3 m，最大下沉量达到4m以上，距切眼50～60m的采空区中部，由于出现压实区域，离层裂隙闭合，切眼及工作面覆岩裂隙发育并保持，此时，采空区中部压实区域形成并有扩大趋势，覆岩裂隙发育竖直方向上达到最大高度。

图4 工作面不同推进距下孔（空）裂隙度分布及演化

综上分析，初采期间覆岩裂隙初始发育，随工作面推进，伴随采场老顶初次来压、周期来压现象，采动裂隙加速发育，沿竖直方向和水平推进方向扩展，采空区内出现压实区时，覆岩裂隙发育达到最高层位。

3.2.2 覆岩应力分布

覆岩受采动影响后应力重新分布，依据采场卸压稳定后应力的分布及岩体破坏特征，如图5，确定卸压范围，进而判断覆岩的裂隙发育良好区域。

1）如图5-a为采场倾向铅直应力分布，依据应力大小可以分为应力集中区、卸压变形区和卸压稳定区。

卸压变形区：该区内岩层间维持有不协调位移，受剪切变形或拉剪破坏，采场内最小应力值5MPa分布在该区。采空区上端头向内50m和采空区下端头向内60m，即分别为水平方向95～155m范围和375～325m范围，应力变化为5～10MPa。

卸压稳定区：采空区中部趋于被压实，应力较为稳定，水平方向为160～310m范围，应力变化为10～20MPa。

2）如图5-b为采场倾向水平应力分布图，覆岩中大变形岩梁传递大部分水平应力，靠近煤层底板岩层受拉张破坏而冒落，水平应力传递较小，故由煤层底板向上水平应力值有增大趋势，变化范围4～20MPa。

综上分析，覆岩中应力值小于卸压稳定区内最小值的范围为裂隙发育区，卸压稳定区铅直和水平最小应力分别为10MPa，8MPa，认为覆岩卸压变形区中铅直应力小于5MPa及水平应力小于4 MPa范围为裂隙发育良好的区域，形成高浓度瓦斯富集区，即距采空区上端头0～50m范围和煤层顶板上方30～50m范围空间交汇处。

图5 采空区顶底板岩层应力分布

4 工程试验

4.1 高位钻场布置

依据N2105工作面回采工艺及覆岩卸压裂隙良好发育区域的范围，在工作面回风顺槽距切眼100m处，每隔40m布置一个瓦斯抽采钻场，施工两排抽采钻孔，共12个，参数如表2，终孔位于煤层顶板36～38m处，沿工作面倾向投影为0～97m，沿工作面走向投影为60～80m。

表2 钻场抽采钻孔参数

4.2 效果分析

研究表明[6，7，14]，采动裂隙作为瓦斯渗流的主要通道，其数量和范围直接影响裂隙带抽采瓦斯量，裂隙发育量越大，发育范围越广，渗透率越高，钻孔抽采瓦斯效果越好。由N2105工作面回风顺槽距切眼100，140，180m处的51号、50号和49号钻场抽采效果反演分析裂隙发育状况如下：

1）图6-a，工作面距51号钻场70～80m之间，工作面累积推进20～30m，覆岩裂隙尚未发育或初始发育，钻场几乎无瓦斯流量；工作面推进45m处，距钻场55m，老顶初次来压，工作面上方钻孔与发育裂隙导通，钻场瓦斯流量发生突变，迅速增大至1.8m3／min；工作面推进60m处，老顶第一次周期来压，裂隙发育区扩展，瓦斯流量迅速增加，并逐渐稳定在3m3／min。

2）图6-b，工作面累积推进60m时，进入50号钻场控制范围，随工作面靠近钻场，覆岩裂隙数量增加，并逐渐向高层位发育，瓦斯流量逐渐升高，距钻场50～20m范围，即累积推进达到100～120m，钻场瓦斯流量稳定在最高水平10m3／min。

3）图6-c，工作面累积推进100m时，进入49＃钻场控制范围，瓦斯抽采浓度迅速稳定在50%以上，裂隙发育、扩展，导致抽采纯量由4.2m3／min逐渐增加，并在进尺量达到140m时，抽采纯量达到10m3／min。

图6 钻场瓦斯抽采情况图

4）对比图6，随工作面靠近钻场，瓦斯抽采量逐渐升高，而51号钻场抽采总量明显低于50号、49号钻场，50号与49号钻场最大抽采纯量及浓度几乎相等。原因分析如下：初采时，裂隙初始发育，无裂隙与抽采钻孔导通，故几乎无瓦斯流量，而在老顶初次来压后，裂隙突然有较大程度发育，裂隙发育量增加，钻场瓦斯流量有较明显的增加趋势，但由于裂隙发育范围处较低层位，只有少量裂隙导通抽采钻孔，因此，距工作面较近的51号钻场抽采量处较低水平；50号与49号钻场瓦斯流量最大为10m3／min，分析此时钻场控制区域内，裂隙发育范围、发育量达到最大，抽采钻场发挥全部效用，即工作面推进100～120m时，覆岩裂隙发育至最高层位；工作面进入49＃钻场控制范围时，覆岩裂隙发育已达到最高层位，卸压变形区内已有大量裂隙，裂隙发育主要沿推进方向扩展，故抽采瓦斯量迅速由4.2m3／min增加至10m3／min。

5）综合以上分析，认为N2105工作面初采期间，随推进距增加，覆岩裂隙逐渐发育，累积推进达100～120m之间，采空区压实区形成，覆岩裂隙发育范围达到最高层位，高位钻场发挥最大效用。

5 结论

1）初采期间覆岩裂隙初始发育，随工作面推进，伴随采场老顶初次来压、周期来压现象，采动裂隙加速发育，沿竖直方向和水平推进方向扩展，采空区内出现压实区时，覆岩裂隙发育达到最高层位。

2）距采空区上端头0～50m范围和煤层顶板30～50m范围空间交汇处裂隙较发育，为瓦斯抽采重点区域。

3）N2105工作面初采期间，随推进距增加，覆岩裂隙逐渐发育，累积推进达100～120m之间，采空区压实区形成，覆岩裂隙发育达到最高层位，高位钻场发挥最大效用。

4）高瓦斯工作面初采期是指采场自工作面切眼形成开始，随工作面推进，覆岩裂隙逐渐发育至最高层位期间，采空区内压实区形成为初采结束标志。初采期间，裂隙带瓦斯抽采较低水平，采空区大量瓦斯涌入工作面，瓦斯治理主要以风排为主。为使采煤工作面顺利渡过初采期，提供以下建议：一方面，采用顶板预裂技术，减小老顶初次来压步距，加速覆岩裂隙的发育；另一方面，初采期进尺范围内钻场采用低层位密集钻孔抽采，增加初采期瓦斯抽采量。

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