高瓦斯煤层群采动卸压瓦斯流动规律研究

何成亮 谢小平 杨锦 敖富贵 成雁飞 代利红

摘要：以典型的高瓦斯矿井为例，瓦斯事故的隐患极大，消除瓦斯事故隐患需要花費较多的时间、空间和费用，同时机械化采掘设备很难发挥效用，同时该煤矿开采煤层属于高瓦斯近距离煤层群，煤层瓦斯含量丰富，采用传统的瓦斯抽采方法不仅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空气中污染大气，浪费资源。文章针对高瓦斯煤层群开采条件下，采动引起围岩应力在煤岩层中在空间上的再分布后，对在空间上X轴、Y轴、Z轴方向上的瓦斯运移规律进行了分析。

关键词：高瓦斯;煤层群;采动卸压;瓦斯规律

引言

煤层瓦斯，又称为煤层气，赋存于煤层之中，近几年来，随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，瓦斯危害越来越严重，频发的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全，制约着矿井生产的发展。同时，瓦斯又是一种清洁、高效的能源，如果将瓦斯资源安全抽采并加以利用，则能实现能源供应、矿井安全生产和环境保护的统一。因此，如何更有效地开发和利用煤层瓦斯，一直以来都是广大的科研工作者努力的方向和目标[1～3]。

以典型的高瓦斯矿井为例，瓦斯事故的隐患极大，消除瓦斯事故隐患需要花费较多的时间、空间和费用，同时机械化采掘设备很难发挥效用，煤巷掘进速度通常都难以超过100m/月，回采工作面产量通常难以超过100万t/a。因此，该煤矿高瓦斯隐患极大地限制了煤矿生产规模、生产效率和经济效益的提高。同时该煤矿开采煤层属于高瓦斯近距离煤层群，煤层瓦斯含量丰富，采用传统的瓦斯抽采方法不仅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空气中污染大气，浪费资源。

1工程概况

某矿井14301工作面为倾向长壁工作面，为南三采区第一个回采工作面，北面为杜峪村保护煤柱;南面为14302工作面，未开掘;东面为胶泥垄村保护煤柱，西面至南三采区大巷。工作面设计两进一回，为“刀把”型工作面，三条顺槽都与南三集中胶带巷垂直。轨道顺槽1502m（1302+200m），胶带顺槽长1468m，回风顺槽长1463m，工作面切眼宽220m（100m+120m），工作面可采长度为1445m，可采面积为0.298km2。地质储量（Qd）为102.2万t，可采储量（Qk）为94.3万t。

工作面底板标高预计在440～570m之间，工作面上覆地表均为黄土覆盖区，地面标高为855～995m，预计盖山厚度为470～540m，地表由四个近似南北向的冲沟和黄土峁梁相间分布组成，为典型的黄土丘陵地貌，地表附着有苹果树，通往强家塔村的小路，无建筑物等设施。工作面煤厚在2.2～2.7m之间，平均2.45m。煤层呈黑色，结构均一。煤岩组分以镜煤为主，条带状，煤岩类型为光亮型煤。14301工作面整体为一单斜构造，煤层走向320°，倾向SW，倾角3°～6°，平均为4°。工作面地质条件相对简单，预计掘进过程中局部地段会揭露小型断裂构造或煤层变薄带。

根据本采区已采工作面瓦斯资料情况分析，预计正常情况下，14301掘进工作面绝对瓦斯涌出量为3～8m3/min之间，遇特殊地质条件、会发生瓦斯动力现象，瞬间瓦斯浓度会增大好几倍，给安全生产带来严重隐患，发生瓦斯动力现象一般在遇小型构造附近，煤层产状、煤层厚度变化大的地段，以及煤层受地质应力作用变软或煤层结构遭到破坏的地段。

2 煤层群卸压瓦斯在采场空间运移规律

井下工作面回采时破坏了煤岩层的原始应力场，引起了应力在煤岩层中在空间上的再分布，在空间上X轴、Y轴、Z轴方向上的瓦斯运移规律如下：

（1）卸压瓦斯沿X轴方向上的移运规律

经过前面的分析可知，4号煤层开采时沿走向X轴方向上煤层及上下邻近煤岩层得到卸压，卸压的过程由开始卸压充分卸压最后达到稳定期的三个区段组成，也正是邻近层瓦斯从开始期经活跃期到衰退期向采空区涌出过程的反应，如图2所示。

实践分析表明：4号煤层开采时，工作面煤壁前方30m至工作面后方40m左右为瓦斯涌出的开始期;工作面后方40～90m为瓦斯涌出的活跃期;工作面后方90m以外为瓦斯涌出的衰退期。当抽放瓦斯的钻孔布置在活跃期时抽采瓦斯瓦斯效果最好，一般瓦斯浓度在80%以上，且流量稳定。

（2）卸压瓦斯在Y轴方向上的移动规律

沿工作面倾向方向，岩层的移动范围受开采的影响，从而对邻近层卸压瓦斯的排放也存在一定的影响，形成一定的卸压范围[68]。卸压范围通常以卸压角表示，卸压角的大小主要受煤层倾角和煤岩层的性质的影响，倾角越大卸压角越大，煤岩层性质越软卸压角越大。图3所示为邻近层的卸压角，通过前述理论分析可知，4号煤层开采后，卸压角δ1约为55°，卸压角δ2约为65°。

（3）卸压瓦斯在Z轴方向上的移动规律

4号煤层回采时，上覆煤岩层发生不同程度的破坏和变形，工作面上部依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，距离开采层越近裂隙发育越充分，解析出的瓦斯量越大。图4为垂直工作面方向Z轴坐标上的顶板分带与瓦斯分布图。

①冒落带H1：位于开采层的上方，由直接顶冒落形成，与采空区的漏风带直接相通，难以采用钻孔抽采冒落带瓦斯。

②裂隙带H2：位于冒落带之上，靠近冒落带的为大裂隙带，越向上裂隙越小，裂隙带是抽采上邻近层瓦斯的最佳位置，而小裂隙带的抽采效果要好于大裂隙带，钻孔位置处于裂隙带中部时的抽采效果最好，层位为H=H1+1/2H2。

③弯曲下沉带H3：裂隙带的上部为弯曲下沉带，其高度一般可达到地表，由于弯曲下沉带距离开采煤层的距离较远卸压程度较低，瓦斯抽采率较低，又由于弯曲下沉带没有产生于大气相连的裂隙通道，从而能够抽出较高浓度的瓦斯。

3结论

分析了近距离煤层群卸压瓦斯在采场空间的运移规律，得出在工作面推进方向分为瓦斯涌出开始期、活跃期和衰退期，在活跃期瓦斯抽采效果最好，抽采浓度达到85%以上，最优卸压瓦斯区处于裂隙带中部，钻孔布置在此层位抽采瓦斯效果最好。该煤矿4号煤层开采后，在顶板上方22m左右处形成大量离层裂隙，为瓦斯的存储提供了空间，4号煤层开采后，4号、5号和3号煤层的部分瓦斯，在扩散和升浮的作用下沿穿层顶底板裂隙，向上扩散，最后聚集在4号煤层上方的离层裂隙中，形成瓦斯富集区域。

参考文献：

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作者简介：何成亮（2001.03-），男，汉族，贵州省威宁县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977009）