近距离煤层群开采上层采空区气体变化规律

张立海，吴玉国，张超

近距离煤层群开采上层采空区气体变化规律

张立海1，吴玉国2，张超2

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州 036000；2.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024）

近距离煤层群开采过程中邻近层之间产生大量相连通的裂隙，采场情况十分复杂，并伴随不同煤层间因通风导致的煤层间漏风，致使采空区漏风规律与单层开采有很大区别，采空区气体的分布规律也更加复杂，给采空区煤层自燃预测预报带来了困难。因此通过理论分析并结合现场监测结果研究近距离煤层群开采本层及上层采空区气体变化规律，为制定采空区煤自燃预防措施提供科学依据。

近距离煤层群；漏风；煤自燃；采空区；气体分布规律

1 平朔井工二矿矿井及工作面概况

中煤集团平朔井工二矿位于朔州市平鲁区。矿井井田区域内主要含煤地层为石炭系上统太原组。共含煤九层，自上而下编号为4（4-1）、4-2、5、6、7、9、10、11、12号煤层。其中4（4-1）、4-2、9、11号煤层发育普遍、层位稳定、分布面积大、为本区主要可采煤层，其余煤层厚度小、仅零星分布、局部可采。现开采11号煤层，设计生产能力为10 Mt/a，服务年限21.5 a，证件齐全。矿井目前开采的11号煤层厚度为2.53～6.86 m，平均4.15m，煤层倾角0°～8°，平均5°，煤层结构简单。煤种为气煤，较稳定。

井工二矿11号煤共布置12个工作面，分别为1101-1112，其中1101-1109工作面上部为9号煤综放开采采空区，1110-1112工作面上部为小窑开采的9号煤采空区。11号煤层厚度为0.95～9.77 m，平均厚度为4.7 m，11号煤层与上覆的9号煤层层间距平均为7.78 m。

1103 工作面是井工二矿11号煤首采工作面，工作面长度为300.5 m，推进长度为1 496 m。工作面东边为1102工作面，西边为1104工作面，北部为安太堡露天矿,南边为11煤盘区辅运大巷。工作面煤层平均厚度为4.51 m，平均倾角为2.5°，工业储量为350.69万t。

2 平朔井工二矿采动裂隙带特征分析

矿山压力研究中大量的相似模拟实验研究以及现场观测得出：综放采空区及其上部覆岩的整个空间上，破断裂隙只在煤层顶板一定高度的覆岩范围内较发育，离层裂隙则多出现于破断裂隙之上；切眼、正回采的综放面以及工作面上下风巷附近，由于煤壁等的支承作用，上部覆岩裂隙也较发育；采空区中部的采动裂隙，则在上覆岩层压力的作用下基本上被压实。随工作面的推进，具有依次向上发展分层运动的破断与离层特征的上覆岩层，会形成覆岩采动裂隙带[1]。其中的岩层层面离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通，在空间上产生形似椭圆抛物面的外部边界，称为外椭抛面；当工作面推进一定距离后，位于采空区中部的覆岩采动裂隙基本被压实，其边界也可用近似的椭圆抛物面来描述，称为内椭抛面。于是在整个采空区上覆岩层中，内外椭抛面之间形成了类似帽状的采动裂隙带，将其称为椭圆抛物带，其平面应力状态下的分布，见图1[2]。

平朔二矿在近距离煤层群开采条件下，采用冒落法管理顶板时，顶板岩层在采动后由下而上通常形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，这三带的高度由回采煤层的厚度、顶板围岩的硬度及区域情况存在不同。当开采下部11号煤层时，冒落带以一定的角度向工作面外延伸。实际冒落带向外延伸角度约为77°～80°，直至9号煤层工作面采空区。由于上部9号煤层已经开采，并且上部部分岩层已经破碎，两层煤冒落带相互叠加，形成较高的冒落带。据相关研究，缓倾斜煤层中等硬度岩石性质的条件下，冒落带高度为采高的6～8倍、裂隙带的高度为采高的10～30倍、弯曲下沉带位于裂隙带以上直至地表[3-4]。钻探研究表明，11号煤层工作面开采后，9号煤层煤柱顶部冒落带最大高度可达到9号煤层单层开采时的最大冒落高度，采空区浮煤位置示意图，见图2。

图1 矿井采动过程岩层平面应力状态分布图

图2 井工二矿1103工作面上覆9号煤工作面采空区浮煤位置关系示意图

3 近距离煤层群开采上层采空区气体监测方法及变化规律

为了及时掌握11号煤层开采过程中本层采空区及上层采空区的气体变化规律，项目组通过井下移动式束管采样泵对11号煤上覆的9号煤采空区气样及11号煤本层采空区气样进行分析，及时监测1103工作面上覆采空区及本层采空区气体的变化情况，为制定近距离煤层群开采采空区防灭火措施提供了科学依据。

监测方案：上层采空区气体监测在1103工作面回顺不同位置通过煤柱向9号煤采空区打钻孔6个，并下套管；套管与束管相连接，通过移动式束管采样泵定期采样并送往地面进行色谱分析，监测采空区气体变化情况。

上层采空区钻孔采样点布置：钻孔布置在1102辅运巷内，每200 m布置一个钻孔，共计6个钻孔。采样钻孔布置示意图，见图3。

图 31102辅运巷采样钻孔布置示意图

3.1 采空区CO、O2气体变化曲线

通过对1103综采面上层采空区进行气体采样色谱分析，并结合工作面推进速度分析，得出近距离煤层群开采上层采空区气体变化情况，研究结果为制定采空区防灭火措施提供科学依据[5]。

3.2 上层采空区采空区气体变化规律分析

1）图4为1号-6号测点CO、O2气体变化规律，可以看出，当测点位于工作面前方时，采空区CO体积分数基本为0，O2体积分数在5%以下，说明近距离煤层群开采时工作面前方上层采空区漏风较小，煤氧化得到较好的抑制[6]。随着工作面的推进，当测点进入工作面的后方采空区时，采空区CO体积分数逐渐升高，最高值约为30×10-6，O2浓度逐渐上升，一般在5%以下，说明随着工作面的推进，测点进入采空区，上下层间漏风增加，导致浮煤出现低温氧化，CO体积分数逐渐增加，但并未发生大面积的煤层自燃。

图4 1103工作面上层采空区气体随工作面推进变化曲线图

2）从气体变化曲线可以看出，当测点位于工作面前方约36～50 m时，由于近距离煤层开采工作面前方支撑应力的作用产生裂隙，采空区内O2体积分数不同程度的上升，当测点位于工作面后方55～80 m时，采空区内O2体积分数不同程度的下降，这一结果与近距离煤层群开栯采形成的“抛带”裂隙理论相吻合。

3）气体监测结果表明：近距离煤层群开采时上层采空区CO2体积分数在3%～6%变化，CH4体积分数较低，N2体积分数在88%～93%变化，惰性气体有效地抑制了采空区浮煤氧化，C2H4、C2H6、C2H2体积分数均为0，说明采空区附近密闭较好，氧气浓度较低，惰性气体体积分数较高，采空区惰化效果较好，未检测到火灾气体，说明未发生大面积的煤层自燃[7]。

4 结论

1）结合矿山压力理论和现场钻探钻探研究，11号煤层工作面开采后，9号煤层煤柱顶部冒落带最大高度可达到9号煤层单层开采时的最大冒落高度12.82 m，11号煤与9号煤之间冒落带高度7.78 m。

2）结合煤层自燃相关理论和现场上部采空区钻孔气体监测结果分析，9号煤开采过后采空区附近密闭效果较好，氧气体积分数在5%以下，采空区遗煤氧化受到抑制，标志性气体CO、烷烯烃类气体在安全阈值内。

[1]张百胜，杨双锁，翟英达，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法的探讨[J].岩石力学与工程学报，2008,27(1):97-101.

[2]李树刚，石平五，钱鸣高.覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究[J].矿山压力与顶板管理，1999(3)：44-46.

[3]钱鸣高，缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报，1995，14(2):97-106.

[4]钱鸣高，李鸿昌.采场上覆岩层活动规律及其对矿山压力的影响[J].煤炭学报，1982(2)：1-8.

[5]邬剑明，彭举，吴玉国.平朔矿区煤自然发火指标气体选择的试验研究[J].煤炭科学技术，2012，40（2）：67-69.

[6]邬剑明,翟建山,吴新文,等.煤矿自燃火灾治理关键技术的研究与应用[J].中国安全科学学报，1998，8（4）：47-50.

[7]王省身，张国枢.中国煤矿火灾防治技术的现状与发展[J].火灾科学，1994，3（2）:1-6.

Gas Variation Law of Upper Goaf Mining in Closed-distance Seam Groups

ZHANG Lihai1,WU Yuguo2,ZHANG Chao2
(1.ChinaCoal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036000,China;
(2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

A large amount of jointed fractures between adjacent seams occur in the mining of closed-distance seam group.Complicated mining field,accompanied with air leakage caused by ventilation between different layers,leads to the different air leakage rule from single seam mining.In addition,the gas distribution of goaf is more complex and makes it difficult to alarm spontaneous combustion.The paper studies the gas rules of the seam and the upper seam for the closed-distance seam groups based on the theoretical analysis and monitoring results,which could provide a scientific basis to prevent the coal spontaneous combustion in goaf.

closed-distance seam group;air leakage;coal spontaneous combustion;goaf;gas distribution

TD752.2

A

1672-5050（2015）03-0015-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.006

（编辑：薄小玲）

2015-03-02

张立海（1964-），男，河北衡水人，大学本科，高级工程师，从事矿井一通三防技术及管理工作。