高位岩浆岩条件下瓦斯运移通道发育特征及瓦斯运移规律研究

徐传伟 蒋金泉 张培鹏 孔 朋 刘绪峰 张国龙

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东省泰安市，271000 ；3.山东科技大学资源与土木工程系，山东省泰安市，271000)

★ 煤矿安全 ★

高位岩浆岩条件下瓦斯运移通道发育特征及瓦斯运移规律研究

徐传伟1蒋金泉2张培鹏3孔 朋1刘绪峰1张国龙1

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东省泰安市，271000 ；3.山东科技大学资源与土木工程系，山东省泰安市，271000)

为研究关键层条件下瓦斯运移通道发育特征，以杨柳煤矿104采区为工程背景，通过相似材料试验，模拟了高位岩浆岩条件下离层裂隙发育规律。研究表明：随着工作面的不断推进，覆岩裂隙逐渐向上发育，并止于岩浆岩底部；高位岩浆岩的存在对离层裂隙发育起着控制作用，岩浆岩破断前，其底部形成大面积离层空间，为离层瓦斯的形成提供了条件；硬厚岩浆岩底部离层空间长时间大量扩展，为离层瓦斯积聚提供了孕育空间；岩浆岩发生破断后，离层瓦斯受强动压冲击作用，通过断裂裂隙突涌至工作面或采空区内，造成瓦斯突涌事故。通过离层注浆、抽采离层瓦斯等措施防治硬厚岩层下瓦斯突涌。

高位岩浆岩 相似模拟 离层裂隙 瓦斯突涌

离层裂隙是煤岩体内瓦斯流动的主要通道，研究瓦斯运移通道发育及瓦斯运移特征对瓦斯防治具有重要的意义。长期以来许多学者对覆岩离层裂隙发育、瓦斯运移特征进行了大量的研究，但对高位主关键层条件下覆岩离层裂隙和瓦斯运移特征研究较少。本文以杨柳煤矿104采区煤系地层覆岩特征为试验背景，通过相似材料模拟试验直观地研究了高位岩浆岩条件下瓦斯运移通道发育和瓦斯运移规律特征，对防治瓦斯突涌具有一定的指导意义。

1 相似材料模拟试验的建立

为研究高位岩浆岩条件下瓦斯通道形成过程及发育规律，以杨柳煤矿104 采区煤系地层覆岩赋存特征及其岩石力学参数为参考，按照相似理论构建相似材料试验模型，研究瓦斯运移通道的形成过程及发育规律。根据相似理论确定本次试验相似比，模型采用的几何相似比Cl=1/200,弹性模量相似比CE=1/300，强度相似比Cσ=1/300，泊松比Cu=1。相似模型的覆岩名称及主要参数见表1。

模拟试验台框架尺寸为3 m×0.4 m×2.1 m，实际铺设高度为1.8 m。模拟地层原型的开采煤层厚度8 m，上覆高位岩浆岩厚度为60 m，距开采煤层的层间距为80 m。模型总厚度为1452 mm，通过施加铁块实现未铺设岩层的载荷，试验过程中施加铁块的总质量为500 kg。上覆岩层主要由细砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层及岩浆岩等岩性组成，各岩层之间用云母粉分层，反映相邻岩层之间的层面效应。开挖过程中，为消除边界效应，模型两侧各留设250 mm边界煤柱，开挖过程从右侧向左侧推进。所建模型如图1所示。

表1 模型岩层参数及配比

为方便观察上覆岩层的运动情况，在煤层上方布置5条检测线，其中关键层下方布置4条，关键层上方布置1条。检测线和监测点布置如图1所示。开采过程中采用照相方法和尼康 Nivo 2.M 免棱镜全站仪配合三脚架分别对覆岩离层裂隙和覆岩位移情况进行记录和测量。

图1 相似材料试验模型

2 岩浆岩破断前后瓦斯运移通道的发育规律

在模型开挖过程中，受采动影响上覆岩层弯曲变形，随着工作面的推进离层裂隙发育过程如图2所示。

工作面自开切眼处逐渐向前推进，当悬露面积到达直接顶的极限跨距时，直接顶随之垮落，基本顶悬露在采空区上方。当工作面推进至70 m时，如图2(a)所示，基本顶悬露跨度到达极限，基本顶发生断裂，形成铰接的传递岩梁结构，在上部岩层中形成较小的离层空间。在工作面开采前期，上覆岩层发生破断和弯曲下沉，此时由于工作面推进距离较小，覆岩发育高度未到达岩浆岩底部，覆岩的破断运移规律与无关键层条件下的覆岩破断规律一致。

当工作面推进至160 m处时，如图2(b)所示，离层首次发育至岩浆岩底部，在其底部形成大面积的离层空间，离层横向跨度为66 m，离层空间高度为4.6 m。采空区中部破碎岩石逐渐压实，此时高位岩浆岩未发生任何弯曲下沉现象。距煤层较近的破碎带内，裂隙贯通岩层；上部断裂带内裂隙主要以贯穿裂隙和较小的离层空间为主；岩浆岩底部的弯曲下沉带内虽然存在裂隙，但裂隙并未完全贯通岩层。

图2 离层裂隙发育情况

高位关键层的存在将会对离层裂隙的发育起到控制作用,在高位岩浆岩初次破断前，随着工作面的继续推进，离层高度在一定时间内不会继续向上方发育，离层空间随着工作面的推进增大。当工作面由260 m推进到290 m时，离层跨度由116 m增加到134 m，岩浆岩悬露面积增大，弯矩逐渐变大，此时岩浆岩发生轻微弯曲下沉，底部产生微小的破断裂隙，离层高度由5 m减小到4 m，如图2(c)～2(d)所示。工作面推进至330 m处时，如图2(e)所示，离层空间高度减小到1 m，离层空间逐渐减小，岩浆岩底部破断裂隙逐渐增大，在岩浆岩两侧出现微小的破断裂隙。

当工作面推进到340 m时，岩浆岩破断失稳，岩浆岩及其上覆岩层快速破断下沉，岩浆岩下部离层空间迅速闭合，下方岩层被压实，离层裂隙发育至顶部岩层。

由图2可知，纵向裂隙自开切眼处随着工作面的推进逐渐前移。当工作面逐渐推进，中部采空区岩石逐渐压实，裂隙主要分布在工作面上方和开切眼处的岩层破断处，贯穿裂隙主要分布在断裂带内，弯曲下沉带内裂隙并未完全贯穿岩层，当高位岩浆岩破断后，裂隙发育至顶部岩层。

3 瓦斯运移规律的研究

离层裂隙是瓦斯运移的主要通道，岩浆岩发生破断前，离层空间内存在的负压真空吸引力较大。在真空负压和瓦斯物理性质的作用下，煤层开采过程中释放的瓦斯和采空区内残存的瓦斯通过四周的断裂裂隙和离层大量汇集到高位岩浆岩下部的离层空间内，形成离层瓦斯。瓦斯积聚运移如图3所示。

图3 高位岩浆岩破断前瓦斯运移图

从岩浆岩发生弯曲下沉直至岩浆岩破断垮落，离层空间内压力增大，离层内瓦斯受到强动压冲击作用，通过纵向裂隙突涌至工作面或采空区内造成瓦斯事故。瓦斯突涌示意图如图4所示。

4 瓦斯防治技术

通过上述分析可知，离层瓦斯突涌的前提条件一是大面积的离层内积聚了大量的瓦斯，二是高位岩浆岩破断提供了巨大的动压冲击能量。因此防治瓦斯突涌的主要措施是实现瓦斯的充分抽采，减少离层内瓦斯含量；其次要提前采取措施防止大面积离层空间的形成，阻止高位岩浆岩的破断。

图4 离层瓦斯突涌示意图

(1)抽采离层瓦斯。通过设置地面瓦斯抽采钻孔对离层内瓦斯实现充分抽采。

(2)离层注浆。可采用离层注浆的方法，减小岩浆岩底部离层空间面积，阻止高位岩浆岩的破断，以防岩浆岩的迅速破断下沉对离层瓦斯产生强烈的冲击动压。

5 总结

(1)高位岩浆岩的存在，对离层的发育起着控制作用。在岩浆岩发生弯曲下沉前，岩浆岩底部离层空间随着工作面的开采逐渐增大，为离层瓦斯的形成提供了条件。

(2)在高位岩浆岩破断前，裂隙随着工作面的推进不断前移，主要分布在工作面上方和开切眼处。当岩浆岩破断后，裂隙发育至顶部岩层。

(3)岩浆岩发生弯曲下沉直至破断，将对离层瓦斯形成强动压冲击作用，离层瓦斯则通过纵向裂隙突涌至工作面或采空区内，造成瓦斯事故。

(4)为防止瓦斯突涌造成瓦斯事故，可以通过离层注浆的方法或设置地面瓦斯抽采钻孔来防治瓦斯突涌。

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Studyonthecharacteristicsofgaschanneldevelopmentandgasmigrationundertheconditionofhighmagmatite

Xu Chuanwei1， Jiang Jinquan2， Zhang Peipeng3， Kong Peng3， Liu Xufeng1， Zhang Guolong1

(1. College of Mining & Safety Engineering, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control Co-Founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Tai'an, Shandong 271000, China; 3. Department of Resources and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology, Tai'an, Shandong 271000, China)

To study the development characteristics of gas migration channel under the condition of key layer, taking No. 104 mining area of Yangliu Mine as engineering background, the development law of the fractured rock seam under the condition of high magmatic rock was simulated by similar material simulation experiment. The research showed that with work face advancing, rock gradually developed, and ended up at the bottom of magmatite. High magmatite played a controlling role in fracture separation. Magmatite formed a large area of separation space, providing the conditions for the formation of gas separation before breaking at the bottom. The large expansion of bottom separation space in hard and thick magmatite provided space for the separation of gas accumulation. After magmatite was broken, separated gas gushed into work face or gob under strong dynamic pressure impact through fracture, bringing about gas outburst accidents. The gas outburst under hard rock layer could be controlled by separating layer grouting and pumping off gas separation.

high magmatic rock, similarity simulation, separation fracture, gas outburst

国家自然科学基金资助项目(51374139)，山东省自然科学基金项目(ZR2013EEM018)

徐传伟，蒋金泉，张培鹏等. 高位岩浆岩条件下瓦斯运移通道发育特征及瓦斯运移规律研究[J].中国煤炭，2017,43(12)：136-176.

Xu Chuanwei，Jiang Jinquan，Zhang Peipeng，et al. Study on the characteristics of gas channel development and gas migration under the condition of high magmatite [J]. China Coal, 2017，43(12):136-176.

TD712

A

徐传伟(1990-)，男，山东新泰人，在读研究生，从事矿山安全工程方面的研究。

(责任编辑 张艳华)