大采高工作面采动围岩活动与瓦斯涌出关系

何福胜 ，毕建乙 ，孙 亮

（1.山西焦煤集团有限责任公司 生产技术部，山西 太原 030000；2.山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁033602；3.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

由于大采高工作面具有开采强度大、推进速度快等特点[1]，开采后将会导致上覆岩层应力发生很大变化并进行重新分布，这样在工作面不同范围与空间内的煤岩体将发生大变形和大面积破坏，在采场应力的作用下覆岩和煤体将产生新的裂隙和裂缝，并逐渐发育完全构成一个相互贯通的网络，严重影响工作面不同范围与区域的瓦斯赋存与运移[2]。因此对高瓦斯大采高工作面采动围岩活动与瓦斯涌出之间的内在规律进行研究具有重要意义[3]。国内学者对采动活动与瓦斯涌出二者之间的关系进行了大量的试验研究，并取得十分丰富的成果[4-6]。但目前国内对大采高开采条件下的矿压显现[7-8]、覆岩控制[9-10]及瓦斯涌出变化[10-11]三者之间相互影响规律的研究相对较少。基于此，在现场实测的基础上[12]，研究高瓦斯大采高工作面采动过程对瓦斯涌出的影响规律。

1 工作面概况

斜沟煤矿位于山西省兴县县城北50 km处岚漪河两侧，隶属于兴县魏家滩镇和保德县南河沟镇，属于河东煤田离柳矿区，主采煤层为8#、13#煤，煤层结构简单，井田南北长约22 km，东西宽约4.5 km，面积为88.6 km2。矿井为低瓦斯矿井，采用斜井开拓方式，8#煤层厚度为3.80～5.50 m，平均厚度为4.70 m，倾角为 7.5°～11.4°，平均 9.4°。8#煤为自燃煤层，最短自然发火期为63 d，煤尘具有爆炸性。顶板主要为泥岩，底板主要为泥岩和中细粒砂岩。8#煤透气性系数为0.014 16 m2/（MPa2·d），为低透性煤层。

8#煤18205工作面位于12采区辅助运输下山南侧，东部、南部、西部均为实煤区。工作面标高为+520～+584 m，可采走向长度为2 800 m，倾斜长为264 m，工作面支架共计157台，采用综合机械化采煤工艺进行回采，长壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板，平均推进速度3.2 m/d；采用“U”型通风方式，根据掘进资料，最大绝对瓦斯涌出量为0.88 m3/min，局部煤岩层裂隙瓦斯富集，预计回采过程中，局部瓦斯涌出量较大。目前工作面瓦斯涌出量为14.15 m3/min，工作面、上隅角瓦斯浓度较大，严重影响工作面的推进速度。

2 采场周期来压与瓦斯涌出关系

2.1 周期来压监测

工作面液压支架的支护阻力是采场矿压显现最为直观和便于监测的重要参数。因此，在斜沟煤矿18205工作面利用KBJ-2004B型矿用多功能监测系统，对18205工作面液压支架分3组安设压力传感器，实时监测液压支架的支护阻力，另外从机头1#架至机尾分别安装1#～5#分站，实时监测瓦斯浓度来研究工作面瓦斯涌出规律。依据液压支架阻力变化规律，得到18205工作面周期来压步距及来压强度，具体工作面来压情况见表1。

通过表1得到18205工作面基本顶初次来压步距约为28 m，动载系数为1.65 2；周期来压步距为20.36 m，动载系数为1.53。

2.2 矿压显现与瓦斯涌出的关系

在整个监测阶段，18205工作面共发生6次周期来压现象，其中第4次矿压显现最为明显，此时液压支架工作阻力与工作面绝对瓦斯涌出量变化关系最为典型（图1）。

表1 工作面来压情况

图1 支架支护阻力与瓦斯浓度变化曲线

现场观测工作面顶板来压期间矿压显现非常剧烈，18#～77#液压支架之间片帮严重，片帮深度达到0.9～1.1 m，支架压力升高2.2倍，最大增加2.83倍，回风流瓦斯浓度升高1.54倍，最大增到2.92倍。

由图1发现，采动应力显著影响着工作面的瓦斯绝对涌出量，当工作面开采到28 m时，煤层直接顶板开始破裂垮落，实测18205工作面风排瓦斯量明显增大，由18.92 m3/min升高至23.64 m3/min，工作面的绝对瓦斯涌出量是煤层顶板未发生破坏垮落前的1.25倍；当开采距工作面切眼53 m，此时测定风排瓦斯涌出量显著升高，由28.57 m3/min增加至约33.75 m3/min，18205工作面绝对瓦斯涌出量顶板周期来压时刻是周期来压之前的1.24倍。在整个推进过程内，工作面在首次来压和周期来压之前，瓦斯涌出量相对减小；而来压结束后，瓦斯涌出量开始显著升高，且工作面周期来压略超前于瓦斯涌出量峰值的出现1个班左右。

工作面周期来压期间，液压支架支护阻力的升高与瓦斯涌出量升高在时间上具有很好的一致性，即随着顶板压力加大即矿压显现明显时，工作面瓦斯涌出量随之升高；当顶板压力减弱时，工作面瓦斯涌出量随之降低，瓦斯涌出量的增加略晚于液压支架支护阻力的升高。

3 超前支承压力与瓦斯涌出的关系

为了研究18205工作面前方超前支承压力的动态变化规律，在材料巷距离工作面32 m处施工7个压力钻孔，孔深10 m，钻孔间距8 m，并安装压力传感器，连接到KBJ-2004B型矿用多功能监测系统，实时反馈工作面超前支承压力变化规律，超前支撑压力监测系统布置如图2。

图2 超前支撑压力监测系统布置

对这7个压力孔进行连续监测60 d，其中4#孔煤体瓦斯浓度与超前支承压力的关系如图3。

图3 煤体瓦斯浓度与超前支承压力的关系

从图3发现，随工作面不断向前开采，工作面超前支承压力发生波动性变化规律。当工作面推进到距离4#孔距离13 m左右时，超前支承压力最大，即为18205工作面超前支承压力峰值点；当工作面开采到距4#孔31 m时，顶板周期来压，超前支承压力突然增大；应力相对降低区域在工作面前方0～6 m处，此时邻近层开始膨胀变形，裂缝裂隙发育完全，构成一个良好的瓦斯运移通道，煤层渗透系数增大，导致瓦斯大量释放并不断扩散，产生卸压增流效应，瓦斯涌出显著增加，此时瓦斯浓度达到1.8%～2.3%；在工作面6～44 m为应力增高区域，在覆岩压力的作用下，煤体内部的原生裂隙闭合，裂隙发育不完全，相互贯通的瓦斯运移通道被阻断，煤体透气系数降低，瓦斯涌出量显著下降，此时瓦斯浓度仅为0.6%～0.7%。距工作面44 m以外为应力稳定区，超前支承压力减小，煤层裂隙裂缝再次发育，瓦斯涌出开始增大，此时瓦斯浓度回升1.0%～1.4%。

为了防止顶板周期来压时工作面瓦斯涌出量升高，致使工作面及上隅角瓦斯超限，斜沟煤矿18205工作面瓦斯采取分源治理监测，还提高液压支架的初承力及工作阻力，来防止煤壁片帮，有效降低了受采动影响的煤体瓦斯解吸速度，保障了工作面安全生产。

4 采空区顶板垮落对瓦斯涌出的影响

4.1 采空区（靠底板处）瓦斯分布

采空区一定区域的高浓度瓦斯回流至采煤工作面是顶板周期来压期间对18205工作面瓦斯涌出量升高的另一个重要来源。因此，在采空区底板埋管测定18205工作面采空区瓦斯浓度，来研究采动过程中采空区瓦斯运移规律，18205采空区瓦斯浓度与距工作面距离关系如图4。

图4 采空区瓦斯浓度与距工作面距离关系

从图4看出，在工作面后方0～7 m范围瓦斯浓度处于0.5%～1.0%变化，工作面后方7～13 m区域瓦斯呈现显著升高趋势，此区域最大瓦斯浓度为2.5%，超过13 m后采空区瓦斯浓度随着深度增大，逐步保持在1.4%。

实测结果证明：采空区靠近18205工作面范围，瓦斯浓度及升高趋势都较小，这是由于受到工作面负压流场的影响，距煤层底板附近周围的瓦斯都扩散负压流吹到回风巷，随着周期来压的到来，煤层直接顶板破裂垮落产生大量的裂隙在覆岩采场压力的作用下，裂隙快速闭合，采空区瓦斯运移升浮的通道受到冲击和挤压作用，受冲击扩散影响的瓦斯流涌向工作面及上隅角，而负压流场的扩散动力减弱，导致在采空区深部积聚大量的瓦斯，来压期间发生突然升高的趋势；之后采场覆岩裂隙缓慢发育，采空区瓦斯平稳扩散升浮，导致底板处瓦斯浓度趋于稳定。因此，根据瓦斯浓度分布特征沿推进方向将采空区（靠底板处）划分为：扩散负压作用的低瓦斯区，瓦斯浓度数升高区及瓦斯浓度稳定区。

4.2 顶板周期来压对高位钻孔的影响

为了研究顶板周期来压对高位钻孔的影响，指派专人实时监测瓦斯抽采情况。抽采瓦斯量、风排瓦斯量随时间的变化关系如图5。

图5 抽采瓦斯量、风排瓦斯量随时间的变化关系

由图5可知，受到来压的作用，最大瓦斯抽采量达到50.12 m3/min，表明采空区及邻近层瓦斯被高位钻孔有效拦截，防止采空区向工作面及上隅角涌出大量瓦斯。随着工作面不断开采，综采支架支承压力的峰值不断向前移动，围岩应力不断发生变化（由降低区-升高区-恢复区），上覆岩层的裂隙进行发育和闭合的交替变化，导致采动裂隙场随之前移；钻孔瓦斯抽采量滞后于周期来压1～2 d，但与周期来压步距有较好的一致性，并且存在裂隙区与压实区的交替变化，说明工作面瓦斯大量涌出现象也是矿山压力一种显现。顶板初次来压、周期来压与瓦斯抽采峰值的出现基本一致。

5 结论

1）根据现场监测数据得出18205工作面顶板周期来压期间，液压支架的支护阻力与瓦斯涌出量二者同步升高，具有良好的一致性，即矿压显现越剧烈，瓦斯涌出量越高，且瓦斯涌出量的升高略滞后于支护阻力的增高。

2）应力相对降低范围在工作面前方0～6 m，应力增高区区在工作面前方6～44 m，44 m以外是应力稳定区，距工作面17 m时工作面支承压力达到峰值；18205工作面初次来压步距为28 m，正常开采时周期来压步距为20.36 m，来压强度系数为1.53；且在来压期间煤岩体裂隙得到充分发育，为瓦斯运移提供良好的通道，煤体呈现“卸压增流效应”，瓦斯涌出量增大。

3）根据瓦斯浓度分布特征沿推进方向将采空区（靠底板处）划分为：扩散负压作用的低瓦斯区，瓦斯浓度数升高区及瓦斯浓度稳定区。周期来压期间高位钻孔抽采量显著增大，有效阻止了采空区及邻近层瓦斯向工作面的涌出，钻孔瓦斯抽采量滞后于周期来压1～2 d，瓦斯抽采量峰值与周期来压步距有较好的一致性。