火成岩侵入条件下被保护层掘进工作面瓦斯异常涌出原因分析

邓欣雨， 柳东明， 刘 鹏

(1.铁法煤业(集团)大强煤矿有限责任公司，辽宁 沈阳 110514；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122； 4.铁岭市应急管理局，辽宁 铁岭 112000)

1 工作面概况及瓦斯治理措施

1.1 工作面基本情况

南五903工作面位于南五采区中北部。工作面设计可采走向长641 m，切眼宽240 m。工作面东部为F38号断层，南部为工作面采区煤柱，西部为未采动区，北部为9煤层最低可采边界。

1.2 工作面煤层特征及火成岩侵入情况

本工作面西南部8、9煤层合层，煤层较厚在2.64 m～3.11 m之间，东北部8、9煤层分层，9煤层逐渐变薄，9煤层呈南厚北薄趋势，平均煤厚为2.11 m，南部煤层顶板受一条厚度在3 m～4 m的火成岩岩床侵入，影响煤层局部有变质现象。本工作面顶板以细砂岩和粗砂岩为主，底板以粉砂岩为主。

根据本工作面4个地质钻孔和上部南五707工作面实见资料看，该工作面火成岩侵入复杂。南五707回顺有火成岩侵入体实见，工作面有3个地质钻孔实见3.00 m～4.03 m厚火成岩，分析认为火成岩是以F38号断层为侵入通道，侵入到煤岩层薄弱区。本工作面火成岩侵入形式以岩床为主，侵入层位在9煤层顶板1.5 m以上，厚度3.48 m左右，由于火成岩是以F38号断层为侵入通道，邻近工作面回顺，因此本工作面回顺侧火成岩侵入较为严重，局部有可能形成无煤区，对掘进影响较大。

1.3 邻近煤层赋存及开采情况

本工作面上部7-2煤层已开采(南五707、709工作面已回采结束)，局部为应力集中区，7-2与9煤层间距一般为31.74 m，处于被保护区，但由于9煤层顶板发育一火成岩岩床，掘进过程中应加强突出指标的测试工作。

工作面上邻9-3、8、7-2煤层，9-3煤层局部发育，与9煤层间距3.88 m，煤层厚0.53 m，不可采；8煤层大部分发育，与9煤层间距一般为11.34 m，煤厚0.82 m～1.00 m，未采动；7-2煤层与9煤层间距一般为31.74 m，煤厚在3.52 m～6.37 m，已采动。工作面下邻10-1煤层，与9煤层间距在1.20 m～4.29 m，工作面南部距9煤层较近为1.2 m，北部距9煤层较远为4.29 m，一般间距为1.42 m，煤厚平均为0.60 m。

1.4 工作面瓦斯治理措施

根据邻近层采掘关系，其上邻近层南五707、709工作面已采区域对南五903工作面来说构成了上保护层开采。因此，保护层开采为区域防突措施。第68页图1为南五903工作面实际受保护区域。

图1 南五903工作面实际受保护区域

2 瓦斯异常涌出经过

2.1 喷孔现象描述

2020年1月22日4点班23时14分，南五903运顺掘进工作面(已掘进至288 m处)距迎头3 m施工顶板锚索孔时发生喷孔现象，工作面甲烷传感器瞬时达1.5%，人员撤至回顺口新鲜风流中。该掘进面掘进至298 m，锚索布置为3-0-2-0，该孔为3-0中间孔，孔深5.4 m(岩性描述：0 m～3.4 m砂岩；-4.5 m煤；-5.4 m火成岩)，工作面风量550 m3/min，回风风量650 m3/min，喷孔发生前回风流平均瓦斯浓度0.45%，喷孔后12 h 平均浓度0.95%。

2.2 喷孔前工作面突出指标测定

1月22日白班距喷孔点2.4 m测定突出预测指标，测得8煤层Δh2= 117.6 Pa(湿),9煤层Δh2=98.0 Pa(干)；工作面左侧8煤层厚1.3 m，右侧0.5 m。

2.3 现场处置及效果

1月23日白班现场查验工作面顶板有一裂隙面，无明显瓦斯涌出，仅锚索孔有瓦斯涌出，有轻微哨声。现场使用聚氨酯4分管封孔，连抽4吋管上。通风处现场要求，涌出瓦斯要导入抽采系统，尽快形成永久抽采系统；工作面要采取局部防突措施(8煤层、9煤层)。

通过采取抽采措施后，回风瓦斯浓度降至0.7%，抽采瓦斯量1.97 m3/min，至1月23日晚20时工作面瓦斯浓度降至0.9%。经统计，喷出瓦斯量3.7 m3/min，至25日晚20时工作面总瓦斯涌出量 4 662 m3。

3 瓦斯异常涌出原因分析

3.1 保护层开采影响

南五903工作面从理论上来说，均位于上保护层7-2煤层已采区域(707、709工作面)被保护范围之内，但由于709工作面于2018年1月19日刚采完，上覆围岩尚处于动态变化之中，903工作面运顺沿倾斜方向80 m范围属于未受保护区域。因此，903工作面运顺在掘进过程中容易受应力集中影响而导致瓦斯异常涌出，比如在掘进过程中施工预抽钻孔有喷孔现象。

3.2 火成岩侵入影响

岩浆岩侵入的热力烘烤使煤的变质程度提高，伴生的瓦斯量增加，岩浆岩的封盖对煤层瓦斯的逸散起到一定的阻碍作用[1-3]。从第69页工作面运顺剖面图2可以看出，火成岩沿8煤层与9-3煤层之间侵入，部分8煤层被侵蚀掉，侵蚀过程中大量解吸瓦斯富集于围岩裂隙孔隙中；8煤层煤体焦化变质后对瓦斯吸附性增强，在地应力共同作用下，煤层瓦斯吸附量增高，瓦斯含量增大，上邻近层7-2煤层开采后，8煤层卸压瓦斯解吸量增大，富集于火成岩盖层之上。在这种特定的地质条件下演变成了瓦斯富集区，成为瓦斯异常涌出的来源。一旦由于采动影响而产生裂隙，则形成了卸压瓦斯释放的通道[4-6]。本次南五903工作面运顺掘进期间的瓦斯异常涌出现象，也是此种原因造成。

图2 南五903运顺剖面图

3.3 上覆采空区动压影响

南五903工作面上保护层南五709工作面于2018年2月19日回采结束，其上覆岩层尚处于动态变化过程中，经保护层开采保护范围确定，南五903工作面运顺沿倾斜往上80 m范围为未受保护区，即处于应力集中带，在掘进时应采取超前钻孔卸压措施。

南五903工作面1月22日掘进至296 m，距南五709工作面平面位置304 m，即南五903运顺位于南五709工作面采空区影响范围内，其相对位置见图3所示。

图3 南五903掘进面与南五709回采面相对位置关系图

4 结论

南五903工作面运顺瓦斯异常涌出现象为8煤层受火成岩影响煤发生变质、吸附能力增强、动压影响下而释放的大量游离瓦斯富集于9煤层顶板火成岩盖层之上不易扩散、掘进过程中受集中应力影响下顶板出现裂隙而形成了瓦斯释放的通道造成的。而上邻近层7-2煤层采空区卸压瓦斯和遗煤瓦斯不会通过9煤顶板裂隙涌入到9煤采掘工作面。