張立海，吳玉國(guó)，張超

近距離煤層群開(kāi)采上層采空區(qū)氣體變化規(guī)律

張立海1，吳玉國(guó)2，張超2

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州 036000；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024）

近距離煤層群開(kāi)采過(guò)程中鄰近層之間產(chǎn)生大量相連通的裂隙，采場(chǎng)情況十分復(fù)雜，并伴隨不同煤層間因通風(fēng)導(dǎo)致的煤層間漏風(fēng)，致使采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律與單層開(kāi)采有很大區(qū)別，采空區(qū)氣體的分布規(guī)律也更加復(fù)雜，給采空區(qū)煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)帶來(lái)了困難。因此通過(guò)理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果研究近距離煤層群開(kāi)采本層及上層采空區(qū)氣體變化規(guī)律，為制定采空區(qū)煤自燃預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)。

近距離煤層群；漏風(fēng)；煤自燃；采空區(qū)；氣體分布規(guī)律

1 平朔井工二礦礦井及工作面概況

中煤集團(tuán)平朔井工二礦位于朔州市平魯區(qū)。礦井井田區(qū)域內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組。共含煤九層，自上而下編號(hào)為4（4-1）、4-2、5、6、7、9、10、11、12號(hào)煤層。其中4（4-1）、4-2、9、11號(hào)煤層發(fā)育普遍、層位穩(wěn)定、分布面積大、為本區(qū)主要可采煤層，其余煤層厚度小、僅零星分布、局部可采?，F(xiàn)開(kāi)采11號(hào)煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10 Mt/a，服務(wù)年限21.5 a，證件齊全。礦井目前開(kāi)采的11號(hào)煤層厚度為2.53～6.86 m，平均4.15m，煤層傾角0°～8°，平均5°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤種為氣煤，較穩(wěn)定。

井工二礦11號(hào)煤共布置12個(gè)工作面，分別為1101-1112，其中1101-1109工作面上部為9號(hào)煤綜放開(kāi)采采空區(qū)，1110-1112工作面上部為小窯開(kāi)采的9號(hào)煤采空區(qū)。11號(hào)煤層厚度為0.95～9.77 m，平均厚度為4.7 m，11號(hào)煤層與上覆的9號(hào)煤層層間距平均為7.78 m。

1103 工作面是井工二礦11號(hào)煤首采工作面，工作面長(zhǎng)度為300.5 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為1 496 m。工作面東邊為1102工作面，西邊為1104工作面，北部為安太堡露天礦,南邊為11煤盤(pán)區(qū)輔運(yùn)大巷。工作面煤層平均厚度為4.51 m，平均傾角為2.5°，工業(yè)儲(chǔ)量為350.69萬(wàn)t。

2 平朔井工二礦采動(dòng)裂隙帶特征分析

礦山壓力研究中大量的相似模擬實(shí)驗(yàn)研究以及現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)得出：綜放采空區(qū)及其上部覆巖的整個(gè)空間上，破斷裂隙只在煤層頂板一定高度的覆巖范圍內(nèi)較發(fā)育，離層裂隙則多出現(xiàn)于破斷裂隙之上；切眼、正回采的綜放面以及工作面上下風(fēng)巷附近，由于煤壁等的支承作用，上部覆巖裂隙也較發(fā)育；采空區(qū)中部的采動(dòng)裂隙，則在上覆巖層壓力的作用下基本上被壓實(shí)。隨工作面的推進(jìn)，具有依次向上發(fā)展分層運(yùn)動(dòng)的破斷與離層特征的上覆巖層，會(huì)形成覆巖采動(dòng)裂隙帶[1]。其中的巖層層面離層裂隙和穿層破斷裂隙相互貫通，在空間上產(chǎn)生形似橢圓拋物面的外部邊界，稱(chēng)為外橢拋面；當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，位于采空區(qū)中部的覆巖采動(dòng)裂隙基本被壓實(shí)，其邊界也可用近似的橢圓拋物面來(lái)描述，稱(chēng)為內(nèi)橢拋面。于是在整個(gè)采空區(qū)上覆巖層中，內(nèi)外橢拋面之間形成了類(lèi)似帽狀的采動(dòng)裂隙帶，將其稱(chēng)為橢圓拋物帶，其平面應(yīng)力狀態(tài)下的分布，見(jiàn)圖1[2]。

平朔二礦在近距離煤層群開(kāi)采條件下，采用冒落法管理頂板時(shí)，頂板巖層在采動(dòng)后由下而上通常形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，這三帶的高度由回采煤層的厚度、頂板圍巖的硬度及區(qū)域情況存在不同。當(dāng)開(kāi)采下部11號(hào)煤層時(shí)，冒落帶以一定的角度向工作面外延伸。實(shí)際冒落帶向外延伸角度約為77°～80°，直至9號(hào)煤層工作面采空區(qū)。由于上部9號(hào)煤層已經(jīng)開(kāi)采，并且上部部分巖層已經(jīng)破碎，兩層煤冒落帶相互疊加，形成較高的冒落帶。據(jù)相關(guān)研究，緩傾斜煤層中等硬度巖石性質(zhì)的條件下，冒落帶高度為采高的6～8倍、裂隙帶的高度為采高的10～30倍、彎曲下沉帶位于裂隙帶以上直至地表[3-4]。鉆探研究表明，11號(hào)煤層工作面開(kāi)采后，9號(hào)煤層煤柱頂部冒落帶最大高度可達(dá)到9號(hào)煤層單層開(kāi)采時(shí)的最大冒落高度，采空區(qū)浮煤位置示意圖，見(jiàn)圖2。

圖1 礦井采動(dòng)過(guò)程巖層平面應(yīng)力狀態(tài)分布圖

圖2 井工二礦1103工作面上覆9號(hào)煤工作面采空區(qū)浮煤位置關(guān)系示意圖

3 近距離煤層群開(kāi)采上層采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)方法及變化規(guī)律

為了及時(shí)掌握11號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中本層采空區(qū)及上層采空區(qū)的氣體變化規(guī)律，項(xiàng)目組通過(guò)井下移動(dòng)式束管采樣泵對(duì)11號(hào)煤上覆的9號(hào)煤采空區(qū)氣樣及11號(hào)煤本層采空區(qū)氣樣進(jìn)行分析，及時(shí)監(jiān)測(cè)1103工作面上覆采空區(qū)及本層采空區(qū)氣體的變化情況，為制定近距離煤層群開(kāi)采采空區(qū)防滅火措施提供了科學(xué)依據(jù)。

監(jiān)測(cè)方案：上層采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)在1103工作面回順不同位置通過(guò)煤柱向9號(hào)煤采空區(qū)打鉆孔6個(gè)，并下套管；套管與束管相連接，通過(guò)移動(dòng)式束管采樣泵定期采樣并送往地面進(jìn)行色譜分析，監(jiān)測(cè)采空區(qū)氣體變化情況。

上層采空區(qū)鉆孔采樣點(diǎn)布置：鉆孔布置在1102輔運(yùn)巷內(nèi)，每200 m布置一個(gè)鉆孔，共計(jì)6個(gè)鉆孔。采樣鉆孔布置示意圖，見(jiàn)圖3。

圖 31102輔運(yùn)巷采樣鉆孔布置示意圖

3.1 采空區(qū)CO、O2氣體變化曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)1103綜采面上層采空區(qū)進(jìn)行氣體采樣色譜分析，并結(jié)合工作面推進(jìn)速度分析，得出近距離煤層群開(kāi)采上層采空區(qū)氣體變化情況，研究結(jié)果為制定采空區(qū)防滅火措施提供科學(xué)依據(jù)[5]。

3.2 上層采空區(qū)采空區(qū)氣體變化規(guī)律分析

1）圖4為1號(hào)-6號(hào)測(cè)點(diǎn)CO、O2氣體變化規(guī)律，可以看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于工作面前方時(shí)，采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)基本為0，O2體積分?jǐn)?shù)在5%以下，說(shuō)明近距離煤層群開(kāi)采時(shí)工作面前方上層采空區(qū)漏風(fēng)較小，煤氧化得到較好的抑制[6]。隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入工作面的后方采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，最高值約為30×10-6，O2濃度逐漸上升，一般在5%以下，說(shuō)明隨著工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)，上下層間漏風(fēng)增加，導(dǎo)致浮煤出現(xiàn)低溫氧化，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，但并未發(fā)生大面積的煤層自燃。

圖4 1103工作面上層采空區(qū)氣體隨工作面推進(jìn)變化曲線(xiàn)圖

2）從氣體變化曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于工作面前方約36～50 m時(shí)，由于近距離煤層開(kāi)采工作面前方支撐應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂隙，采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)不同程度的上升，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于工作面后方55～80 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)不同程度的下降，這一結(jié)果與近距離煤層群開(kāi)栯采形成的“拋帶”裂隙理論相吻合。

3）氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：近距離煤層群開(kāi)采時(shí)上層采空區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)在3%～6%變化，CH4體積分?jǐn)?shù)較低，N2體積分?jǐn)?shù)在88%～93%變化，惰性氣體有效地抑制了采空區(qū)浮煤氧化，C2H4、C2H6、C2H2體積分?jǐn)?shù)均為0，說(shuō)明采空區(qū)附近密閉較好，氧氣濃度較低，惰性氣體體積分?jǐn)?shù)較高，采空區(qū)惰化效果較好，未檢測(cè)到火災(zāi)氣體，說(shuō)明未發(fā)生大面積的煤層自燃[7]。

4 結(jié)論

1）結(jié)合礦山壓力理論和現(xiàn)場(chǎng)鉆探鉆探研究，11號(hào)煤層工作面開(kāi)采后，9號(hào)煤層煤柱頂部冒落帶最大高度可達(dá)到9號(hào)煤層單層開(kāi)采時(shí)的最大冒落高度12.82 m，11號(hào)煤與9號(hào)煤之間冒落帶高度7.78 m。

2）結(jié)合煤層自燃相關(guān)理論和現(xiàn)場(chǎng)上部采空區(qū)鉆孔氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，9號(hào)煤開(kāi)采過(guò)后采空區(qū)附近密閉效果較好，氧氣體積分?jǐn)?shù)在5%以下，采空區(qū)遺煤氧化受到抑制，標(biāo)志性氣體CO、烷烯烴類(lèi)氣體在安全閾值內(nèi)。

[1]張百勝，楊雙鎖，翟英達(dá)，等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定方法的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008,27(1):97-101.

[2]李樹(shù)剛，石平五，錢(qián)鳴高.覆巖采動(dòng)裂隙橢拋帶動(dòng)態(tài)分布特征研究[J].礦山壓力與頂板管理，1999(3)：44-46.

[3]錢(qián)鳴高，繆協(xié)興.采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，14(2):97-106.

[4]錢(qián)鳴高，李鴻昌.采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及其對(duì)礦山壓力的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，1982(2)：1-8.

[5]鄔劍明，彭舉，吳玉國(guó).平朔礦區(qū)煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體選擇的試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（2）：67-69.

[6]鄔劍明,翟建山,吳新文,等.煤礦自燃火災(zāi)治理關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，8（4）：47-50.

[7]王省身，張國(guó)樞.中國(guó)煤礦火災(zāi)防治技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].火災(zāi)科學(xué)，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

（編輯：薄小玲）

2015-03-02

張立海（1964-），男，河北衡水人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事礦井一通三防技術(shù)及管理工作。