席興云

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司通風(fēng)處， 山西　大同　037003）

引言

采空區(qū)頂板擾動(dòng)是伴隨著煤層開(kāi)采而時(shí)刻變化的，是礦山壓力的一種外在表現(xiàn)形式。采空區(qū)上方上覆巖層產(chǎn)生變形、下沉及斷裂等變化形成裂隙、裂紋，從而改變了瓦斯原有的賦存狀態(tài)及運(yùn)移形式[1-2]。在一定范圍內(nèi)，瓦斯從煤層及圍巖中通過(guò)貫穿的空隙空間向采空區(qū)和工作面運(yùn)移，甚至急劇涌出[3]。采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出的能量來(lái)源于頂板破斷作用于采空區(qū)的濃度差（壓力差），同時(shí)在負(fù)壓風(fēng)流的驅(qū)使下，瓦斯氣體從濃度高的地方向濃度低的工作面擴(kuò)散。伴隨著上覆巖層的繼續(xù)垮落、運(yùn)移、壓實(shí)，促使采空區(qū)孔隙逐漸變小，造成破碎的煤巖體趨于壓實(shí)狀態(tài)，直至壓力平衡[4]。

1　工程概況

1401大采高工作面位于沁水煤田東南邊緣的西翼，其井下西臨1402工作面，北為西軌大巷，西南為嘉豐煤礦采空區(qū)，主采二疊系山西組3號(hào)煤層，煤體呈黑色，厚層狀結(jié)構(gòu)，局部含0.1 m左右的夾矸。煤體的容重為1.46 t/m3，其普氏硬度系數(shù)為1～2；煤層底板標(biāo)高為278～326 m，地面標(biāo)高為550～670 m，其蓋山厚度為230～380 m。該礦西井區(qū)3號(hào)煤平均厚度為6.1 m，煤層傾角為1～4°，平均2°，屬于近水平煤層。

工作面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體為北低南高的單斜構(gòu)造。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，煤層上方偽頂為粉砂質(zhì)泥巖，層厚為0.4 m；直接頂為粉砂巖，平均厚度2.83 m，以小型交錯(cuò)節(jié)理為主，下部夾薄層砂巖，深灰色厚層狀結(jié)構(gòu)；基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度6.3 m，灰白色巨厚層狀結(jié)構(gòu)成分，呈灰黑色并含少量植物化石；直接底為砂質(zhì)泥巖，深灰色，含豐富的植物化石，厚0.51 m；基本底主要是細(xì)粒砂巖，含云母，灰色巨厚層狀結(jié)構(gòu)，平均厚度5.9 m。

西區(qū)井田位于沁水復(fù)式向斜盆地的南端東翼，陽(yáng)城山字型構(gòu)造體系脊柱部分的南端，馬蹄形盾地的北側(cè)，小西洼背斜西側(cè)，井田基本構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造一致，整體為東南高西北低的向斜構(gòu)造。

根據(jù)1997年10月煤科總院重慶研究院提供的3號(hào)煤層瓦斯基本參數(shù)測(cè)定報(bào)告和2006年12月河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)研究所提交的3號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)研究報(bào)告可知，西井區(qū)3號(hào)煤層平均原煤瓦斯含量為 17.63 m3/t，瓦斯壓力為 0.2～2.12 MPa，殘存量為3.52 m3/t。由于受DF9斷層構(gòu)造作用的影響，該區(qū)域附近瓦斯賦存較高，原煤瓦斯含量為28 m3/t，瓦斯壓力為3 MPa，絕對(duì)瓦斯涌出量為280 m3/min；在2007年5月20日掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了一起煤與瓦斯突出事故，突出煤量300多t，使西井區(qū)升級(jí)為煤與瓦斯突礦井。1401工作面是西井區(qū)首采工作面，原煤瓦斯含量為 18～24 m3/t，瓦斯壓力為 1.5～2.5 MPa，絕對(duì)瓦斯涌出量為220～240 m3/min。

2　采動(dòng)影響下瓦斯風(fēng)流的運(yùn)移特征

從上述采空區(qū)瓦斯風(fēng)流特征發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的推進(jìn)，頂板破斷改變采空區(qū)垮落巖石的介質(zhì)特征，同時(shí)影響著產(chǎn)生高速氣流對(duì)工作面瓦斯的涌出。根據(jù)關(guān)鍵層破斷對(duì)瓦斯涌出的沖擊作用分析可得，隨著工作面的推進(jìn)，大采高工作面后方垮落矸石隨頂板破斷向采空區(qū)深部密實(shí)性逐步增高，從而使回采空間內(nèi)形成瓦斯壓力梯度；同時(shí)頂板擾動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊氣流，從而使得采空區(qū)內(nèi)矸石及遺煤的瓦斯解吸快速向工作面涌出[5-6]。

因而，可將1401工作面采空區(qū)簡(jiǎn)化為一體積很大的扁平容器，暫不考慮通風(fēng)方式、尾巷布置及頂?shù)装迕海ㄅR近層）巖石等周邊向采空區(qū)涌入瓦斯，且將進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷視為扁平容器底部的兩個(gè)孔，并不計(jì)兩孔間風(fēng)流的靜壓差和速壓差，便有圖1所示的計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖1　頂板失穩(wěn)沖擊大采高工作面矸石垮落模型

假設(shè)容器內(nèi)氣體為理想氣體，其密度為ρa(bǔ)，（kg/m3），顯然容器內(nèi)氣體承受著比巷道內(nèi)風(fēng)流更高的壓力，由Birmoulli能量方程得。

式中：vG為采空區(qū)氣體流速，m/s；v0為巷道內(nèi)氣體流速，m/s；P0為巷道內(nèi)氣體壓力，Pa。

根據(jù)連續(xù)性方程：vGAG=2v0A0，得 vG=2v0A0/AG，故：

式中：pG為頂板失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊力與采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)壓力的合成，Pa；AG、A0為采空區(qū)及兩巷道面積，m2。

考慮到阻力損失和壓差存在，及模型與實(shí)際情況的差異，將式（2）乘以簡(jiǎn)化系數(shù)R，則可得到采空區(qū)內(nèi)瓦斯在頂板破斷失穩(wěn)后產(chǎn)生的擾動(dòng)氣流向尾巷向上隅角涌出的瞬時(shí)速度為：

由頂板破斷沖擊工作面矸石模型可知，隨著工作面的推進(jìn)，大采高工作面后方垮落矸石隨頂板破斷向采空區(qū)深部密實(shí)性逐步增高，從而使回采空間內(nèi)形成瓦斯壓力梯度；同時(shí)頂板擾動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊氣流，使得采空區(qū)瓦斯大量解吸后迅速“壓”向采面及尾巷橫川處。由上式3分析可得，頂板失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊力與采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)壓力的合成pG越大，采面及尾巷橫川處的風(fēng)流速度就越大，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)瓦斯涌出量急劇增高現(xiàn)象，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患。

3　采空區(qū)頂板擾動(dòng)對(duì)瓦斯涌出的影響

結(jié)合該礦1401工作面風(fēng)流運(yùn)移方式（如圖2所示），在回風(fēng)巷距煤壁50 m處加設(shè)一道風(fēng)墻，增大回風(fēng)巷的風(fēng)阻，使得工作面大部分風(fēng)流及采空區(qū)漏入風(fēng)流經(jīng)尾巷橫川排出，從而解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題。本文從大采高工作面上隅角及尾巷橫川處的風(fēng)流及瓦斯涌出量變化的相對(duì)關(guān)系來(lái)反應(yīng)采空區(qū)頂板破斷擾動(dòng)的影響。

本文為分析采空區(qū)頂板擾動(dòng)對(duì)工作面瓦斯涌出的影響，進(jìn)而隨著工作面的推進(jìn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)1401工作面上隅角及尾巷橫川處的風(fēng)速及瓦斯涌出量變化，分析采動(dòng)區(qū)頂板擾動(dòng)與瓦斯涌出的關(guān)系。表1為上隅角及尾巷橫川處采空區(qū)頂板破斷前后風(fēng)速及瓦斯涌出量的變化情況。

圖2　1401工作面風(fēng)流運(yùn)動(dòng)示意圖

表1　頂板擾動(dòng)與瓦斯涌出量關(guān)系

由上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，非來(lái)壓期間工作面上隅角處風(fēng)速為3.61 m/s，絕對(duì)瓦斯涌出量為33.47 m3/min；而工作面初次來(lái)壓時(shí)風(fēng)速增大到4.32 m/s，絕對(duì)瓦斯涌出量為33.47 m3/min，初次來(lái)壓時(shí)的風(fēng)速較非來(lái)壓期間增大了1.2倍，其絕對(duì)瓦斯涌出量相應(yīng)地增大了1.74倍；而對(duì)于工作面尾巷橫川處，非來(lái)壓期間風(fēng)速為4.39 m/s，絕對(duì)瓦斯涌出量為65.87 m3/min；工作面初次來(lái)壓時(shí)風(fēng)速為5.16 m/s，絕對(duì)瓦斯涌出量為112.2 m3/min，來(lái)壓時(shí)的風(fēng)速較非來(lái)壓期間增大了1.17倍，絕對(duì)瓦斯涌出量同時(shí)也增大了1.7倍；這是因?yàn)楣ぷ髅娉醪呻A段，大采高采出空間內(nèi)只有偽頂及部分直接頂垮落后自然堆積的矸石，使得采空區(qū)深部尚有大量的風(fēng)流運(yùn)移空間，不會(huì)發(fā)生大量瓦斯積聚現(xiàn)象，進(jìn)而工作面初次來(lái)壓時(shí)，頂板破斷產(chǎn)生的沖擊風(fēng)流，使得短時(shí)間內(nèi)工作面上隅角及尾巷橫川處瓦斯涌出量同時(shí)增大。

進(jìn)入正?；夭呻A段，工作面后方垮落矸石的密實(shí)程度逐步增高，由于尾巷橫川距工作面距離的差異使得上隅角及尾巷橫川處風(fēng)流速度及瓦斯涌出量產(chǎn)生變化。為了更直觀地體現(xiàn)頂板擾動(dòng)對(duì)瓦斯涌出的影響，如曲線變化圖3、圖4所示。

圖3　頂板擾動(dòng)與風(fēng)流速度關(guān)系曲線圖

圖4　頂板擾動(dòng)與瓦斯涌出量關(guān)系曲線圖

隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)后方垮落矸石逐漸被壓實(shí)，風(fēng)流難以稀釋積聚的瓦斯，使得大量的瓦斯積存在采空區(qū)內(nèi)，當(dāng)工作面第3～4次周期來(lái)壓時(shí)，由于尾巷橫川距離工作面較遠(yuǎn)，采空區(qū)頂板破斷產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊氣流，很難通過(guò)垮落矸石裂隙由尾巷橫川排出，使得尾巷橫川處風(fēng)流速度最低至2.18 m/s，瓦斯涌出量?jī)H為60.2 m3/min；相反沖擊氣流能夠克服回風(fēng)巷風(fēng)墻的阻力及負(fù)壓通風(fēng)的壓力，將高濃度的瓦斯氣體壓入工作面，使得瓦斯?jié)舛燃眲≡龈?，上隅角瓦斯涌出量最高達(dá)到81.2 m3/min，且持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間嚴(yán)重影響了工作面正常生產(chǎn)。針對(duì)1401工作面大采高開(kāi)采條件，周期來(lái)壓期間，時(shí)常出現(xiàn)工作面瓦斯超限現(xiàn)象，可以在距工作面更近的回風(fēng)巷與尾巷間人工增開(kāi)橫川，使得采空區(qū)風(fēng)流經(jīng)尾增開(kāi)橫川排出，達(dá)到降低瓦斯的效果；根據(jù)以上對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出有效深度的分析，增開(kāi)橫川最好選在距工作面15 m處。

4　結(jié)論

1）結(jié)合采空區(qū)頂板垮落形式，將采空區(qū)沿水平方向劃為自然堆積區(qū)、擾動(dòng)影響區(qū)及壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)；

2）隨著工作面推進(jìn)，大采高工作面后方回采空間內(nèi)形成瓦斯壓力梯度；

3）大采高頂板擾動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊氣流，將采空區(qū)瓦斯迅速“壓”向工作面及尾巷橫川處，造成工作面上隅角及尾巷橫川處風(fēng)速及瓦斯涌出量急劇增高；

4）隨著尾巷橫川與工作面距離的增大，上隅角在周期來(lái)壓期間會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。

[1]付明明.頂板垮落對(duì)回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)三帶內(nèi)瓦斯運(yùn)移和爆炸影響的試驗(yàn)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2012.

[2]孫家偉.石港煤礦堅(jiān)硬頂板高瓦斯綜放面初采期瓦斯涌出特征及治理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

[3]李化敏，蘇承東，宋常勝.采空區(qū)頂板垮落與瓦斯涌出關(guān)系的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2007（11）：32-34.

[4]胡千庭，梁運(yùn)培，劉見(jiàn)中.采空區(qū)瓦斯流動(dòng)規(guī)律的CFD模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007（7）：737-739.

[5]王家臣，王進(jìn)學(xué)，沈杰，等.頂板垮落誘發(fā)瓦斯災(zāi)害的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007（1）：49-52.

[6]揣文峰，王緒光.采煤工作面初次放頂?shù)募夹g(shù)與管理[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）：28-30.