采空区上覆岩层瓦斯富集区域的形成与识别.doc

采空区上覆岩层瓦斯富集区域的形成与识别 摘 要：阐述了采空区上覆岩层瓦斯富集区域的形成过程，提出采空区上覆岩层瓦斯富集区的识别方法，并用实例确定了古书院矿93311工作面采空区上覆岩层瓦斯富集区域的定位参数。 关键词：采空区上覆岩层；瓦斯富集区域；形成；识别 在煤炭开采过程中，顶板岩层随工作面的推进经历了卸压下沉一破断一垮落的循环过程。在顶板变形、垮塌的过程中，采空区的瓦斯(含邻近层涌向采空区的瓦斯)也经历了上浮-扩散-渗透聚积的过程，最终在采空区上覆岩层中形成了瓦斯相对集中的区域，在此区域内瓦斯浓度比较高(cH4)20)。研究采空区上覆岩层瓦斯富集区域的形成机理及采空区上覆岩层瓦斯富集区域的识别，对于采空区瓦斯涌出的治理、煤层气的开发、保证矿井安全生产具有重要指导意义。1采空区上覆岩层瓦斯富集区域的形成 煤层顶板由若干层性质各异的岩层和煤层组成，当煤层被采出，顶板面积悬露到一定极限时，直接顶板岩层垮落，随着采面的推进，顶板中较坚硬的岩层(关键层)垮落，即初次来压。以后随着采面的不断向前推进，每隔一定周期关键层垮落1次，工作面也就形成了周期来压。根据开采沉陷学和顶板岩层控制的研究成果，采空区上覆岩层存在冒落、离层破断、弯曲下沉“三带”。冒落带经历了冒落、受压、压实过程；离层破断带又称裂隙带，经历裂隙发育、充分发育、压实的过程。当煤层顶板初次来压以后，赋存在煤层顶板围岩内的瓦斯由于顶板卸压的原因开始向采空区释放、扩散。随着工作面不断向前推进，按照“O-X”破断理论，上覆岩层产生许多裂隙和裂缝，采空区中部的离层裂隙会被上位岩层的移动所压实，而在采空区周围则形成了环形裂隙圈，这些裂隙使采空区上覆岩层的透气性成倍增加，为采空区瓦斯的运移提供了通道和聚积的空间。采空区上覆岩层的运移以及破断形式见图1。 由图1可知，顶板岩层从下至上分为垮落带、裂隙带(a)、弯曲下沉带；沿煤层方向分为煤壁支撑影响区、离层区(b)。重新压实区，采空区中部的上覆岩层随工作面的推进不断经历离层一重新压实的变换过程；同时在采空区周围形成环形裂隙圈。不论竖向还是横向这些区域都随回采工作面的推进不断地变换向前运移。 在采空区上覆岩层垮塌过程中，采空区瓦斯(包括邻近层瓦斯)也进行了重新分布，即采空区内的瓦斯除一部分由于漏风原因被风流带走外，其余的不断涌向环形裂隙圈1，并且上浮(由于瓦斯的密度比空气小、裂隙通道和漏风通道的压力差)至破断裂隙发育区，通过扩散、渗透在断裂带顶部汇集形成瓦斯富集区域2。这一观点也可以从岩石力学的角度加以证实。回采工作面前后的支撑应力分布见图23。由图2可知，煤层顶板岩层的A段和采空区上覆岩层的C段都处于承压区域，而在回采工作面之后的一定距离的采空区上覆岩层的日段承压较小或者可以称之为不承压，即采空区上覆岩层的应力卸压区位于图2中的B段，这一结论与前述结论是相一致的。 综上分析可知，瓦斯富集区域位于采空区上覆岩层环形裂隙圈内，并且是位于顶板(竖向的)裂隙带和(横向的)离层区。因此可以认为处于顶板裂隙带和离层区的这一环形裂隙圈构成了采空区上覆岩层的瓦斯富集区域。图1中的裂隙带高度(a)、离层区距切眼的距离(b)，以及裂隙带距工作面回风巷的水平距离(c)是识别采空区上覆岩层瓦斯富集区域的主要参数。2采空区上覆岩层瓦斯富集区域的识别方法 通过上述分析可以判定在采空区的上覆岩层内存在瓦斯的富集区域，但如何识别采空区上覆岩层瓦斯的富集区域才是解决问题的关键，这就涉及到采空区上覆岩层瓦斯富集区域识别方法的选取问题。无论选取哪种方法都必须满足以下条件：能证明所测定或判定的区域存在高浓度瓦斯；确定所测定或判定区域的位置参数。 通过考察比较，确定选用钻孔抽放瓦斯的方法来进行上覆岩层瓦斯富集区域的识别，即在煤层顶板向采空区上覆岩层打水平长钻孔，测试抽出气体中瓦斯浓度、抽放纯量的变化来考察煤层顶板的运移状况，进而识别采空区上覆岩层的瓦斯富集区域。 以山西晋煤集团古书院矿9#煤93311工作面为例分析。93311工作面平均煤厚15 m，采煤方法为走向长壁综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，其顶板岩性如下：直接顶岩性为I4灰岩，厚1 m；老顶岩性为细砂岩，厚57 m，初期来压步距为45 m，周期来压步距为15 m4。93311工作面顶板有效抽放钻孔终孔点至工作面的距离与钻孔抽放浓度、抽放纯量的关系见图3。 由图3可以看出，钻孔在进入采空区的距离大于31 m、小于85 m时，钻孔抽放的瓦斯浓度大于20，并且其单孔平均抽放纯量大于05 m3min，由此可以判断，93311工作面顶板岩层的离层区位于工作面之后3185 m，并且随着工作面的推进不断向前运移，可以认为回采工作面后方3185 m内，采空区上覆岩层为离层裂隙的发育区。 93311工作面有效抽放钻孔不同终孔点距煤层顶板的距离与钻孔抽放浓度、平均抽放纯量的关系见图4。 从图4可见，终孔点至煤层顶板小于17 m时，钻孔抽放的瓦斯浓度较低(CH4)20)、抽放纯量大于05m3min。说明钻孔此时位于裂隙带，此处为瓦斯富集区域。 93311工作面钻孔距回风巷的水平距离与钻孔抽放浓度、抽放纯量的关系见图5。由图5可知，钻孔距回风巷水平距离大于14 m、小于30 m时，钻孔的瓦斯抽放浓度大于20且抽放纯量大于05 m3min，说明此时钻孔位于环形裂隙圈内。3结论及存在的问题 1)古书院矿9#煤层采空区上覆岩层的瓦斯富集区域位于回采工作面后方3l85 m、靠近回风巷侧1430 m、且距离煤层顶板1723 m之内，并且此区域随工作面的推进同步向前运移。 2)采空区上覆岩层瓦斯富集区域的识别，不仅对治理采空区瓦斯有参考意义，而且还为煤层顶板运移的考察提供了一种途径。 3)从开采煤层气的角度出发，对采用地面钻井抽采采空区煤层气的方法，其地面钻井位置的确定可以先进行井下采空区上覆岩层瓦斯富集区域的考察，得出采空区上覆岩层瓦斯富集区域的运移参数，然后根据所确定的瓦斯富集区域的参数进行地面钻井钻进。因此采空区上覆岩层瓦斯富集区域的识别也可以为地面开发采空区煤层气提供依据和参考。 4)采空区上覆岩层瓦斯富集区域的定位参数对不同的煤层、不同顶板岩性、不同的采煤方法其位置不同，为此应对不同矿井的不同煤层、不同顶板岩性以及不同采煤方法进行有针对性的参数考察，以确定瓦斯富集区域的定位参数。5)采空区上覆岩层瓦斯富集区域的运移步距与回采工作面的推进速度、采煤方法等的数量化关系还有待进一步考察研究。参考文献：1刘泽功，袁亮，戴广龙，等开采煤