山西沙曲煤礦高含煤煤層綜放開采覆巖破壞規(guī)律研究

山西沙曲煤礦高含煤煤層綜放開采覆巖破壞規(guī)律研究

1煤系采煤層沙曲井的含煤層為太原群、山西群，含碳量17層，總厚度19.42m。山西組3#、4#、5#和太原組8#、9#和10#煤為可采煤層,其中4#、5#、8#和10#煤為主采煤層,煤系地層平均厚度為64m,形成于濱海沖積平原環(huán)境。上組煤系地層含3#煤、4#煤、5#煤。1.1質(zhì)、細巖沉積相中、細粒砂巖礦物成分以石英長石為主,鈣質(zhì)膠結(jié),中厚層狀,具不規(guī)則波狀層理及斜層理,硬度較大,節(jié)理裂隙不發(fā)育,有時相變?yōu)楹只疑百|(zhì)泥巖,質(zhì)較硬,厚約1.15m。粉砂巖礦物成分以石英長石為主,含大量暗色礦物,鈣、泥質(zhì)膠結(jié),中厚層狀,分選性差,節(jié)理裂隙不太發(fā)育,灰白色粒砂巖,厚層狀脈狀層理,含煤屑泥質(zhì)膠結(jié),為弱水層,厚約4.50m。1.2彈性土的特性泥質(zhì)巖在該煤系地層空間分布較穩(wěn)定,多層,每層厚度約2.85～5.13m,其質(zhì)地細膩,具有明顯的滑感,破劈理發(fā)育。干燥的巖石致密堅硬,垂直節(jié)理裂隙發(fā)育,灰黑色砂質(zhì)泥巖為薄層狀,節(jié)理發(fā)育含植物根莖化石。礦物成分以高嶺石為主,含有少量的伊利石和地開石,有微量的蒙脫石,還含有少量的石英顆粒。以上觀測分析研究表明,該煤系地層是比較典型的軟巖,采空區(qū)頂板冒落時遵循軟巖規(guī)律。2工作面去壓強度降低對14201工作面礦壓與覆巖破壞觀測資料的分析研究表明,該工作面頂板冒落具有靜壓大、周期來壓步距小、頂板下沉量大、冒落充填充分、速度快、壓實壓密快等特征。(1)頂板下沉量明顯增大,采空區(qū)充填速度加快,壓實壓密也快,破壞影響上覆巖層范圍較小,且導水裂縫帶高度大大降低,支柱鉆底,支架扎底現(xiàn)象比較嚴重;當工作面采過后,在工作面后部形成低透氣性帶,采空區(qū)漏風減小,高濃度瓦斯區(qū)距離工作面較近,容易在上隅角形成瓦斯超限,也是形成工作面前后兩聯(lián)絡(luò)巷之間的尾巷段瓦斯積聚的重要原因。(2)直接頂初次垮落與周期來壓步距減小,上覆巖層中老頂活動對工作面影響的劇烈程度減輕,工作面來壓強度相應降低;采空區(qū)的高濃度瓦斯被壓出的強度大大減小,這些高濃度瓦斯可以長期較穩(wěn)定地滯留在采空區(qū),為采空區(qū)瓦斯抽放提供了充足的氣源。314工作面瓦斯溢出情況根據(jù)沙曲礦瓦斯通風月報表,在目前條件下,14201工作面在初采期平均絕對瓦斯涌出量70m3/min～90m3/min,相對瓦斯涌出量33.6m3/min～43.2m3/min。工作面瓦斯涌出情況見表1所示。工作面本煤層瓦斯涌出量對工作面回采的影響很大,一般情況下,采煤機連續(xù)割煤20～30min,工作面瓦斯探頭就會超限,形成斷電,造成工作面采煤機割割停停,工作面不能正常生產(chǎn),也給工作面的安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。從回采期間來看,上隅角和尾巷瓦斯?jié)舛鹊淖兓灿忻黠@的規(guī)律,從一個月的觀測來看,工作面瓦斯涌出具有明顯的周期性,這個周期性與采空區(qū)頂板冒落的周期性來壓有很大關(guān)系。如圖1所示為上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r。4煤層采動裂隙帶采動后支承壓力對開采煤層的滲透系數(shù)的變化影響較大,工作面前方應力集中帶煤層因礦山壓力的作用被壓實,其滲透性系數(shù)降低而瓦斯壓力增大,故其內(nèi)部瓦斯涌出量會下降;隨著工作面的推進,采空區(qū)冒落拱腳前移,被壓實帶卸壓,圍巖松動后瓦斯涌出量會急劇增加,滲透系數(shù)值增大很多,可達數(shù)百倍,并使解析流量也增加很多。由此得出結(jié)論,不論原始滲透系數(shù)怎樣低的煤層,在采動影響下煤層瓦斯卸壓后,其滲透系數(shù)會急劇增加,煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流速度大增,瓦斯涌出量也隨之劇增,漏風影響會使涌出瓦斯升浮擴散至覆巖的采動裂隙帶。采動裂隙帶內(nèi)外邊界為一橢圓拋物面形狀,故稱此裂隙帶為橢拋帶。相似材料模擬試驗觀測頂板的冒落規(guī)律如圖2所示。在這里采動裂隙帶不僅是瓦斯運移完成時的聚集場所,而且還是瓦斯的運移通道。搞清采動裂隙帶的分布規(guī)律則可進一步研究瓦斯的運移通道,進而研究瓦斯在覆巖采動裂隙帶內(nèi)的運移規(guī)律。在確定瓦斯運移聚集區(qū)的基礎(chǔ)上,合理地布置鉆孔位置和其它有關(guān)參數(shù),完全能夠高效地抽取高濃度卸壓瓦斯。在開采影響下覆巖產(chǎn)生變形移動而形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,在冒落帶和裂隙帶內(nèi),受卸壓松動影響會產(chǎn)生許多破斷裂隙和離層裂隙并相互貫通。巖層在采空區(qū)中部的高層裂隙趨于壓實,從而在采空區(qū)上部形成層面展布為橢圓形圈的導氣裂隙帶。裂隙帶內(nèi)煤巖層垮落移動,支承壓力減弱,瓦斯儲層壓力降低,煤體膨脹表面積增大,滲透性增加,本煤層和鄰近層(含圍巖)瓦斯得以解析運移。據(jù)升浮和擴散理論,在裂隙帶上部離層裂隙發(fā)育區(qū)漂浮、聚集著大量卸壓瓦斯,在其周邊(即層面上呈現(xiàn)的橢圓形圈)破斷裂隙發(fā)育區(qū)則有大量游離瓦斯運移。因此,在進行采空區(qū)瓦斯抽放時,應根據(jù)裂隙帶形成的特點,將高抽巷、高抽鉆孔等的具體位置確定在導氣裂隙帶內(nèi),則易于抽取高濃度瓦斯。5采空區(qū)高濃度瓦斯形成機理(1)軟頂板具有冒落靜壓大、周期來壓步距小、頂板下沉量大、冒落充填充分、速度快、壓實壓密快等特征,可以在工作面后部快速形成低透氣性帶,減小漏風,為采空區(qū)高濃度瓦斯的形成創(chuàng)造了條件。(2)本文分析了采空區(qū)上覆巖層的裂隙形成過程與采空區(qū)瓦斯運動規(guī)律之間的關(guān)系,揭示了采空區(qū)高濃度瓦斯形成的機理,為高抽巷、高抽鉆孔等抽放具體位置的確定提供了科學依