采空区上覆岩层瓦斯富集区域形成与识别

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1、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

2、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

3、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

4、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2[3]。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

5、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

6、方法都必须满足以下条件：①能证明所测定或判定的区域存在高浓度瓦斯；②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1．5m，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I<4灰岩，厚1m；老顶岩性为细砂岩，厚5．7m，初期来压步距为45m，周期来压步距为15m[4]。

7、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31m、小于85m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0．5m3／min，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31．85m，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31～85m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