火成巖侵入條件下被保護(hù)層掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出原因分析

鄧欣雨， 柳東明， 劉 鵬

(1.鐵法煤業(yè)(集團(tuán))大強(qiáng)煤礦有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110514；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122； 4.鐵嶺市應(yīng)急管理局，遼寧 鐵嶺 112000)

1 工作面概況及瓦斯治理措施

1.1 工作面基本情況

南五903工作面位于南五采區(qū)中北部。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)641 m，切眼寬240 m。工作面東部為F38號(hào)斷層，南部為工作面采區(qū)煤柱，西部為未采動(dòng)區(qū)，北部為9煤層最低可采邊界。

1.2 工作面煤層特征及火成巖侵入情況

本工作面西南部8、9煤層合層，煤層較厚在2.64 m～3.11 m之間，東北部8、9煤層分層，9煤層逐漸變薄，9煤層呈南厚北薄趨勢(shì)，平均煤厚為2.11 m，南部煤層頂板受一條厚度在3 m～4 m的火成巖巖床侵入，影響煤層局部有變質(zhì)現(xiàn)象。本工作面頂板以細(xì)砂巖和粗砂巖為主，底板以粉砂巖為主。

根據(jù)本工作面4個(gè)地質(zhì)鉆孔和上部南五707工作面實(shí)見資料看，該工作面火成巖侵入復(fù)雜。南五707回順有火成巖侵入體實(shí)見，工作面有3個(gè)地質(zhì)鉆孔實(shí)見3.00 m～4.03 m厚火成巖，分析認(rèn)為火成巖是以F38號(hào)斷層為侵入通道，侵入到煤巖層薄弱區(qū)。本工作面火成巖侵入形式以巖床為主，侵入層位在9煤層頂板1.5 m以上，厚度3.48 m左右，由于火成巖是以F38號(hào)斷層為侵入通道，鄰近工作面回順，因此本工作面回順側(cè)火成巖侵入較為嚴(yán)重，局部有可能形成無煤區(qū)，對(duì)掘進(jìn)影響較大。

1.3 鄰近煤層賦存及開采情況

本工作面上部7-2煤層已開采(南五707、709工作面已回采結(jié)束)，局部為應(yīng)力集中區(qū)，7-2與9煤層間距一般為31.74 m，處于被保護(hù)區(qū)，但由于9煤層頂板發(fā)育一火成巖巖床，掘進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)突出指標(biāo)的測(cè)試工作。

工作面上鄰9-3、8、7-2煤層，9-3煤層局部發(fā)育，與9煤層間距3.88 m，煤層厚0.53 m，不可采；8煤層大部分發(fā)育，與9煤層間距一般為11.34 m，煤厚0.82 m～1.00 m，未采動(dòng)；7-2煤層與9煤層間距一般為31.74 m，煤厚在3.52 m～6.37 m，已采動(dòng)。工作面下鄰10-1煤層，與9煤層間距在1.20 m～4.29 m，工作面南部距9煤層較近為1.2 m，北部距9煤層較遠(yuǎn)為4.29 m，一般間距為1.42 m，煤厚平均為0.60 m。

1.4 工作面瓦斯治理措施

根據(jù)鄰近層采掘關(guān)系，其上鄰近層南五707、709工作面已采區(qū)域?qū)δ衔?03工作面來說構(gòu)成了上保護(hù)層開采。因此，保護(hù)層開采為區(qū)域防突措施。第68頁圖1為南五903工作面實(shí)際受保護(hù)區(qū)域。

圖1 南五903工作面實(shí)際受保護(hù)區(qū)域

2 瓦斯異常涌出經(jīng)過

2.1 噴孔現(xiàn)象描述

2020年1月22日4點(diǎn)班23時(shí)14分，南五903運(yùn)順掘進(jìn)工作面(已掘進(jìn)至288 m處)距迎頭3 m施工頂板錨索孔時(shí)發(fā)生噴孔現(xiàn)象，工作面甲烷傳感器瞬時(shí)達(dá)1.5%，人員撤至回順口新鮮風(fēng)流中。該掘進(jìn)面掘進(jìn)至298 m，錨索布置為3-0-2-0，該孔為3-0中間孔，孔深5.4 m(巖性描述：0 m～3.4 m砂巖；-4.5 m煤；-5.4 m火成巖)，工作面風(fēng)量550 m3/min，回風(fēng)風(fēng)量650 m3/min，噴孔發(fā)生前回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.45%，噴孔后12 h 平均濃度0.95%。

2.2 噴孔前工作面突出指標(biāo)測(cè)定

1月22日白班距噴孔點(diǎn)2.4 m測(cè)定突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，測(cè)得8煤層Δh2= 117.6 Pa(濕),9煤層Δh2=98.0 Pa(干)；工作面左側(cè)8煤層厚1.3 m，右側(cè)0.5 m。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)處置及效果

1月23日白班現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)工作面頂板有一裂隙面，無明顯瓦斯涌出，僅錨索孔有瓦斯涌出，有輕微哨聲?，F(xiàn)場(chǎng)使用聚氨酯4分管封孔，連抽4吋管上。通風(fēng)處現(xiàn)場(chǎng)要求，涌出瓦斯要導(dǎo)入抽采系統(tǒng)，盡快形成永久抽采系統(tǒng)；工作面要采取局部防突措施(8煤層、9煤層)。

通過采取抽采措施后，回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉抵?.7%，抽采瓦斯量1.97 m3/min，至1月23日晚20時(shí)工作面瓦斯?jié)舛冉抵?.9%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，噴出瓦斯量3.7 m3/min，至25日晚20時(shí)工作面總瓦斯涌出量 4 662 m3。

3 瓦斯異常涌出原因分析

3.1 保護(hù)層開采影響

南五903工作面從理論上來說，均位于上保護(hù)層7-2煤層已采區(qū)域(707、709工作面)被保護(hù)范圍之內(nèi)，但由于709工作面于2018年1月19日剛采完，上覆圍巖尚處于動(dòng)態(tài)變化之中，903工作面運(yùn)順沿傾斜方向80 m范圍屬于未受保護(hù)區(qū)域。因此，903工作面運(yùn)順在掘進(jìn)過程中容易受應(yīng)力集中影響而導(dǎo)致瓦斯異常涌出，比如在掘進(jìn)過程中施工預(yù)抽鉆孔有噴孔現(xiàn)象。

3.2 火成巖侵入影響

巖漿巖侵入的熱力烘烤使煤的變質(zhì)程度提高，伴生的瓦斯量增加，巖漿巖的封蓋對(duì)煤層瓦斯的逸散起到一定的阻礙作用[1-3]。從第69頁工作面運(yùn)順剖面圖2可以看出，火成巖沿8煤層與9-3煤層之間侵入，部分8煤層被侵蝕掉，侵蝕過程中大量解吸瓦斯富集于圍巖裂隙孔隙中；8煤層煤體焦化變質(zhì)后對(duì)瓦斯吸附性增強(qiáng)，在地應(yīng)力共同作用下，煤層瓦斯吸附量增高，瓦斯含量增大，上鄰近層7-2煤層開采后，8煤層卸壓瓦斯解吸量增大，富集于火成巖蓋層之上。在這種特定的地質(zhì)條件下演變成了瓦斯富集區(qū)，成為瓦斯異常涌出的來源。一旦由于采動(dòng)影響而產(chǎn)生裂隙，則形成了卸壓瓦斯釋放的通道[4-6]。本次南五903工作面運(yùn)順掘進(jìn)期間的瓦斯異常涌出現(xiàn)象，也是此種原因造成。

圖2 南五903運(yùn)順剖面圖

3.3 上覆采空區(qū)動(dòng)壓影響

南五903工作面上保護(hù)層南五709工作面于2018年2月19日回采結(jié)束，其上覆巖層尚處于動(dòng)態(tài)變化過程中，經(jīng)保護(hù)層開采保護(hù)范圍確定，南五903工作面運(yùn)順沿傾斜往上80 m范圍為未受保護(hù)區(qū)，即處于應(yīng)力集中帶，在掘進(jìn)時(shí)應(yīng)采取超前鉆孔卸壓措施。

南五903工作面1月22日掘進(jìn)至296 m，距南五709工作面平面位置304 m，即南五903運(yùn)順位于南五709工作面采空區(qū)影響范圍內(nèi)，其相對(duì)位置見圖3所示。

圖3 南五903掘進(jìn)面與南五709回采面相對(duì)位置關(guān)系圖

4 結(jié)論

南五903工作面運(yùn)順瓦斯異常涌出現(xiàn)象為8煤層受火成巖影響煤發(fā)生變質(zhì)、吸附能力增強(qiáng)、動(dòng)壓影響下而釋放的大量游離瓦斯富集于9煤層頂板火成巖蓋層之上不易擴(kuò)散、掘進(jìn)過程中受集中應(yīng)力影響下頂板出現(xiàn)裂隙而形成了瓦斯釋放的通道造成的。而上鄰近層7-2煤層采空區(qū)卸壓瓦斯和遺煤瓦斯不會(huì)通過9煤頂板裂隙涌入到9煤采掘工作面。