掘进工作面瓦斯异常涌出原因分析与防治

路 鹏， 齐连旭

(辽宁铁法能源有限责任公司，辽宁 调兵山 112700)

瓦斯异常涌出现象，一般是在地质构造区中断层、褶曲、火成岩侵入的地区容易发生。如果这个地区的构造是由于受到强应力而产生的话，则附近的煤层中的瓦斯便能通过此处的裂隙带的开放性而不断的向外扩散出去。此时，这个区域的瓦斯由于附近的封闭性的裂缝而不易向外扩散，导致瓦斯含量较大，当在这个区域附近工作时，会容易发生瓦斯涌出异常的状况。

2018年1月22日4点班23时14分，南五903运顺掘进工作面距迎头3m施工顶板锚索孔时发生喷孔现象，工作面甲烷传感器瞬时增大1.46%，人员撤至回顺口新鲜风流中。该掘进面掘进至298 m，锚索布置为“3-0-2-0”，该孔为3-0中间孔，孔深5.4 m(岩性描述：0 m～3.4 m砂岩-4.5 m煤-5.4 m火成岩)，工作面风量550 m3/min，回风风量650 m3/min，喷孔发生前回风流平均瓦斯浓度0.45%，喷孔后12 h平均浓度0.95%。

22日白班距喷孔点2.4 m测定突出预测指标，测得8煤Δh2=117.6 Pa(湿),9煤Δh2=98.0 Pa(干)；工作面左侧8煤厚1.3 m，右侧0.5 m。

南五903工作面理论上均位于上保护层7-2#煤层已采区域(707、709工作面)被保护范围之内，但由于709工作面于2018年1月19日刚采完，上覆围岩尚处于动态变化之中，903工作面运顺沿倾斜方向80 m范围属于未受保护区域，因此，903工作面运顺在掘进过程中容易受应力集中影响而导致瓦斯异常涌出，比如在掘进过程中施工预抽钻孔有喷孔现象。

煤层瓦斯主要以吸附于孔隙表面及承压于煤岩体孔、裂隙内的状态赋存，在岩体应力与瓦斯压力下处于相对平衡状态，但在采动影响下会被打破，煤岩体随之变形破裂，渗流结构得到改变，瓦斯得以解吸、扩散、渗流、运移。煤层开采后，瓦斯运移及储集依赖于采场覆岩裂隙发育演化规律及其形态[1]。

煤层开采后，底板采动影响有两方面：非破坏性影响与破坏性影响。受非破坏性影响时,底板岩体采动后只产生微小的应力变化或整体移动,不产生连通性裂隙，因此，不会形成瓦斯释放的通道；受破坏性影响时，底板岩体产生移动、变形及裂隙，并且形成连通性通道。当采动破坏影响带波及到含瓦斯富集区时,就会导致瓦斯异常涌出现象，造成采掘工作面瓦斯超限。煤层开采后,原岩应力场发生破坏,造成部分区域应力集中,部分区域应力释放。支承压力是导致煤层底板运动发展的根源。随工作面推进，采空区覆岩自下而上发生冒落、断裂和弯曲沉降。在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和岩石上的垂直压力称为支承压力，其一部分直接向底板岩体传播，一部分通过采空区两侧煤体和岩层间接向煤层底板岩体传播[2]。

通过大量现场实测及数值模拟实验可以得出,底板运动主要是由于垂向应力变化导致底板岩体的垂向运动。在煤层开采初期,底板位移为整体向下，支承压力压缩区略大于采空区，随着工作面的推进[3],支承压力区位移量增大，采空区岩层转向向上运动随采空区的增大，支承压力加大，支承压力区的垂向位移量增加，而采空区向上的位移量也增加。

经过对该区域瓦斯异常涌出的影响因素-保护层开采、火成岩侵入、采动影响区等因素分析，得出其原因是由于火成岩从8#煤与9-3#煤层之间侵入，造成了8#煤变质程度提高、吸附瓦斯量增大、动压影响区瓦斯解吸量增大，再加上8煤局部区域被火成岩侵蚀而产生了大量的游离瓦斯，均富集于9煤顶板火成岩盖层之上的围岩裂隙空隙且不易扩散；南五903运顺处于7-2#煤层采空区动压影响范围之内，903掘进工作面一旦由于采动影响而产生裂隙，就形成了富集瓦斯区域释放的通道，从而发生瓦斯异常涌出现象，导致工作面瓦斯超限而影响安全生产。

经估算7-2#煤层开采后其采空区底板破坏带深度为20.3 m，小于与9#煤层层间距31.74 m，且南五709工作面刚刚回采结束，其底板变形产生的裂隙尚无法影响到9#煤层，即7-2#煤层采空区的卸压瓦斯和遗煤释放瓦斯不会通过底板裂隙涌到9#煤采掘工作面。

南五903掘进工作面于2018年1月22日出现瓦斯异常现象后，及时采取了施工超前抽采孔对9#煤层及邻近层8#煤层瓦斯进行了抽采，截止到3月末，共施工抽采钻孔112个，钻孔工程量5 995 m。

南五903掘进工作面最大抽采纯瓦斯量达到8.06 m3/min，共抽采瓦斯量28.8万m3，保证了巷道安全掘进。抽采瓦斯量和风排瓦斯量随推进时间变化曲线，如图1所示。

从图1瓦斯涌出变化曲线来看，在1月22日出现瓦斯异常涌出现象后，风排瓦斯涌出量急剧增加，最大瓦斯涌出量达到5.1 m3/min；随后立即采取了施工穿层钻孔预抽8#煤变质区域瓦斯措施，最大瓦斯抽采量达到8.06 m3/min，风排瓦斯量迅速下降；之后随着预抽措施的继续施工，瓦斯抽采量的增大，掘进工作面瓦斯涌出量恢复至正常水平，消除了突出危险性，工作面得以安全掘进。截止到3月26日，共抽采瓦斯量28.8万m3。

图1 风排瓦斯量及抽采瓦斯量随巷道推进时间变化曲线

通过对南五903运顺掘进过程中瓦斯异常涌出现象的影响因素分析，得出其具体原因；并根据这一现象，提出了针对性的瓦斯治理措施，可为今后有类似现象的瓦斯治理提供借鉴。具体结论为：

1) 南五903运顺瓦斯异常涌出现象为8#煤层受火成岩影响煤发生变质、吸附能力增强、动压影响下而释放的大量游离瓦斯，富集于9#煤顶板火成岩盖层之上不易扩散、掘进过程中受集中应力影响下顶板出现裂隙，而形成了瓦斯释放的通道造成的。而上邻近层7-2#煤层采空区卸压瓦斯和遗煤瓦斯不会通过9#煤顶板裂隙涌入到9#煤采掘工作面。

2) 经施工锚索钻孔发现这一异常涌出现象后，采取了施工顶板穿层钻孔进行瓦斯抽采的措施，共施工抽采钻孔112个，钻孔工程量5 995 m；控制范围为掘进工作面前方60 m、巷道轮廓线外15 m、距煤层顶板6 m；可掘进距离为每轮40 m，预留20 m措施超前距；掘进过程中对火成岩影响区进行突出预测和超前钻探，并结合顶板打锚杆锚索孔情况判定工作面安全性。经过以上预抽措施，消除了突出危险性，保证了巷道安全掘进。