我国西南地区煤矿关键层的运动特征及对瓦斯涌出的影响

王大学 万芳芳 汤 铸, 颜 智 金 磊

(1.六盘水师范学院矿业与土木工程学院；2 湖南科技大学资源与安全工程学院；3.贵州省矿山安全科学研究院瓦斯防治研究所)

自钱鸣高院士首次提出关键层理论以来[1]，众多学者对其开展了深入研究，文献[2]将关键层的相关原理进行了全面阐述，并将其应用于矿体开采方式选取、顶板来压分析、地表沉陷控制、控水隔水、裂隙发育研究、瓦斯抽采施工等方面；潘宏宇[3]通过对关键层破断之后上覆煤岩层及瓦斯的固气耦合分析，对瓦斯运移情况进行了模拟；屈庆栋等[4]将关键层的应用发展至对邻近煤层瓦斯涌出的预防与控制方面，并详细阐述了关键层破断对工作面瓦斯涌出变化的影响。上述研究尽管成效显著，但大体集中于阳泉、神府等大型煤矿区(该类矿区煤岩层具有厚及巨厚的特点)，针对西南地区煤岩厚度较薄、煤层间距较近、瓦斯含量较高的特点开展关键层运动特征的研究成果较少。本研究结合大量实地调查和理论分析，以六盘水矿区、 黔北鸭溪矿区以及重庆松藻矿区为例，对我国西南地区煤矿关键层运动特征及对瓦斯涌出的影响进行研究。

1 关键层判定方法

关键层判别主要包括硬岩刚度判别和硬岩破断距离判别，据此可以快速判别亚关键层和主关键层[5]。

1.1 硬岩刚度判断

一般来说，可根据材料力学梁的同步协调方程计算出第n层岩层对第i层岩层的载荷影响，计算公式为

(1)

式中，qi|n(i=1，2，3，…，n)为第n层岩层对第i层岩层的载荷，kN；Ei(i=1，2，3，…，n)为第i层岩层的弹性模量，MPa；hi为第i层岩层的厚度，m；γp为第p层岩层的容重，kN/m3。

由式(1)可推导出q的判别式

(2)

式中，Ep为第p层岩层的弹性模量，MPa；hp为第p层岩层的厚度，m。

初始令i=1，当式(2)成立时，则i层岩层为硬岩位置，再往上判断时令i=n+1，n以i为起点再开始循环判断，直至表土层。

1.2 硬岩的破断距判断

采用材料力学固支梁力学模型对初次破断距公式进行简化后可得

(3)

式中，Ln为第n层岩层的初次破断距离，m；qi为第i层岩层载荷，kN；σi为第i层岩层正应力，kN。

运用简支梁力学模型对周期破断距计算公式进行化简后可得

(4)

2 我国西南地区关键层的运动特征

2.1 关键层的一般运动特征

(1)承载和支撑上覆煤岩层。由于关键层为组次中较厚的硬岩层，根据砌体梁理论分析及现场实际考察，关键层与其下部岩层不具有协同性，下部岩层垮落后，关键层能够在一定时间内对上覆岩层进行支撑，确保上覆煤岩层的性质不发生改变。

(2)影响岩层同步破断。关键层破断后，会造成一定区域内的上覆岩层同步破断，使得上覆岩层裂隙大范围沟通。当覆岩中有煤层时，煤层会突然卸压，瓦斯通过破断裂隙大量涌向关键层下部区域。

(3)造成冲击启动和剧烈的来压显现。厚关键层的周期破断与冒落一般呈短块状，并具有后块短、前块长的特点，在短块破断中还可分为小块破断与冒落和大块破断与冒落2种形式。由于厚关键层的抗拉强度不大，在厚关键层处于悬臂状态下，会出现分小块破断与冒落形式；难跨厚关键层由于其岩层完整性好，多数情况下周期来压呈大块破断与冒落，故覆岩主关键层的初次破断会造成采场强烈的来压显现。具有厚关键层采场覆岩的初次冒落形态为拱形，并可分为整体冒落和局部冒落2种基本形式，厚关键层的周期冒落呈短块状，并具有周期块长不相等的特征[8]。

2.2 我国西南典型矿区关键层岩性特征

2.2.1 六盘水矿区

六盘水矿区位于贵州省西部乌蒙山区，是我国长江以南13个省(市、自治区)中最大的煤炭资源基地，素有“西南煤海”、“江南煤都”美誉。矿区地层含可采煤层5～13层，多为薄及中厚煤层，具有西南地区煤层赋存的典型特点。金佳矿中煤组的煤岩层赋存特征如图1所示，根据关键层的判定准则，该中煤组含4层亚关键层，岩性为粉砂岩和泥质粉砂岩，主关键层缺失。

图1 六盘水矿区岩层特征

2.2.2 黔北鸭溪矿区

黔北鸭溪矿区位于贵州省遵义市，属云贵基地八大矿区之一，地层含煤4～11层，其中可采煤层3～5层，多为薄及中厚煤层，为贵州省北部典型的赋煤区域。矿区内兴安煤矿的含煤地层特征如图2所示，主采煤层为C4、C6、C9煤层，含2层亚关键层，主关键层缺失。

2.2.3 重庆松藻矿区

松藻矿区位于重庆市綦江县与贵州省桐梓县、习水县的交界部位，为国家规划矿区，区内含煤9～12层。矿区内渝阳煤矿的含煤地层特征如图3所示。该矿区主采煤层为C8煤层，含1层亚关键层，主关键层缺失。

图2 鸭溪矿区岩层特征

图3 渝阳矿区岩层特征

2.3 我国西南地区矿区关键层的运动特征

对六盘水矿区、遵义鸭溪矿区、重庆松藻矿区关键层特征的分析，可知我国西南地区关键层除了具有关键层的普遍特点外，还具有如下特征。

(1)硬岩层较薄，主关键层普遍缺失。根据主关键层定义，我国西南地区普遍不具有能够让上覆岩层全部同步变形的硬岩层，存在着主关键层普遍缺失、亚关键层数量较多的现象，如六盘水矿区存在4层亚关键层，遵义鸭溪矿区存在2层亚关键层，而重庆渝阳矿区仅有1层亚关键层。

(2)冲击启动区小，不易出现冲击地压。由于煤层较薄，关键层较薄，有效支撑步距较小，初次来压时剧烈程度较小。周期来压时，由于顶板岩层回转空间较小，也难以产生大的来压显现。本研究对盘江矿区进行现场来压考察时发现部分工作面在回采期间共发生10次来压，来压期间出现小量片帮与瓦斯涌出量增大的现象，未发现剧烈的矿压反应。

(3)煤层较薄，顶底板条件中等偏下，软岩较多，影响程度小。西南地区煤层多为薄及中厚煤层，且顶底板岩性多为土状泥岩、泥质页岩、泥质粉砂岩以及松软的碳质泥岩，煤层开采后关键层破断，导致煤层之间裂隙贯通，瓦斯涌出量增大。由于顶底板岩性以黏土矿物为主，裂隙和微隙很容易被封堵，故而关键层破断后出现的卸压瓦斯集中涌出，之后受封堵影响，瓦斯涌出趋于平衡。

3 关键层破断对瓦斯涌出的影响

六盘水矿区的亚关键层分布于各主要煤层中间，根据亚关键层对顶板的控制作用，结合亚关键层的位置，综合分析认为当关键层破断时，必然会导致瓦斯涌出量大幅增加，但不能笼统地将瓦斯涌出增量视为新卸压煤层瓦斯向工作面的涌出量，是因为：①首先由于裂隙发育是渐进的，所有新卸压煤层的瓦斯涌出量会有一个持续增加的过程，待涌出增量稳定之后的数值才具有代表性；②关键层断裂后，新卸压的煤层涌出大量瓦斯，而后减少直至稳定，该稳定值才是新卸压煤层瓦斯向工作面涌出的真实值[9]。本研究据此分析金佳矿煤层瓦斯向工作面涌出的情况。该矿11223工作面开始回采到回采后期的瓦斯抽采量和回风巷风流瓦斯浓度变化情况如表1所示。考虑到瓦斯涌出变化幅度的影响，得出抽采状态下邻近层瓦斯涌出量及比例关系如表2所示。

表1 金佳矿11223工作面瓦斯涌出量

表2 抽采状态下邻近层瓦斯涌出量及比例

分析表1、表2可知：22#煤层的瓦斯涌出量为7.37m3/d，22#～18#煤层的煤线瓦斯涌出量为4.75m3/d，18#煤层的瓦斯涌出量为12.63m3/d，18-1#煤层的瓦斯涌出量为11.56m3/d，17#煤层的瓦斯涌出量为17.50m3/d，13#煤层的瓦斯涌出量为6.69m3/d，12#煤层的瓦斯可能未向11223工作面涌出或涌出较少。

4 结 论

(1)我国西南地区矿区的关键层普遍存在主关键层缺失的现象，不易引起冲击地压，井下来压征兆和顶板反应不明显。但随着后期采深逐步增加，应进一步加强顶板管理和冲击地压防治。

(2)我国西南地区矿区关键层的运动对瓦斯涌出的影响明显，关键层破断会导致瓦斯涌出量大幅增加，瓦斯涌出呈现出跳跃性变化的特点，在回采期间应加强对工作面瓦斯进行监测和防治。

[1] 钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996(3)：225-230.

[2] 钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[3] 潘宏宇.复合关键层下采场压力及煤层瓦斯渗流耦合规律研究[D].西安：西安科技大学，2009.

[4] 屈庆栋，许家林，钱鸣高.关键层运动对邻近层瓦斯涌出影响的研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(7)：1478-1484.

[5] 杨本生，张 磊.覆岩关键层位置的快速判别及来压预测[J].煤炭工程，2013(7)：79-81.

[6] 钱鸣高，谬协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[7] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

[8] 谬协兴，陈荣华，浦 海，等.采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(8)：1289-1295.

[9] 李树清，颜 智.近距离煤层群下保护层开采瓦斯防治及涌出规律分析[J].煤矿安全，2013，44(10)：199-201.