近距离煤层群在我国各大矿区均有分布，具有相邻煤层层间距小、煤层相互采动影响大、瓦斯涌出量高的特点。尤其是首采煤层开采过程中，受采动影响，邻近层大量卸压瓦斯运移至采煤工作面，造成工作面瓦斯涌出量增加，甚至会出现瓦斯浓度超限事故，给煤矿安全生产带来严重隐患。为此，我国学者针对近距离煤层群煤与瓦斯共采展开了卓有成效的研究。

程志恒等[1]以沙曲矿为背景，对近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系进行了研究；赵灿等[2]通过数值模拟及现场试验等方法，获得了近距离煤层群开采后底板垂直应力演化规律与卸压范围，提出了底板岩巷大面积穿层钻孔采前瓦斯抽采技术；石琨[3]以汪家寨煤矿为背景，基于上保护层工作面开采期间瓦斯涌出特点，研究了近距离煤层群上保护层煤与瓦斯共采技术；陈云[4]针对吕梁矿区近距离煤层群回采面瓦斯涌出以下邻近层为主的特点，提出了下邻近层瓦斯抽采应从瓦斯涌出源头上进行治理的思路，并充分利用开采煤层的扰动卸压作用提出了“拦截抽采”的瓦斯抽采技术方法。

综上所述，“分源治理”是近距离煤层群开采条件下瓦斯治理的思路，准确地获得瓦斯涌出规律是有效治理瓦斯的前提。然而在复杂地质条件下进行近距离煤层群开采[5-6],煤层厚度、相邻层间距等因素变化显著，且工作面瓦斯涌出具有强烈的不均衡性，而已有的预测方法难以实现瓦斯涌出量的精准预测，导致工作面瓦斯治理缺乏针对性，工作面安全回采面临严重威胁。

邵寨煤矿属于高瓦斯近距离煤层群开采，该矿2502工作面下邻近层间距、下邻近煤层煤厚变化显著，工作面回采过程中瓦斯涌出呈现出强烈的不均衡性。本文以邵寨煤矿2502工作面为背景，结合首采煤层开采后下伏煤岩体裂隙带分布特征，分析了下邻近层煤厚、间距等煤层赋存条件的变化对2502工作面瓦斯涌出规律及瓦斯涌出量造成的影响，针对邵寨煤矿2502工作面以下邻近层瓦斯涌出为主的矿井，提出近距离煤层群工作面瓦斯抽采分区治理的方法，为近距离煤层群下邻近层瓦斯抽采治理工作提供了思路。

1、下伏煤岩体裂隙演化规律研究

1.1 工作面概况

邵寨煤矿2502工作面设计走向长度为1 300 m, 倾向长度为300 m, 埋深为440～450 m, 位于二盘区东南部，通风方式采用一进一回(U形)全负压通风方式，运输顺槽进风，回风顺槽回风。煤层赋存共3层煤，自上而下依次编号为2#、5#和8#煤层，2502工作面设计开采5#煤层，采厚为2.3 m。上邻近层2#煤层厚1.2～1.4 m, 与5#煤层间距为9.7～10 m。下邻近层8#煤层厚0.8～7.7 m, 平均厚度为5.3 m, 间距变化范围为1.5～9.8 m, 平均间距为5.4 m。煤层赋存地质条件较为复杂，属于近距离煤层群开采。

1.2 下伏煤岩体裂隙带最大深度计算

图1为底板煤岩体破坏滑移线场。塑性力学中滑移线场理论认为[7],当工作面回采后，底板塑性破坏最大深度可以认为是底板最大裂隙带深度。

图1 底板煤岩体破坏滑移线场

随着上保护层工作面的不断推进，采场周围煤岩体的应力会重新分布，底板的弹性潜能得到释放，煤岩体破坏变形，底板裂隙带最大深度h按下式计算：

式中：Xa为煤层屈服区长度，m;φ0为底板岩体内摩擦角，(°);H为工作面煤层平均埋深，m。

2502工作面平均埋深为444.3 m, 计算得煤层屈服区长度为6.66 m, 下伏煤岩体底板内摩擦角φ0为28°,代入式(1)中计算得到5#煤层开采后，受开采影响产生的底板最大裂隙带深度为9.87 m。

1.3 数值模拟分析

1.3.1 模型建立

为进一步确定5#煤层开采后下伏底板岩体裂隙带区域分布范围，以2502工作面为研究对象，采用FLAC3D数值模拟软件进行分析，其模型沿走向长度为450 m, 沿倾向长度为300 m, 垂直方向高度为90 m, 数值模型如图2所示，模型内各煤岩层力学参数见表1。模型初始化，煤岩体材料屈服本构模型采用Mohr-Coulonb破坏准则，将四周及底部边界设置为速率v=0的固定边界条件，顶部边界施加竖直方向上等效载荷10 MPa, 模拟上覆煤岩层自重对工作面产生的影响，侧压系数为1.2。两侧各预留50 m煤柱，以消除煤层开挖后模型边界产生的影响。本次模拟共模拟2502工作面6个推进度，每次推进20 m, 共计推进120 m。

图2 数值模型

表1 各主要岩层力学参数

1.3.2 下伏煤岩体裂隙带演化特征分析

由图3可看出，当工作面推进至20 m时，裂隙带开始发育，裂隙带深度约为2 m。在工作面推进20～60 m时，塑性破坏的深度随着工作面的推进不断向底板深部延伸，塑性区分布范围不断加大，裂隙带最大深度加深。当工作面推进60～100 m时，工作面下方底板完全破坏，破坏形式以塑性破坏为主，裂隙带深度不再加深，分布范围随工作面推进进度的增加而增加，这说明工作面已经充分采动，下伏煤岩体已充分卸压。当工作面推进至120 m时，底板塑性区的破坏深度在距开切眼约80 m处出现向8#煤层略微加深的现象，分布范围仍在增加。在整个推进过程中，工作面底板受采动影响，由于5#煤层底板岩层为泥岩、粉砂岩等较软岩层，拉伸破坏不明显，发生塑性破坏的形式主要为拉剪破坏，下伏岩体塑性破坏最大深度为10.13 m, 平均破坏深度为9.76 m, 与上述理论计算结果相符。

2、复杂地质条件下近距离煤层群开采瓦斯涌出特征

2.1 底板裂隙带内下邻近煤层厚度及层间距分布

为准确预测2502工作面下邻近层瓦斯涌出量大小，对下邻近层8#煤层煤厚及其与5#煤层间距分布情况进行探测，得到2502工作面下邻近层8#煤层煤厚及间距分布情况如下：沿工作面走向0～400 m范围区域，煤厚6～7.8 m, 间距为1.8～2.6 m; 沿工作面走向400～800 m范围区域，煤厚4.3～5.6 m, 间距为8.1～9.6 m; 沿工作面走向800～1 300 m范围区域，煤厚5.1～7.6 m, 间距为5.5～7.2 m。煤层厚度整体分布趋势为靠近回风巷侧煤层厚度大于靠近进风巷道侧。结合下伏煤岩体裂隙带深度计算结果，对2502工作面分布在裂隙带内的下邻近层煤层厚度及层间距进行统计，其结果如图4、图5所示。由图可以看出，在进风巷道下方，8#煤层全部分布在裂隙带内，且煤层较薄，整体分布特点无明显差异；在回风巷道下方的煤层分布特点存在明显区域性差异，其具体表现为：在沿工作面走向0～400 m范围，由于层间距较近，8#煤层全部分布在裂隙带内；在沿工作面走向400～800 m范围内，8#煤层分布在裂隙带内的煤体占比小于28%,裂隙带内煤层厚度最大为1.47 m; 在沿工作面走向800～1 300 m范围，8#煤层分布在裂隙带内的煤体占比为56%～75%,裂隙带内煤层厚度最大为4.87 m。

图3 塑性区分布云图

图4 下邻近层间距等值线图

图5 底板裂隙带内8#煤层厚度分布等值线图

2.2 下邻近层卸压瓦斯运移特征

在回采扰动的影响下，下伏煤岩层的裂隙逐渐发育，其内部煤体既产生沿层理方向的顺层张裂隙，也会产生受剪切、拉伸等共同作用形成的穿层裂隙，裂隙带内两种裂隙发育且相互贯通。在此过程中，煤层透气性系数提高数百倍，原有瓦斯赋存平衡状态被打破，瓦斯“解吸—扩散—渗流”过程速度加快[8],造成分布在裂隙带内的下邻近层卸压瓦斯不断涌出[9-10]。因此，裂隙带内的下邻近层是瓦斯涌出的主要来源，而位于裂隙带下方的煤层，由于其内部裂隙发育程度不高，瓦斯涌出量往往较小[11]。综上所述，下伏煤岩体的裂隙为下邻近层卸压瓦斯的流动和汇集提供了网络通道，卸压瓦斯会沿裂隙运移至工作面与采空区[12]。

2.3 瓦斯涌出量预测方法

针对复杂地质条件下近距离煤层群矿井，只简单采用分源预测法难以准确预测瓦斯排放率及瓦斯涌出量的大小，考虑到裂隙带内煤层厚度及层间距变化对瓦斯涌出量产生的影响，以分源预测法为基础，提出复杂地质条件下近距离煤层群下邻近层瓦斯涌出量的预测方法。

根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ 1018—2006),采动影响下邻近层瓦斯排放率按图6中所给曲线选取，但选取依据多来自于工程实践经验，预测结果存在人为误差，且未考虑到层间距变化对瓦斯排放率产生的影响。为准确掌握层间距与瓦斯排放率之间的关系，对图6中曲线2(缓倾斜煤层下邻近层)进行栅格化处理[13],将所得数据利用单指数模型进行拟合，拟合后所得结果如图7所示，可得到层间距与排放率之间的关系，函数关系见式(3)。拟合相关系数R2=0.998 27。

图6 邻近层瓦斯排放率曲线

图7 缓倾斜下邻近层瓦斯排放率曲线

式中：y为下邻近层瓦斯排放率；x为下邻近层层间距，m。

结合2502工作面层间距分布特点，将层间距作为变量代入式(3),可获得不同层间距所对应的下邻近层瓦斯排放率。

结合下邻近层瓦斯运移规律，可认为下邻近层瓦斯涌出量的来源分为两部分，其主体为分布在裂隙带内的煤体瓦斯涌出量，小部分为未分布在裂隙带内的煤体瓦斯涌出量。分布在裂隙带内煤体瓦斯排放率以邻近层层间距确定，未分布在裂隙带内的煤体瓦斯排放率则以计算所得裂隙带深度确定。故复杂地质条件下近距离煤层群开采下邻近层瓦斯涌出量预测方法如下式所示：

式中：Q为下邻近层瓦斯涌出量，m3/t;q1为裂隙带内煤体瓦斯涌出量，m3/t;q2为裂隙带外煤体瓦斯涌出量，m3/t;m为下邻近层煤厚，m;ml为裂隙带内煤厚，m;M为开采层煤厚，m;X0为原始瓦斯含量，m3/t;Xc为残存瓦斯含量，m3/t;ηx为裂隙带煤体瓦斯排放率；ηl为裂隙带深度对应的瓦斯排放率。

2.4 复杂地质条件下近距离煤层群开采瓦斯涌出规律及区域划分

根据上述瓦斯涌出量预测方法，对2502工作面下邻近层瓦斯涌出量进行预测。8#煤层原始瓦斯含量为4.55 m3/t, 残余瓦斯含量为1.39 m3/t, 2502工作面日产量5 104 t, 5#煤层采厚2.3 m, 瓦斯涌出量预测结果等值线如图8所示。根据预测结果可知，2502工作面瓦斯涌出情况存在“两端高，中间低”的特征，其不均衡性体现为：沿工作面走向0～300 m区域，瓦斯涌出量最高，最大涌出量超过30 m3/min; 沿工作面走向300～800 m区域，瓦斯涌出量较低，最大瓦斯涌出量小于15 m3/min; 沿工作面走向800～1 300 m区域，瓦斯涌出量较高，但最大瓦斯涌出量小于30 m3/min。

图8 2502工作面瓦斯涌出量预测结果等值线图

综上所述，结合2502工作面瓦斯涌出预测结果，将2502工作面沿走向划分为3个区域：0～400 m划分为区域Ⅰ,瓦斯排放率为84.31%,最大瓦斯涌出量为34.74 m3/min; 400～800 m划分为区域Ⅱ,瓦斯排放率为63.05%,最大瓦斯涌出量为14.66 m3/min; 800～1 300 m划分为区域Ⅲ,瓦斯排放率为73.58%,最大瓦斯涌出量为29.86 m3/min。针对不同区域最大瓦斯涌出量对2502工作面分区治理。

3、复杂地质条件下近距离煤层群开采瓦斯治理技术

通过瓦斯涌出量预测结果可知，2502工作面区域Ⅰ与区域Ⅲ为高瓦斯涌出区域，最大瓦斯涌出量分别为34.74 m3/min、29.86 m3/min, 为满足工作面瓦斯治理需求，设计利用底板下向穿层钻孔技术抽采下邻近层卸压瓦斯，该技术能够在卸压瓦斯到达工作面与采空区之前进行拦截性抽采[14],实现从源头上治理下邻近层卸压瓦斯的目的[15]。区域Ⅱ瓦斯涌出量较低，可采用 “通风风排+高位钻孔抽采”的方式治理工作面涌出瓦斯。同时为了防止采空区为及上隅角瓦斯超限，采用高位钻孔及上隅角插管的方式对采空区内瓦斯进行抽采[16]。

3.1 底板下向穿层钻孔布置方法

设计在2502工作面进、回风巷道内布置钻场，在钻场内施工底板下向穿层钻孔对下邻近层卸压瓦斯进行拦截性抽采，并根据工作面各区域实际瓦斯涌出量情况确定各区域钻场内下向穿层钻孔数量。钻场内各排钻孔开孔间距为1 m, 钻孔布置参数见表2。

表2 底板穿层钻孔布置参数

区域Ⅰ内钻场布置5排5列共计25个穿层钻孔，第一个钻场布置在工作面沿走向400 m处，每侧巷道布置7个钻场，共计14个钻场。区域Ⅲ内钻场布置5排4列共计20个穿层钻孔，第一个钻场布置在距开采线30 m处，相邻钻场间距为60 m, 每侧巷道布置8个钻场，共计布置16个钻场。钻孔布置方式如图9、图10所示。

图9 底板穿层钻孔布置平面

图10 底板穿层钻孔布置剖面

3.2 高位钻孔与上隅角插管布置方法

高位钻孔在工作面回风顺槽停采线外侧5 m位置布置第一个钻场，相邻钻场间距为100 m, 钻场内钻孔分两排布置，每排施工7个钻孔。高位钻孔孔径为118 mm, 仰角为11°,预留压茬为20 m, 开孔间距为1 m, 终孔间距为5 m, 钻孔长度不小于120 m。上隅角在工作面回风顺槽内预先敷设Φ500 mm的瓦斯抽采管路，靠近采面回风隅角段管路接铠装软管直接插入回风隅角，抽采上隅角瓦斯。

3.3 抽采效果

在2502工作面开采期间，对各区域底板穿层钻孔抽采效果进行监测，以区域Ⅰ、区域Ⅲ钻场内典型钻孔为例，钻场内单孔瓦斯抽采效果曲线如图11所示。随着工作面开采进度的推进，抽采体积分数与抽采量均显著提升，后趋于稳定。区域Ⅰ最大抽采体积分数为58.1%,抽采量为0.74～1.39 m3/min; 区域Ⅲ最大抽采体积分数为54.6%,抽采量为0.52～1.24 m3/min。在布置高位钻孔及上隅角插管后，上隅角与回风流瓦斯体积浓度变化曲线如图12所示。上隅角瓦斯体积浓度由0.76%下降至0.40%,回风流瓦斯体积浓度由0.54%下降至0.30%,有效降低了上隅角及回风流瓦斯体积浓度。

图11 钻孔瓦斯抽采效果曲线

图12 上隅角与回风流瓦斯体积浓度变化曲线

4、结论

(1) 2502工作面开采后，下伏煤岩体发生塑性破坏，裂隙带深度为9.87 m, 工作面下方底板全部处于因塑性破坏而产生的裂隙带内。结合裂隙带分布特征及煤层赋存情况，将2502工作面沿走向划分为3个区域：区域Ⅰ,0～400 m; 区域Ⅱ,400～800 m; 区域Ⅲ,800～1 300 m。

(2) 根据瓦斯涌出量模型预测结果，区域Ⅰ下邻近层瓦斯排放率为84.31%,最大瓦斯涌出量为34.74 m3/min; 区域Ⅱ下邻近层瓦斯排放率为63.05%,最大瓦斯涌出量为14.66 m3/min; 区域Ⅲ下邻近层瓦斯排放率为73.58%,最大瓦斯涌出量为29.86 m3/min。

在实施下向底板穿层钻孔、高位钻孔及上隅角插管等治理措施分区治理后，区域Ⅰ钻场单孔最大瓦斯抽采体积分数为58.1%,抽采量为0.74～1.39 m3/min, 区域Ⅲ钻场单孔最大瓦斯抽采体积分数为 54.6%,抽采量为0.52～1.24 m3/min, 随着工作面开采进度的推进，瓦斯抽采体积分数与抽采量均显著提升，后趋于稳定。上隅角及回风流瓦斯体积浓度得到有效下降，综合治理效果良好。

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基金资助:国家重点研发计划项目(2018YFC0807805); 陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2019JM-072);

文章来源:徐刚,牛航宇,赵海波,等.复杂地质条件下近距离煤层群开采瓦斯涌出特征及治理技术研究[J].矿业研究与开发,2024,44(08):157-164.