高瓦斯煤層沖擊地壓特征機理研究現(xiàn)狀

徐晨陽

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

中國是世界第一大產(chǎn)煤國，煤炭資源總量達(dá)5.57萬億噸。隨著經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，全國能源消費對煤炭的需求持續(xù)迅速增加，我國煤炭開采的深度以每年10～20 m的速度遞增。目前國內(nèi)礦山開采平均深度已達(dá)600 m，一部分礦山采深已達(dá)1 000 m以上[1]。

伴隨開采深度的不斷增加，地應(yīng)力、瓦斯含量和壓力不斷增大，原來的非瓦斯或低瓦斯煤層也逐漸變?yōu)楦咄咚姑簩?。不斷增大的地?yīng)力與瓦斯壓力等因素相互耦合，使沖擊地壓等煤巖瓦斯動力災(zāi)害日益增多，并且表現(xiàn)出新的災(zāi)害特征。伴隨瓦斯壓力的升高，煤層中瓦斯的賦存與流動對于事故發(fā)生的作用凸顯。因此，研究深部高瓦斯煤層沖擊地壓中瓦斯因素的作用，能夠為此類災(zāi)害事故的防治技術(shù)和方法提供理論依據(jù)，對礦井安全防護、抗災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計和事故應(yīng)急預(yù)案等均具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 高瓦斯煤層沖擊地壓特征

近年來，我國發(fā)生了多起兼具沖擊地壓和瓦斯突出兩種動力災(zāi)害表現(xiàn)特征的事故，諸如2005年平頂山十二礦、2007年平頂山十礦、豐城礦務(wù)局建新煤礦、河北金能邯礦集團陶二煤礦、河北峰峰集團有限公司大淑村煤礦、阜新礦區(qū)五龍礦和王營礦、撫順老虎臺礦等礦的動力災(zāi)害事故。

李忠華等[2-3]對阜新礦區(qū)的深部沖擊地壓災(zāi)害特征進行了統(tǒng)計研究，并得出阜新礦區(qū)的沖擊地壓為高瓦斯煤層沖擊地壓的結(jié)論；李鐵等[4-5]分析了撫順礦井沖擊地壓事故的特點，提出沖擊地壓和瓦斯的相關(guān)性；王振等[1,6]綜合分析了平煤、阜新和撫順礦區(qū)的沖擊地壓災(zāi)害，并總結(jié)了災(zāi)害的特點以及與典型瓦斯突出的異同點。

總結(jié)以上統(tǒng)計結(jié)果，可以得出此類煤巖動力災(zāi)害有以下幾點共同特征：

1）事故所在礦井，煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大。沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生常常伴隨大量高濃度瓦斯涌出。但與典型煤與瓦斯突出相比，噸煤瓦斯涌出量一般不大；事故發(fā)生后回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛纫话爿^低，大概為10%；風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象不明顯。

2）災(zāi)害事故的發(fā)生地點埋深大，煤層地應(yīng)力高，事故現(xiàn)場均有明顯的頂板下沉斷裂、底鼓、巷道擠壓、煤壁外移等礦壓顯現(xiàn)情況，而且具有一定的孔洞，拋出煤巖距離較遠(yuǎn)，但拋出煤巖無明顯的分選性。

3）在高地應(yīng)力的作用下，同樣強度的煤體表現(xiàn)出明顯的軟化特征。通常認(rèn)為硬煤不易發(fā)生瓦斯突出，軟煤不易發(fā)生沖擊地壓的經(jīng)驗不再適用。在高瓦斯壓力和高地應(yīng)力的雙重條件下，煤層同時存在沖擊地壓和瓦斯突出的危險。

4）為減少瓦斯災(zāi)害、有效利用煤層氣資源，高瓦斯煤層都會采取瓦斯抽放措施，但在瓦斯抽放后，沖擊地壓發(fā)生的頻率和強度都有明顯增加。

從以上特點可以看出，在深部高瓦斯煤層中，瓦斯因素對沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的作用明顯。

2 高瓦斯煤層沖擊地壓災(zāi)害機理研究現(xiàn)狀

關(guān)于沖擊地壓的發(fā)生理論，國內(nèi)外已有多年的研究，主要形成了強度理論、能量理論、沖擊傾向理論、剛度理論和失穩(wěn)理論等。但在大多數(shù)的煤層沖擊地壓研究中，很少甚至沒有涉及煤層瓦斯對沖擊地壓發(fā)生的作用。

李忠華、潘一山等[2-3]最先系統(tǒng)地分析了瓦斯對煤體失穩(wěn)破壞的影響，建立了瓦斯煤層沖擊地壓數(shù)學(xué)模型，并提出了防治措施；李鐵等[4-5]分析了瓦斯異常涌出的條件，以及底板沖擊地壓誘導(dǎo)瓦斯災(zāi)害的力學(xué)機制；王振等[1,6]分析了瓦斯對煤力學(xué)性質(zhì)的影響以及瓦斯?jié)B流和裂隙擴展的規(guī)律，并研究了沖擊地壓與瓦斯突出在不同階段相互誘發(fā)轉(zhuǎn)化的條件；馬海峰等[7]研究了應(yīng)力場對瓦斯場的影響，并建立了氣固耦合模型；董飛亞[8]分析了深部沖擊地壓影響因素，并研究了高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生機理；王磊[9]研究了應(yīng)力場和瓦斯場的耦合效應(yīng)。

綜合以上研究成果以及其他相關(guān)理論，可以得到以下幾方面結(jié)論。

2.1 瓦斯對煤的作用

煤體中含有大量的孔隙和裂隙，瓦斯在其中以游離和吸附兩種狀態(tài)存在。

游離瓦斯產(chǎn)生孔隙壓力，以體積力作用于煤體。瓦斯壓力增大，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，降低了煤體抵抗破壞的能力。同時，游離瓦斯阻礙煤體裂隙收縮，促進其擴展，并減弱了裂隙面的摩擦系數(shù)，進一步導(dǎo)致煤體強度降低。

吸附瓦斯通過吸解作用影響煤的力學(xué)性質(zhì)，改變了煤的本構(gòu)關(guān)系。瓦斯顆粒吸附于煤體顆粒之間，減弱了煤體顆粒間的粘聚力，宏觀上表現(xiàn)為彈性模量降低。同時，吸附瓦斯減少了煤體內(nèi)部裂隙表面張力，同樣減弱了煤體的強度。

同時也應(yīng)注意到，當(dāng)煤體受壓接近或達(dá)到峰值強度時，微小裂隙會合并產(chǎn)生集中，進而形成宏觀裂縫，裂縫空間會迅速被瓦斯氣體所充滿，導(dǎo)致裂縫集中區(qū)的煤體強度進一步降低，此時瓦斯賦存情況也在急劇變化。裂隙繼續(xù)發(fā)展，瓦斯不斷涌入，煤體損傷加劇，如此循環(huán)反復(fù)，極易在微小擾動下失穩(wěn)，導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生[2]。

總之，在高瓦斯煤層中，瓦斯對煤體的作用顯著。

2.2 應(yīng)力場與瓦斯場的耦合效應(yīng)

在高瓦斯煤層中，地應(yīng)力和瓦斯壓力都非常大，瓦斯場不能被忽略，即應(yīng)力場與瓦斯場耦合共同作用于煤體。

2.2.1 煤體應(yīng)力應(yīng)變與瓦斯壓力的關(guān)系

通過使用瓦斯煤巖體氣固耦合瓦斯參數(shù)測試儀配合RMT-150巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)對含瓦斯煤樣做單軸壓縮試驗[9]，結(jié)果，見圖1，圖2。比較分析以上實驗數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)：

圖1 1MP吸附瓦斯壓力下應(yīng)力應(yīng)變與瓦斯壓力關(guān)系

圖2 1.5MP吸附瓦斯壓力下應(yīng)力應(yīng)變與瓦斯壓力關(guān)系

1）瓦斯壓力越大，煤體峰值強度越低。因為瓦斯壓力越大，瓦斯對煤體的侵蝕作用越強，煤體。當(dāng)應(yīng)力接近峰值強度時，瓦斯壓力突然下降，隨后再次攀高。此現(xiàn)象的原因是在初始的彈性應(yīng)變階段里，煤體受應(yīng)力壓實，孔隙空間減少，瓦斯壓力升高；在接近峰值強度時，煤體進入塑性應(yīng)變階段，煤體內(nèi)部裂隙迅速擴展發(fā)生剪脹現(xiàn)象，游離瓦斯瞬間涌入新的空間，但吸附瓦斯解吸相對滯后，導(dǎo)致瓦斯壓力暫時降低。之后吸附瓦斯向自由空間解吸,瓦斯壓力又進一步增大。

2.2.2 煤層應(yīng)力與瓦斯壓力的分布規(guī)律

利用KSE-n-1型鉆孔應(yīng)力計以及安裝在煤層順層鉆孔上的瓦斯監(jiān)測儀表，沿煤層工作面推進方向測量煤體應(yīng)力與瓦斯壓力[7]，結(jié)果見圖3。

圖3 煤層應(yīng)力與瓦斯壓力分布

由圖可以看出：

1）煤體應(yīng)力與瓦斯壓力變化趨勢基本一致，均分為壓力穩(wěn)定區(qū)，壓力集中區(qū)和卸壓區(qū)3個區(qū)域。且煤體應(yīng)力與瓦斯壓力在工作面前方都存在一個峰值。

2）瓦斯壓力分布與煤體應(yīng)力分布呈正相關(guān)關(guān)系，瓦斯壓力的變化明顯受控于媒體應(yīng)力，但分布稍不同步。

因采動影響，煤層在工作面前方形成應(yīng)力集中，即由煤體深處至工作面，應(yīng)力首先不斷增大，煤體被壓實，瓦斯壓力也隨之增大；當(dāng)應(yīng)力接近煤體峰值強度時，煤體發(fā)生擴容，裂隙發(fā)育，煤體透氣性增強，瓦斯壓力開始下降；之后煤體應(yīng)力達(dá)到峰值強度，煤體破壞而迅速卸壓，同時瓦斯在濃度差的作用下，擴散涌出煤壁。這也是瓦斯壓力峰值超前于應(yīng)力峰值的原因。

2.2.3 高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生機理

在深部高瓦斯煤層中，地應(yīng)力和瓦斯壓力都非常高，應(yīng)力場與瓦斯場共同作用于煤體，煤體積聚了大量的彈性勢能和瓦斯內(nèi)能。受采動的影響，煤層部分區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，瓦斯壓力隨應(yīng)力升高而增大，彈性勢能和瓦斯內(nèi)能也在此區(qū)域集中，此時煤體處于高應(yīng)力高瓦斯壓力的非穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

煤體受到放炮、開采等擾動時，部分煤體應(yīng)力瞬時增大，若應(yīng)力接近煤體峰值強度，煤體裂隙會迅速發(fā)育，游離瓦斯涌入新生裂隙。一方面，瓦斯壓力差驅(qū)動游離態(tài)瓦斯在裂隙中滲流，由滲流引起的瓦斯?jié)舛炔钣謺?qū)動吸附瓦斯解吸、擴散，導(dǎo)致瓦斯賦存和流動的突變；另一方面，瓦斯促進裂隙擴展，并繼續(xù)涌入新生裂隙，如此循環(huán)反復(fù)，產(chǎn)生裂隙集中區(qū)。煤體強度不斷降低，損傷加劇，趨于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，最終達(dá)到失穩(wěn)臨界點，導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。

沖擊地壓發(fā)生時，釋放出大量能量，導(dǎo)致巷道破壞，頂?shù)装宕蠓秶鷶嗔?，煤體剝落、拋出，并在破壞地點形成了新的自由面。新暴露出的煤體內(nèi)外會存在較高的瓦斯壓力差，驅(qū)動瓦斯大量外溢。若此時瓦斯壓力差足夠大，滿足突出發(fā)展的條件，則將發(fā)生以瓦斯內(nèi)能為主導(dǎo)的突出災(zāi)害。

3 研究存在的問題及展望

迄今，我國發(fā)生瓦斯煤層沖擊地壓事故的礦井已不在少數(shù)，但關(guān)于高瓦斯煤層沖擊地壓的專門研究仍舊較少，在知網(wǎng)檢索文獻不超過20篇，且存在著諸多不足：

1）目前，高瓦斯煤層沖擊地壓的研究成果主要集中在沖擊地壓發(fā)生的力學(xué)機制、瓦斯與煤氣固耦合機理和沖擊地壓與瓦斯突出相互誘發(fā)轉(zhuǎn)化等基礎(chǔ)理論方面，還沒有統(tǒng)一的能夠詳細(xì)解釋高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生過程的理論。

2）當(dāng)前的研究大多是根據(jù)實驗?zāi)M和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)推理出的定性理論，缺乏定量化的理論模型。而且在為數(shù)不多的數(shù)學(xué)模型中，煤層的各向異性被忽略，煤層瓦斯流動模型過于簡化，使得模型不能很好地模擬現(xiàn)場情況。

3）由于高瓦斯煤層沖擊地壓的研究成果有限，目前依舊延續(xù)著傳統(tǒng)的沖擊地壓預(yù)測和防治方法，高瓦斯礦井仍然存在著沖擊地壓災(zāi)害危險。

今后的高瓦斯煤層沖擊地壓研究需更多著手于定量的理論研究，一方面要足夠重視瓦斯的作用，全面考慮瓦斯吸解—擴散—滲流混合流動模型，另一方面應(yīng)綜合分析應(yīng)力場、瓦斯場以及裂隙場等多方面，建立含瓦斯煤的有效應(yīng)力—損傷—滲流耦合模型，為災(zāi)害發(fā)生的機理以及預(yù)測防治提供 數(shù)據(jù)支持。

[1]王振.煤巖瓦斯動力災(zāi)害新的分類及誘發(fā)轉(zhuǎn)化條件研究[D].重慶:重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院,2010.

[2]李忠華.高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生理論研究及應(yīng)用[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,2007.

[3]潘一山,李忠華.阜新礦區(qū)深部高瓦斯礦井沖擊地壓研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24:5202-5205.

[4]李鐵.三軟煤層沖擊地壓誘導(dǎo)煤與瓦斯突出力學(xué)機制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(6):1283-1288.

[5]李鐵.深部開采沖擊地壓與瓦斯的相關(guān)性探討[J].煤炭學(xué)報,2005,30(5):562-567.

[6]王振.高瓦斯煤層沖擊地壓與突出的誘發(fā)轉(zhuǎn)化條件研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2010,27(4):572-575.

[7]馬海峰.高瓦斯煤層采動應(yīng)力對采場瓦斯壓力的影響研究[D].淮南:安徽理工大學(xué)能源安全學(xué)院,2011.

[8]董飛亞.深部高瓦斯煤層沖擊地壓預(yù)測防治技術(shù)研究[D].焦作:河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,2012.

[9]王磊.應(yīng)力場和瓦斯場采動耦合效應(yīng)研究[D].淮南:安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,2010.