地應(yīng)力對羊東井田煤與瓦斯突出影響的研究

劉曉斐，趙慶彪，劉 杰，付京斌，石德忠，劉礦生

(1.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116；3.冀中能源 峰峰集團(tuán)，河北 邯鄲 056100)

青年論壇

地應(yīng)力對羊東井田煤與瓦斯突出影響的研究

劉曉斐1,2，趙慶彪1，劉 杰2，付京斌3，石德忠3，劉礦生3

(1.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116；3.冀中能源 峰峰集團(tuán)，河北 邯鄲 056100)

羊東礦為煤與瓦斯突出礦井，目前主采煤層大煤(2號煤)為突出煤層，在開采-400m水平時(shí)曾發(fā)生過2次突出動(dòng)力現(xiàn)象，均表現(xiàn)為壓出特征，分析認(rèn)為地應(yīng)力是羊東礦突出發(fā)生的主要條件。利用自行研制的煤與瓦斯突出裝置，以羊東礦2號煤的原煤樣為研究對象，開展了在較低瓦斯壓力條件下地應(yīng)力對羊東原煤突出影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明同樣瓦斯壓力下，導(dǎo)致羊東原煤壓出發(fā)生的應(yīng)力具有臨界條件；且應(yīng)力越大，壓出的煤量越多，煤體破碎程度越高，在煤體內(nèi)殘留的孔洞越大，壓出特征表現(xiàn)越明顯。

地應(yīng)力；壓出；瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象；模擬實(shí)驗(yàn)

煤與瓦斯突出一直是嚴(yán)重威脅我國煤礦安全生產(chǎn)的一種動(dòng)力災(zāi)害[1]。雖然我國突出危險(xiǎn)礦井在開采過程中采取了防突(消突)措施，但每年煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生。另外，隨著開采深度的增加，地應(yīng)力、瓦斯壓力和瓦斯含量相應(yīng)增大，應(yīng)力和瓦斯耦合作用致災(zāi)機(jī)理也更加復(fù)雜，煤與瓦斯突出未來仍然是我國煤礦安全的重要威脅，因此了解煤與瓦斯突出的作用機(jī)理是非常重要的。

國內(nèi)外很早就開始了對煤與瓦斯突出機(jī)理的研究[2-10]，先后有多種假說來解釋突出的機(jī)理，其中綜合作用假說被國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者所接受，認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果，究竟哪種因素起主導(dǎo)作用，則與礦區(qū)(井田)煤層賦存、地質(zhì)和開采條件有密切關(guān)系。

羊東礦為煤與瓦斯突出礦井，目前主采的大煤(2號煤)為突出煤層，在開采-400m水平時(shí)曾發(fā)生過2次突出，從其突出特征來看，均具有壓出性質(zhì)，地應(yīng)力是其發(fā)生的主要條件。國內(nèi)學(xué)者先后通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試等手段并結(jié)合工程實(shí)例對地應(yīng)力對突出的影響進(jìn)行了研究[11-14]，認(rèn)為地應(yīng)力會(huì)對煤層中的瓦斯?jié)B流速度、瓦斯含量、瓦斯壓力及煤體結(jié)構(gòu)起到影響作用，從而導(dǎo)致含瓦斯煤體更容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞并發(fā)生突出。

本文在分析羊東井田突出特征及因素的基礎(chǔ)上，利用自行研制的煤與瓦斯突出裝置，以羊東礦2號煤的原煤樣為研究對象，開展了應(yīng)力對羊東原煤突出影響的試驗(yàn)研究，研究了不同應(yīng)力條件對羊東煤突出的影響，為羊東礦煤與瓦斯突出防治提供理論指導(dǎo)。

1 羊東礦突出特征及影響因素分析

1.1 礦井及突出煤層概況

羊東礦隸屬河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)，井田中心地表標(biāo)高+156m。羊東礦井田，東以2號煤層的-1100m底板等高線為界；北以F22斷層、經(jīng)線23500及F2斷層為界；西以F2，F(xiàn)3斷層為界；南以F1，F(xiàn)6，F(xiàn)19斷層及第17勘探線為界。井田走向長7.5～10.2km，傾斜寬3.0～5.8km，面積為31.98km2。

羊東井田煤系地層由石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組組成，總厚度為170～220m，平均厚度為200m，普遍含煤15層。其中6層為可采煤層，即下架、大青、小青、山青、野青(4號煤)、大煤(2號煤)，其他小煤均不可采，詳見表1。

表1 羊東井田可采煤層對比

礦井開拓方式為立井暗斜井多水平開拓方式?，F(xiàn)有5個(gè)生產(chǎn)水平，標(biāo)高分別為：±0m，-110m，-240m，-400m，-620m，目前開采水平為-620m水平，-850m水平正在進(jìn)行延深。目前礦井主要開采2號(大煤)和4號(野青)煤，2號煤為突出煤層，4號煤、6號(山青)煤層為不突出煤層，可以作為保護(hù)層開采。

1.2 突出動(dòng)力現(xiàn)象特征分析

羊東礦在其開采-400m水平時(shí)曾發(fā)生過2次煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象。1997年在2號煤層8228運(yùn)料巷掘進(jìn)工作面，發(fā)生煤與瓦斯突出，突出煤量17.5t，突出瓦斯516m3，標(biāo)高為-354m。1999年在2號煤層8230工作面掘進(jìn)運(yùn)煤石門時(shí)，發(fā)生煤與瓦斯突出，突出煤量86.4t，突出瓦斯2936m3，標(biāo)高為-401m。由于2次突出發(fā)生特征相似，則以8230膠帶機(jī)道煤與瓦斯突出事故為例，對其突出特征進(jìn)行分析。

8230膠帶機(jī)道煤與瓦斯突出為掘進(jìn)運(yùn)煤石門時(shí)發(fā)生的突出，其示意圖見圖1。

圖1 8230膠帶機(jī)道突出位置及突出空洞示意

(1)突出地點(diǎn)的地面標(biāo)高為+142m，井下標(biāo)高-401m。

(2)迎頭石門見煤點(diǎn)正好為一斷層F5，走向N15°E，傾向N75°W，傾角40～60°，落差6m。

(3)巷道正好位于斷層下盤大煤底板的巖石中，巷道左幫為斷層上盤層，巷道頂部為斷層下盤煤層。

(4)突出的煤堆積角度外段23°，里段28.5°，煤塊面混雜，無明顯分選性。

(5)突出的孔洞沿?cái)鄬映孰p楔形，即斷層上盤一個(gè)，下盤一個(gè)，孔洞體積大約61m3?？锥纯诖蠖切?，上盤的楔形外口呈三角形，三角形長邊長約7.5m，高2.5m，楔形深度約6m；下盤的楔形外口也呈三角形，其長邊長約6m，高約2m，深度約3.5m。

(6)突出瓦斯量為2936m3，拋出的煤量86.4t，按拋煤量屬于中型突出。

綜合以上特征，可認(rèn)為此次突出屬于壓出。

8228運(yùn)料巷煤與瓦斯突出也是在掘巷過程中多次遇到斷層而發(fā)生的。綜合羊東礦的這2次突出，可以認(rèn)為地應(yīng)力(主要來源于斷層構(gòu)造)是突出的主要因素，瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)在突出發(fā)展過程中起到了推動(dòng)作用。

2 地應(yīng)力對羊東礦突出影響的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用實(shí)驗(yàn)室自行研究的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置[15]進(jìn)行煤體物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯條件和應(yīng)力條件綜合影響的突出實(shí)驗(yàn)。整套實(shí)驗(yàn)裝置包括突出試驗(yàn)腔體、加載系統(tǒng)、充放氣系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。

壓出試驗(yàn)腔體如圖2(a)所示，內(nèi)部腔體可放原煤以及預(yù)制8.0kg的型煤。試驗(yàn)腔體具備誘導(dǎo)動(dòng)力現(xiàn)象裝置，如圖2(b)所示，試驗(yàn)時(shí)可以通過敲開銷子，為內(nèi)部含瓦斯煤體卸壓，達(dá)到誘導(dǎo)壓出現(xiàn)象發(fā)生的目的。通過上壓柱傳導(dǎo)加載系統(tǒng)載荷，達(dá)到為煤層加壓的目的。

圖2 突出試驗(yàn)腔體實(shí)物

加載系統(tǒng)采用的是新三思微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，加載過程中可以實(shí)現(xiàn)位移保持和載荷保持；充氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為實(shí)驗(yàn)提供不同壓力的氣體；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用來采集瓦斯壓力和應(yīng)力。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

突出模擬實(shí)驗(yàn)所用的原煤樣取自有突出危險(xiǎn)性的2號煤層，實(shí)驗(yàn)瓦斯壓力0.4MPa，相當(dāng)于突出臨界瓦斯壓力(0.72MPa，數(shù)據(jù)來源于沈陽研究院的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定結(jié)果)的60%。選擇較低的實(shí)驗(yàn)瓦斯壓力主要是為了與羊東礦現(xiàn)有的開采條件更接近。羊東礦采用保護(hù)層開采和瓦斯預(yù)抽技術(shù)來降低2號煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力，其工作面開采過程中的實(shí)際瓦斯壓力應(yīng)低于0.72MPa。在此實(shí)驗(yàn)條件下，按照圖3，通過改變載荷(地應(yīng)力)的大小，實(shí)驗(yàn)研究地應(yīng)力對羊東井田2號煤層壓出性突出的影響。

圖3 突出實(shí)驗(yàn)步驟

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和圖4～圖6。

表1 應(yīng)力對羊東原煤壓出影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖4 應(yīng)力25MPa時(shí)發(fā)生的煤體壓出特征

圖5 應(yīng)力30MPa時(shí)發(fā)生的煤體壓出特征

圖6 應(yīng)力35MPa時(shí)發(fā)生的煤體壓出特征

3 討論

應(yīng)力對于壓出性突出具有重要的影響作用。應(yīng)力較小時(shí)(15MPa和20MPa)，不會(huì)發(fā)生任何動(dòng)力現(xiàn)象，煤體保持原有的狀態(tài)；隨著應(yīng)力的升高，發(fā)生了壓出現(xiàn)象并且壓出煤量逐漸增多說明應(yīng)力越高，壓出的規(guī)模越大。

隨著應(yīng)力的升高煤體的破碎程度越來越大，在煤體內(nèi)形成的孔洞越來越大，其壓出特征也越來越明顯。當(dāng)應(yīng)力為25MPa時(shí)，誘導(dǎo)口處的煤體完整性較好，煤體內(nèi)的殘留孔洞較小，并且煤壁上殘留的裂隙不明顯；應(yīng)力升高到30MPa時(shí)，誘導(dǎo)口處的煤體呈現(xiàn)出明顯的破碎狀，部分煤體已經(jīng)粉碎，煤體內(nèi)的孔洞較25MPa大，煤壁上殘留明顯的裂隙，構(gòu)成了以誘導(dǎo)口為中心的圓弧狀；應(yīng)力達(dá)到35MPa時(shí)，煤體呈現(xiàn)出明顯的粉碎化，腔體內(nèi)的煤體同樣也呈現(xiàn)粉化。

試驗(yàn)時(shí)誘導(dǎo)口打開后，應(yīng)力為25MPa時(shí)，煤體呈現(xiàn)出比較明顯的崩裂狀，呈現(xiàn)非常明顯的彈性能釋放現(xiàn)象；應(yīng)力升高到30MPa和35MPa時(shí)，誘導(dǎo)口打開后，煤體崩裂四濺的現(xiàn)象較弱，表現(xiàn)出在應(yīng)力作用下的壓出，動(dòng)力現(xiàn)象較弱。在高應(yīng)力的作用下，內(nèi)部煤體破碎，表現(xiàn)出更多的軟化特性，消耗的能量較多，積聚的彈性能較小，因此誘導(dǎo)口打開后動(dòng)力現(xiàn)象較弱；而當(dāng)應(yīng)力較低時(shí)，煤體發(fā)生的破裂較少，當(dāng)誘導(dǎo)口打開后表現(xiàn)出較明顯的彈性能釋放，從而引起煤體的破壞。

4 結(jié)束語

(1)以羊東井田開采過程中8230膠帶機(jī)道突出事件為研究對象，對其發(fā)生的特征及影響因素進(jìn)行了分析，表明羊東井田的煤與瓦斯突出為壓出性質(zhì)，地應(yīng)力是羊東井田產(chǎn)生壓出的重要因素。

(2)通過模擬試驗(yàn)，研究了應(yīng)力對羊東井田突出的影響機(jī)理，表明同樣瓦斯壓力下，導(dǎo)致壓出發(fā)生的應(yīng)力具有臨界條件；且應(yīng)力越大，壓出的煤量越多，煤體破碎程度越高，在煤體內(nèi)殘留的孔洞越大，壓出特征表現(xiàn)越明顯。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

InfluenceofGeo-stressonCoalandMethaneBurstinYangdongMinefield

LIU Xiao-fei1,2,ZHAO Qing-biao1,LIU Jie2,FU Jing-bin3,SHI De-zhong3,LIU Kuang-sheng3

(1.Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai 054000,China;2.Safety Engineering School,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China;3.Fengfeng Group,Jizhong Energy Group,Handan 056100,China)

Yangdong Colliery is a coal and methane burst mine whose mainly-mining coalseam is outburst coalseam.2 outburst phenomena occurred in -400m level mining which took on extrusion characteristic.Geo-stress was believed to be main cause of outburst.Applying self-made coal and methane outburst device,influence of geo-stress on coal burst was simulated under lower methane pressure.Results showed that under the same methane pressure,stress resulting in outburst had a critical value.Geo-stress was larger,the more amount coal was extruded,the higher coal cracked degree was,cave resided in coal was larger and extrusion characteristic was more obvious.

geo-stress; extrusion; methane dynamic phenomena; simulation experiment

2014-07-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.029

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2012BAK04B07，2012BAK09B01)；教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(113031A)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(1102085C)

劉曉斐(1981-)，男，山西晉中人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)副教授，冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司博士后，主要從事煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防、煤礦安全等方面研究。

劉曉斐，趙慶彪，劉 杰，等.地應(yīng)力對羊東井田煤與瓦斯突出影響的研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：103-106.

TD713

A

1006-6225(2014)05-0103-04