立井揭煤過程中各影響因素的分析

夏騰飛　童保國　殷術(shù)明　李　磊

(河南能源化工集團(tuán)永煤公司城郊煤礦)

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立井揭煤過程中各影響因素的分析

夏騰飛童保國殷術(shù)明李磊

(河南能源化工集團(tuán)永煤公司城郊煤礦)

摘要立井揭煤是煤礦礦井開拓中的重要一環(huán),是一個(gè)系統(tǒng)工程。從瓦斯含量、瓦斯壓力、地應(yīng)力、高地溫、巖溶水壓、采礦擾動(dòng)和煤的強(qiáng)度與構(gòu)造等對(duì)立井揭煤的影響進(jìn)行了分析，為以后的立井揭煤提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞立井揭煤瓦斯含量及壓力煤體強(qiáng)度與構(gòu)造

1瓦斯含量和瓦斯壓力對(duì)立井揭煤的影響

瓦斯是植物遺體在成煤過程中生成的伴生物，大部分瓦斯在煤層和巖層中主要以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在。瓦斯造成的事故在煤礦事故中占有很大比例，煤礦瓦斯治理在世界上一直是個(gè)難題。由于我國淺部礦產(chǎn)資源逐步枯竭，礦井開拓逐步向深部擴(kuò)展，隨著開采深度的增加，瓦斯含量和壓力逐漸增大，瓦斯突出危險(xiǎn)性也逐漸增大，一些瓦斯礦井會(huì)升級(jí)成瓦斯突出危險(xiǎn)礦井，可能會(huì)在立井揭煤過程中造成煤與瓦斯突出等事故[2]，造成作業(yè)人員重大傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。

國外學(xué)者以瓦斯為主導(dǎo)的假說主要包括：“瓦斯包”、“粉煤帶”、“煤空隙結(jié)構(gòu)不均勻”、“裂縫堵塞”、“閉合孔隙瓦斯釋放”、“瓦斯膨脹”、“地質(zhì)破壞帶”、“瓦斯解析”、“火山瓦斯”等。國內(nèi)學(xué)者也對(duì)煤與瓦斯突出進(jìn)行了充分的研究，形成了具有一定實(shí)際意義的理論依據(jù)，其中包括：于不凡先生提出的中心擴(kuò)張學(xué)說，鄭哲敏院士從力學(xué)角度通過量綱分析，提出高瓦斯是大型突出所需能量的主要提供者的觀點(diǎn)，李中成提出突出是煤體盤形拉伸破壞連鎖反應(yīng)過程的觀點(diǎn)，李萍豐提出了二相流體假說，周世寧院士和何學(xué)秋教授提出了流變假說，愈善炳建立了突出的恒穩(wěn)推進(jìn)模型，梁冰和章夢(mèng)濤提出煤與瓦斯突出固流耦合失穩(wěn)理論，蔣承林和俞啟香提出了球殼失穩(wěn)假說等。

為了驗(yàn)證有關(guān)瓦斯含量和瓦斯壓力對(duì)煤與瓦斯突出的影響，重慶大學(xué)王維忠等采用同一種煤樣，在煤樣成型壓力、煤樣含水率、受力狀況等參數(shù)均恒定的條件下，研究了不同的瓦斯壓力對(duì)煤與瓦斯突出影響的模擬實(shí)驗(yàn)。得出：①煤與瓦斯突出發(fā)生后形成的孔洞呈口小腔大的梨形或者橢圓形，突出發(fā)生后在突出區(qū)域附近的煤層會(huì)產(chǎn)生一定的位移和變形，突出的煤體體積占孔洞的1/3～1/2；②存在一個(gè)煤與瓦斯突出發(fā)生與否的瓦斯壓力閾值，瓦斯壓力不僅作為動(dòng)力促使發(fā)生突出，也使煤粉碎并拋出煤粉；③在突出過程中，因地應(yīng)力和瓦斯吸附作用會(huì)使煤體溫度升高，但瓦斯氣體膨脹做功和瓦斯解吸作用會(huì)使煤體溫度下降，煤樣溫度出現(xiàn)先升高后下降的連續(xù)變換趨勢(shì)，因此可以根據(jù)溫度的變化來預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的大小[3]。

2地應(yīng)力對(duì)立井揭煤的影響

國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)地應(yīng)力的研究已取得重要成果，指出引起地應(yīng)力的主要原因是重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，對(duì)地應(yīng)力形成影響最大的是水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[4]。隨著開采深度的增加，出現(xiàn)：①高地應(yīng)力，進(jìn)入深部開采后，僅有重力引起的垂直原巖應(yīng)力超過了工程巖體的抗壓強(qiáng)度，并且由于工程采掘活動(dòng)引起的水平應(yīng)力集中遠(yuǎn)大于工程巖體的抗壓強(qiáng)度；②高地溫，隨開采深度的增加地溫升高，成為危害深部礦井的熱災(zāi)害；③高巖溶水壓，由于地應(yīng)力及地溫升高的影響，巖溶水壓升高，促使地應(yīng)力進(jìn)一步升高；④采礦擾動(dòng)，在承受高地應(yīng)力的同時(shí)，由于采動(dòng)影響會(huì)使圍巖壓力高于原巖應(yīng)力數(shù)倍、甚至近10倍，改變了原有巖石的力學(xué)性質(zhì)。由于“三高一擾動(dòng)”[5]的影響，使得地應(yīng)力表現(xiàn)的更加復(fù)雜。

為了驗(yàn)證地應(yīng)力對(duì)煤與瓦斯突出所產(chǎn)生的影響，段東等進(jìn)行了基于巖石破裂損傷理論和氣固耦合方法，利用RFPA2D-asFlow數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行了“煤與瓦斯突出過程中地應(yīng)力作用機(jī)理”的研究[6]，得出：①當(dāng)?shù)貞?yīng)力小于或等于一定值時(shí)，對(duì)瓦斯突出起到阻礙的作用，當(dāng)?shù)貞?yīng)力值大于一定值時(shí)，在突出過程中起到雙重作用，既能增強(qiáng)煤體抗破壞的能力，又能使煤體發(fā)生剪切破壞作用，因地應(yīng)力使煤體的瓦斯存儲(chǔ)能力增大，促進(jìn)瓦斯突出；②煤體的破壞形式在瓦斯突出的過程中受到地應(yīng)力增大的影響有4種形式，拉破壞、拉—剪破壞、拉剪—剪破壞和剪切破壞；③淺部煤層內(nèi)存在著拉應(yīng)力，因地應(yīng)力值太小，大范圍存在的拉應(yīng)力致使煤層發(fā)生瓦斯突出。

段東等的研究未得出在瓦斯突出中地應(yīng)力起阻礙作用的臨界值，只是定性地闡述，也未對(duì)深部地應(yīng)力對(duì)瓦斯突出所起的作用做出詳細(xì)的闡述，但此研究成果仍對(duì)立井揭煤具有指導(dǎo)意義。

張春華等從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次，利用基于含瓦斯煤巖破裂過程固-氣耦合動(dòng)力學(xué)模型開發(fā)的RFPA-Flow軟件，進(jìn)行了立井揭煤高瓦斯深埋煤層圍巖力學(xué)特性數(shù)值模擬研究[7]，得出：①在立井揭開深埋煤層過程中，圍巖從三向受力狀態(tài)變?yōu)閱蜗蚴芰顟B(tài)，應(yīng)力集中出現(xiàn)在井底邊沿的圍巖中，此處煤體首先受到破壞，失穩(wěn)狀態(tài)急劇增加。突出發(fā)生時(shí)伴隨著能量的釋放，煤體地應(yīng)力、瓦斯壓力和流速也會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，在某一時(shí)刻局部出現(xiàn)一定程度的回彈增大現(xiàn)象；②因地應(yīng)力形成的彈性能和煤體瓦斯膨脹能是立井揭煤過程中發(fā)生突出的主要?jiǎng)恿?，但是煤體強(qiáng)度是突出發(fā)生的控制因素，煤體強(qiáng)度越低越有利于突出的孕育和發(fā)生；③根據(jù)實(shí)際條件，采取深孔預(yù)裂控制爆破和抽采瓦斯等消突技術(shù)，能很大程度上降低煤層內(nèi)瓦斯壓力和梯度，有效降低工作面前方圍巖的應(yīng)力集中，增大煤體強(qiáng)度。

進(jìn)入深部開采后，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，地應(yīng)力表現(xiàn)更加復(fù)雜多變，需要科研工作者投入更多精力予以研究，為立井揭煤、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等給予理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

3構(gòu)造煤對(duì)立井揭煤的影響

由于煤體受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，使得煤的成分和強(qiáng)度變化，使其形成構(gòu)造結(jié)構(gòu)[8]。因煤與瓦斯突出事故主要發(fā)生在構(gòu)造煤發(fā)育地段，所以分析構(gòu)造煤的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特征對(duì)立井揭煤過程中可能發(fā)生的煤與瓦斯突出，顯得特別重要。

根據(jù)相關(guān)研究，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下破壞了原生煤的結(jié)構(gòu)特性和煤的成分，構(gòu)造煤是應(yīng)力集中區(qū)。由于構(gòu)造應(yīng)力的破壞作用使得構(gòu)造煤孔隙率一般較高，儲(chǔ)存更多的游離瓦斯，滲透性差，瓦斯壓力一般較高；由于地質(zhì)構(gòu)造破壞作用，構(gòu)造煤本身的強(qiáng)度和抵抗外力的能力較原生結(jié)構(gòu)煤顯著下降，很容易遭受破壞而發(fā)生突出事故[9]。

從構(gòu)造煤的區(qū)域分布、層域分布和局部分布等方面研究構(gòu)造煤分布規(guī)律，對(duì)立井揭煤過程中煤與瓦斯突出的控制、影響作用[10]：①擠壓構(gòu)造帶是構(gòu)造煤主要分布區(qū)，伸展構(gòu)造帶邊緣是構(gòu)造煤次要分布區(qū)，伸展構(gòu)造帶內(nèi)部主要是原生構(gòu)造煤分布區(qū)；②煤厚對(duì)構(gòu)造煤層域分布規(guī)律起主要控制作用；③煤與瓦斯突出主要發(fā)生在褶皺翼部，轉(zhuǎn)折端突出危險(xiǎn)性較小[11]；④有關(guān)斷層作用對(duì)構(gòu)造煤形成機(jī)理研究表明，斷層上盤最有利于發(fā)生煤與瓦斯突出。

在立井揭煤過程中，除需要了解構(gòu)造煤的分布規(guī)律外，還要測(cè)定構(gòu)造煤本身的特性，包括煤體堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度、煤層最大瓦斯壓力、軟分層煤的破壞類型等[12]，這些都關(guān)系到立井揭煤能否安全有效地進(jìn)行。

4結(jié)論

立井揭煤是涉及基礎(chǔ)理論、技術(shù)、施工組織、工程質(zhì)量和安全防護(hù)的系統(tǒng)工程，以上通過理論分析，給出了影響立井揭煤安全的3個(gè)主要因素，為立井揭煤實(shí)施提供理論支持。但影響立井揭煤安全實(shí)施的瓦斯含量與瓦斯壓力、地應(yīng)力和構(gòu)造煤不是孤立存在的，為此在進(jìn)行立井揭煤過程中，需綜合考慮瓦斯含量與瓦斯壓力、地應(yīng)力和構(gòu)造煤對(duì)立井揭煤安全的影響，從而保證立井揭煤安全可靠地進(jìn)行，并達(dá)到揭穿煤層的目的。

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(收稿日期2015-10-09)

夏騰飛(1988—)，男，碩士，476600 河南省永城市城關(guān)鎮(zhèn)寶塔路東段。