深部煤層低瓦斯耦合災(zāi)變機(jī)制

李 鐵，皮希宇,3

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 3.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013)

煤與瓦斯突出是煤炭資源開采主要的工程災(zāi)害之一。為防災(zāi)減災(zāi)，自1834-03-22法國魯阿雷煤田依薩克煤礦發(fā)生全球首例煤與瓦斯突出起，全球相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家持續(xù)開展了大量科學(xué)探索和工程實(shí)踐，提出了許多關(guān)于發(fā)生機(jī)理的假說，可歸納為瓦斯主導(dǎo)、應(yīng)力主導(dǎo)、化學(xué)本質(zhì)和綜合作用四大類[1]，研發(fā)出多種防治煤與瓦斯突出技術(shù)，共識(shí)性技術(shù)還提升成行業(yè)或國家技術(shù)規(guī)程與管理規(guī)章，在防治煤與瓦斯突出災(zāi)害中發(fā)揮了巨大作用。

科技工作者探索出煤、瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存等多種技術(shù)指標(biāo)判別煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。有突出危險(xiǎn)的煤層，在掘、采前均要實(shí)施區(qū)域防突措施，達(dá)到安全指標(biāo)方容許施工，且在施工中還須根據(jù)局部危險(xiǎn)性預(yù)測，對(duì)判別存在危險(xiǎn)的區(qū)段實(shí)施局部防突措施，直至達(dá)到安全開采條件。但漸趨增多的報(bào)導(dǎo)顯示，經(jīng)消突達(dá)到安全開采條件的煤層，雖然煤的破壞類型和堅(jiān)固性系數(shù)等固有屬性基本未變，但瓦斯壓力和含量等指標(biāo)已低于發(fā)生煤與瓦斯突出閾值，在沒有地質(zhì)構(gòu)造和賦存突變(以下統(tǒng)稱地質(zhì)異常)影響下，卻發(fā)生了一些令人費(fèi)解的煤與瓦斯突出或瓦斯異常涌出，即本文所稱的煤層“低瓦斯”災(zāi)變。

早期，ANEPШЦП С Г(1955)研究發(fā)現(xiàn)，德國萊茵-維斯特法爾礦區(qū)，沖擊地壓發(fā)生的同時(shí)放出大量瓦斯;上巴伐利亞的哈烏斯克礦井760 m深處的開采中，沖擊地壓發(fā)生前1 d，雖已加強(qiáng)了通風(fēng)，但在風(fēng)眼中卻發(fā)現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過4%，未找到原因[2]。G·布霍依諾(1981)研究發(fā)現(xiàn)，德國魯爾礦區(qū)950 m深處的開采中，1次沖擊地壓發(fā)生后的20 h內(nèi)共釋放了4×104m3瓦斯，針對(duì)這一現(xiàn)象，提出是瓦斯將煤拋出、還是煤體沖擊破壞釋放出瓦斯或者兩種作用兼有的疑問，但未見更為詳盡和后續(xù)研究的報(bào)導(dǎo)[3]。

以安全措施和管理較規(guī)范的我國國有大型煤礦為例:張鳳鳴等(2005)研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江省鶴崗煤田進(jìn)入深部開采后，多次ML≥3.0級(jí)強(qiáng)礦震伴隨瓦斯異常涌出，超出常規(guī)認(rèn)識(shí)[4]。李鐵等(2005，2007)研究發(fā)現(xiàn)，撫順老虎臺(tái)礦嚴(yán)格執(zhí)行防突措施，但進(jìn)入660 m采深后，消突達(dá)標(biāo)煤層開始發(fā)生沖擊地壓和強(qiáng)礦震誘導(dǎo)的瓦斯異常涌出和煤與瓦斯突出，且沖擊震動(dòng)后誘導(dǎo)低瓦斯災(zāi)變事件占沖擊地壓總數(shù)的比例與采深同步增長，到910 m采深時(shí)，接近半數(shù)的沖擊地壓誘導(dǎo)了煤層低瓦斯指標(biāo)災(zāi)變[5-6]。2005-02-14阜新孫家灣煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，直接原因是瓦斯爆炸之前14 min發(fā)生的1次ML=2.7礦震造成3316風(fēng)道外段正常狀態(tài)煤層的瓦斯異常涌出[7]。孟賢正等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，平煤集團(tuán)十二礦己七三水平回風(fēng)下山埋深為890～1 100 m，施工期間消突煤層發(fā)生2次沖擊性煤與瓦斯突出[8]。林士良等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，平煤集團(tuán)一礦，2006-03-19，己15-17310運(yùn)輸巷掘進(jìn)，消突煤層發(fā)生1起由沖擊地壓引起的煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，此前在三水平回風(fēng)下山施工到垂深1 100 m位置時(shí)，也發(fā)生過1次同類現(xiàn)象[9]。張福旺等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，平煤集團(tuán)十礦，2007-11-12在己15-16-24110采煤工作面消突煤層發(fā)生1起沖擊地壓誘導(dǎo)的煤與瓦斯突出[10]。LU 等(2014)研究發(fā)現(xiàn)，在鶴崗俊德煤礦，沖擊地壓產(chǎn)生的震動(dòng)波誘發(fā)了瓦斯突出[11]。SI 等(2015)研究發(fā)現(xiàn)，斯洛文尼亞Velenje(韋萊涅)煤礦，采動(dòng)產(chǎn)生的微震與瓦斯涌出率有直接關(guān)系，微震能量急劇增加時(shí)，瓦斯涌出速率趨于峰值[12]。

為探索消突煤層低瓦斯災(zāi)變機(jī)理，筆者通過現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測、微震觀測、事故調(diào)查等實(shí)證分析，認(rèn)識(shí)消突煤層低瓦斯災(zāi)變的過程與成因;通過含氣大煤樣低氣壓氣-固耦合物理試驗(yàn)和理論分析，研究承壓煤樣低氣壓應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場演化路徑和氣-固耦合物理災(zāi)變機(jī)制。

1 消突煤層低瓦斯災(zāi)變實(shí)證分析

上述消突煤層的低瓦斯災(zāi)變問題，亦有學(xué)者質(zhì)疑是否存在防突措施不到位、管理不到位等因素，這成為我們近15 a在撫順、平頂山、新安、海孜煤田對(duì)此問題持續(xù)探索的動(dòng)力，結(jié)論是消突煤層低瓦斯災(zāi)變?cè)谝欢l件下確實(shí)存在，舉證部分典型案例如下。

1.1 頂板下沉來壓作用下煤層低瓦斯災(zāi)變

撫順煤田某礦為高瓦斯礦井，硬分層煤有沖擊地壓危險(xiǎn)，軟分層煤有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。63001工作面采深約710 m，軟分層煤堅(jiān)固性系數(shù)f=0.33～0.45，破壞類型Ⅲ,Ⅳ，經(jīng)區(qū)域和局部消突措施，煤層殘余瓦斯壓力P< 0.5 MPa、殘余瓦斯含量W< 5 m3/t。2002-12-13T17:45，采煤工作面頂板來壓，架前煤層片幫，瓦斯異常涌出，T1傳感器監(jiān)測瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)3.25%(圖1)。之前未監(jiān)測到礦震，工作面內(nèi)也無震感;局部突出危險(xiǎn)性連續(xù)預(yù)測指標(biāo)均不超標(biāo);巷道內(nèi)氣流瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超限(< 1%);之前和后續(xù)開采均未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。瓦斯異常涌出8 min后(17:52:55)，遠(yuǎn)場頂板破斷，發(fā)生1次ML=2.0級(jí)礦震，采煤工作面內(nèi)有震感。

圖1 頂板來壓作用下瓦斯異常涌出過程Fig.1 Unusual gas emission under roof weighting

分析圖1災(zāi)變過程，為1次頂板來壓過程所致。瓦斯?jié)B流可分為3個(gè)階段:第1階段，大致4 d的氣流瓦斯體積分?jǐn)?shù)持續(xù)穩(wěn)定降低，反映頂板下沉、煤層壓密閉氣、瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流過程;第2階段，有約1 d的氣流瓦斯體積分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定回升，甚至有突變，反映煤層承壓塑性擴(kuò)容，瓦斯非穩(wěn)態(tài)滲流恢復(fù)過程;第3階段，瓦斯異常涌出災(zāi)變，反映煤壁快速破裂失穩(wěn)(片幫)、瓦斯非穩(wěn)態(tài)增速滲流災(zāi)變過程。8 min后的遠(yuǎn)場頂板礦震，佐證了頂板來壓過程的存在。類似案例在該礦多見，在淮北海孜某礦也曾發(fā)生。

1.2 頂板下沉來壓破斷沖擊作用下煤層低瓦斯災(zāi)變

1.1節(jié)所述撫順煤田該礦，68002東采煤工作面采深約760 m，軟分層煤堅(jiān)固性系數(shù)f=0.35～0.48，破壞類型Ⅲ,Ⅳ，經(jīng)區(qū)域和局部消突措施，煤層殘余瓦斯壓力P<0.6 MPa、殘余瓦斯含量W<6 m3/t。2002-12-13T17:15—2002-12-14T16:00，采面頂板下沉來壓，架前片幫，T0傳感器監(jiān)測瓦斯體積分?jǐn)?shù)連續(xù)超限，最高達(dá)3.92%，2002-12-14T08:39:54頂板發(fā)生ML=0.5級(jí)礦震。2002-12-16T00:32:54頂板再次發(fā)生ML=2.6級(jí)礦震，架前片幫，回風(fēng)巷棚子變形，00:35—00:40，瓦斯再度超限，T0傳感器瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大達(dá)到7.94%(延時(shí)126 s)(圖2)。之前局部突出危險(xiǎn)預(yù)測指標(biāo)均不超限，巷道內(nèi)氣流瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超限(< 1%);之前和后續(xù)開采均未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。

圖2 頂板沖擊作用下瓦斯異常涌出過程Fig.2 Unusual gas emission under roof impacting

分析圖2災(zāi)變過程，為2次頂板來壓破斷過程所致，瓦斯?jié)B流可分為5個(gè)階段:第1階段，氣流瓦斯體積分?jǐn)?shù)持續(xù)穩(wěn)定降低，反映頂板下沉、煤層壓密閉氣、瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流過程;第2階段，頂板來壓第1次破斷沖擊，瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流災(zāi)變，但由于頂板破斷能量較小(ML=0.5)，瓦斯異常涌出并未完成;第3階段，頂板繼續(xù)下沉來壓、煤層壓密閉氣、瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流;第4階段，氣流瓦斯體積分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定回升，反映煤層承壓塑性擴(kuò)容瓦斯非穩(wěn)態(tài)滲流;第5階段，頂板高能量破斷沖擊(ML=2.6)，激發(fā)煤壁失穩(wěn)破裂，瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流災(zāi)變。類似案例在該礦深部采區(qū)多見。

1.3 底板來壓起臌沖擊作用下煤層低瓦斯災(zāi)變

豫西某礦為煤與瓦斯突出礦井。12011掘進(jìn)工作面煤層埋深620 m，經(jīng)區(qū)域消突后，直接法測定殘余瓦斯壓力P<0.6 MPa，殘余瓦斯含量W<6 m3/t。該礦按防突規(guī)定的原則，測定本工作面突出危險(xiǎn)閾值分別為鉆孔瓦斯涌出初速度q≥3.5 L/min，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2≥140 Pa，鉆屑量S≥4.0 kg/m。掘進(jìn)工作面風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Cg=0.8%為自動(dòng)控制上限。上述指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)分別為P≥0.74 MPa，q≥5 L/min，Δh2≥200 Pa，S≥6.0 kg/m，Cg=1.0%，該礦的危險(xiǎn)閾值均嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

2009-08-10T14:00，12011掘進(jìn)工作面迎頭持續(xù)發(fā)生10余聲煤巖破裂聲響，14:09瓦斯異常涌出超限自動(dòng)斷電，現(xiàn)場調(diào)查底板起臌斷裂。掘前防突措施后效果檢驗(yàn)，鉆孔瓦斯涌出初速度最大值q=2.4 L/min，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值Δh2=120 Pa，鉆屑量最大值S=2.3 kg/m，掘進(jìn)迎頭(T1)風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.3%(圖3)，各項(xiàng)指標(biāo)均不超危險(xiǎn)閾值，表明掘進(jìn)頭煤層瓦斯壓力、含量和涌出量均在安全值范圍。

圖3 底板來壓起臌作用下瓦斯異常涌出過程Fig.3 Unusual gas emission under the the floor heave effect of floor weighting

分析圖3災(zāi)變過程，為1次底板來壓所致。瓦斯?jié)B流經(jīng)歷了3個(gè)階段:第1階段，2009-08-09T4:00—2009-08-10T01:30(持續(xù)21.5 h)，掘進(jìn)迎頭瓦斯涌出濃度出現(xiàn)顯著持續(xù)降低，反映了底板起臌、煤壁壓密閉合，瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流過程;第2階段，2009-08-10T01:30—14:00(持續(xù)12.5 h)，瓦斯涌出體積分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定回升接近正常水平，甚至有突變，反映煤層承壓塑性擴(kuò)容瓦斯恢復(fù)非穩(wěn)態(tài)滲流過程;第3階段，瓦斯突然大量異常涌出超限，瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流災(zāi)變過程，供電系統(tǒng)自動(dòng)斷電。現(xiàn)場調(diào)查可見掘進(jìn)工作面后方底板起臌開裂，發(fā)生過底板起臌破斷沖擊。

2 大煤樣低氣壓耦合滲流災(zāi)變物理實(shí)驗(yàn)

為探索現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的消突煤層低瓦斯災(zāi)變的機(jī)理，模擬掘進(jìn)工作面超前壓力區(qū)的單自由度受力狀態(tài)，在氣-固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)上，開展大煤樣低氣壓耦合滲流災(zāi)變物理實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，突出煤層鑒定，當(dāng)動(dòng)力現(xiàn)象特征不明顯或者沒有動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際測定的煤層最大原始瓦斯壓力(P)、軟分層煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度(ΔP)和煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)等指標(biāo)進(jìn)行鑒定，全部指標(biāo)均達(dá)到或者超過閾值，確定為突出煤層。突出區(qū)域危險(xiǎn)性預(yù)測，瓦斯壓力(P)、瓦斯含量(W)均小于閾值為無突出危險(xiǎn)，否則有突出危險(xiǎn)。局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑量(S)、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2/K1)等指標(biāo)均小于閾值為無突出危險(xiǎn)，否則有突出危險(xiǎn)。在斷層、褶皺和煤層賦存變化較大的地質(zhì)異常區(qū)段，會(huì)加大煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)條件中，煤的破壞類型和堅(jiān)固性系數(shù)消突前后基本沒有變化;地質(zhì)異常條件在實(shí)驗(yàn)中不易模擬，通過選擇現(xiàn)場無地質(zhì)異常案例進(jìn)行類比;局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)中不易模擬，不采用該類指標(biāo);瓦斯壓力(P)和含量(W)只要有一項(xiàng)滿足了災(zāi)變條件即可判斷有危險(xiǎn)，且瓦斯壓力條件容易設(shè)定。因此，用煤的堅(jiān)固性系數(shù)和瓦斯壓力兩項(xiàng)指標(biāo)作為低瓦斯災(zāi)變?cè)囼?yàn)的主要材料介質(zhì)條件。

實(shí)驗(yàn)煤樣取自平頂山煤田某礦己15-16突出煤層。為研究低指標(biāo)瓦斯?jié)B流災(zāi)變問題，煤樣采用該層偏硬層的原煤，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.65，高于突出堅(jiān)固性系數(shù)閾值。

實(shí)驗(yàn)氣體選為惰性氣體N2，壓力為0.4 MPa恒壓低氣壓。選擇N2基于以下4點(diǎn)因素:

(1)CH4和N2的吸附具有相似性。楊程等(2018)用瀝青和煤矸石加工的活性炭材料，進(jìn)行甲烷和氮?dú)馕叫阅軐?duì)比試驗(yàn)研究表明[13]，在相同吸附溫度下，兩者均可用Freundlich 吸附等溫式表達(dá):

(1)

式中，q為吸附量;k，n為吸附常數(shù);P為氣體壓力。

對(duì)CH4和N2的吸附等溫線進(jìn)行擬合，兩者的q，k，n分別為7.5，0.170，1.21和1.80，0.019 0，1.01，CH4的吸附量雖然高于N2(4.2倍)，但兩者具有相似性;

(2)在常溫、低壓(0.4 MPa)、塊狀原煤和短時(shí)間(20 min)條件下，瓦斯吸附量較少，兩者的差異不大;

(3)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察承壓煤樣氣-固耦合作用下煤樣裂隙演化過程瓦斯?jié)B流的物理過程，CH4和N2吸附量的差異可以忽略;

(4)不影響核心目的前提下的試驗(yàn)安全。

考慮到實(shí)驗(yàn)的尺度效應(yīng)問題，盡量使用大尺寸煤樣，力圖更接近現(xiàn)場條件。煤樣加工成150 mm×150 mm×150 mm規(guī)格的立方體大試樣，試樣兩端面的平行度偏差不大于0.005 cm，試件精度滿足常規(guī)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求(圖4)。

實(shí)驗(yàn)裝置由巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)、大煤樣雙向加載滲透性試驗(yàn)裝置、氣體質(zhì)量流量計(jì)、高精度壓力傳感器、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、聲發(fā)射檢測與分析儀等構(gòu)成。

圖4 原煤試樣Fig.4 Raw coal samples

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對(duì)未達(dá)突出氣壓和堅(jiān)固性閾值的含氣煤樣加壓，模擬掘進(jìn)工作面和采煤工作面中部現(xiàn)場條件，考察災(zāi)變?nèi)虘?yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射、滲流場演化規(guī)律，分析含氣煤樣受載低指標(biāo)災(zāi)變機(jī)理。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理示意Fig.5 Schematic diagram of experimental principle1—加壓控制系統(tǒng);2—采集控制系統(tǒng);3—壓頭;4—墊塊; 5—密封承壓板;6—壓力氣瓶;7—?dú)鈮嚎刂崎y;8—?dú)怏w壓力采集系統(tǒng);9—?dú)怏w質(zhì)量流量采集系統(tǒng);10—支架、底盤系統(tǒng); 11—供氣透氣板;12—硅膠板和密封膠;13—煤樣;14—自由邊界;15—聲發(fā)射傳感器;16-聲發(fā)射放器;17—聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖5所示，在煤樣頂部密封壓板施加軸向壓載(圖中第5部分)。煤樣法向一側(cè)面和底面剛性約束(圖中第10部分)，經(jīng)透氣板附加恒壓氮?dú)?圖中第11部分)，同軸向另一側(cè)面開敞自由(圖中第14部分)，正交法向另兩側(cè)面(圖略)剛性被動(dòng)約束和密封。為確保加氣初期煤樣不向自由端位移，軸向載荷加載到預(yù)計(jì)試樣極限載荷的10%開啟氣體控制閥，調(diào)整氣壓到預(yù)定值后，各系統(tǒng)開始正常采集數(shù)據(jù)。當(dāng)聲發(fā)射計(jì)數(shù)或能量達(dá)到顯著峰值，煤樣自由表面產(chǎn)生顯著宏觀裂縫，有碎塊脫落，甚至有聲響，氣體伴有煤粒噴出，判定為發(fā)生氣體涌出災(zāi)變，停止試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中隨時(shí)檢查系統(tǒng)的氣密性，監(jiān)測氣體壓力降，未發(fā)現(xiàn)密封失效。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)為4個(gè)特征階段。

(1)初始?jí)好芊蔷€性階段。

圖6中線段0階段。試樣豎向加載，應(yīng)力曲線呈上凹形狀，為加載初期非線性階段，煤樣卸載裂隙壓密，有少量聲發(fā)射。加載到1.1 MPa開始施加0.4 MPa恒壓氮?dú)?，氣體流量經(jīng)震蕩趨于在1.8 L/min的常值飽和。加載到彈性階段下限特征點(diǎn)A，出現(xiàn)一次顯著應(yīng)力降，聲發(fā)射數(shù)和能量出現(xiàn)相對(duì)高峰，氣流量不穩(wěn)定震蕩在1.8 L/min左右，表明煤樣取樣卸載產(chǎn)生的裂隙處于不斷受壓變化躁動(dòng)過程，還未完全閉合。

圖6 受載含氣煤巖樣物理場演化Fig.6 Unusual gas emission under the the floor heave effect of floor weighting

(2)彈性壓密——?dú)怏w常速與減速穩(wěn)態(tài)滲流。

在線彈性階段全程，聲發(fā)射數(shù)較少、能量較低。前40%線性階段(圖6中線段1-1階段)，氣流量在1.8 L/min基本呈穩(wěn)態(tài)滲流，將其視為1個(gè)常值，相當(dāng)于沿原生裂隙提供普通涌出的滲流。后60%線性階段(圖6中線段1-2階段)，氣流量持續(xù)降低至1.6 L/min，氣體呈減速穩(wěn)態(tài)滲流，原生裂隙顯著壓密，導(dǎo)氣通道趨于閉合，表現(xiàn)為氣體低值異常涌出。

(3)塑性擴(kuò)容——?dú)怏w增速非穩(wěn)態(tài)滲流。

加載到7.0 MPa屈服點(diǎn)或彈性極限特征點(diǎn)B，再次發(fā)生顯著應(yīng)力降，聲發(fā)射數(shù)和能量出現(xiàn)顯著高峰，氣流量快速升高，表現(xiàn)為增速非穩(wěn)態(tài)滲流，煤巖承壓進(jìn)入塑性應(yīng)變擴(kuò)容階段，內(nèi)部產(chǎn)生壓張裂隙及導(dǎo)氣通道，之后聲發(fā)射數(shù)和能量持續(xù)升高(圖6中線段2階段)。煤樣開敞側(cè)開始有宏觀裂紋產(chǎn)生，氣體從開敞側(cè)自由面有溢出感。

(4)破裂失穩(wěn)——?dú)怏w非穩(wěn)態(tài)滲流災(zāi)變。

加載到8.7 MPa特征點(diǎn)C，達(dá)到煤樣單自由度單向壓縮極限荷載后，聲發(fā)射數(shù)和能量出現(xiàn)全程最高峰，煤樣自由表面產(chǎn)生大量宏觀裂縫，有聲響和碎塊脫落，氣體快速流出，流量最高達(dá)31.9 L/min，伴有煤粒噴出，判定為發(fā)生災(zāi)變，停止試驗(yàn)。特征點(diǎn)C為極限破壞荷載，之后為峰后階段(圖6中線段3階段)。煤樣破壞方式透氣板一側(cè)以碎糜為主，開敞側(cè)以碎裂為主(圖7)。如持續(xù)恒壓加氣，煤粉與氣體可持續(xù)噴出。

圖7 試驗(yàn)結(jié)束后煤樣狀態(tài)Fig.7 State of coal samples after test

實(shí)驗(yàn)得出，含氣煤層加載過程造成由于裂隙場演變，導(dǎo)致瓦斯?jié)B流產(chǎn)生普通涌出-減速異常涌出-增速異常涌出-災(zāi)變噴出的演化過程。GENG等[14]物理試驗(yàn)得出，煤的孔隙度和滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈指數(shù)下降。YANG等[15]物理試驗(yàn)得出，不同開挖路徑下開挖應(yīng)力載荷的變化引起煤裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜演化，顯著地改變了裂隙煤的甲烷滲透率。JIANG等[16]物理試驗(yàn)得出，隨著分層循環(huán)加載和卸載，滲透率的絕對(duì)恢復(fù)速率先下降后增大，而滲透率的相對(duì)恢復(fù)速率逐漸增大。KONG等[17]數(shù)值試驗(yàn)研究提出，應(yīng)力、孔隙度和瓦斯壓力的演化密切相關(guān)。應(yīng)力的變化會(huì)引起孔隙度的變化，影響瓦斯壓力，而甲烷的解吸影響煤的應(yīng)力，所有這些都形成耦合關(guān)系。滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈指數(shù)下降是由于采用了三軸試驗(yàn)的結(jié)果，其他與本文相似的結(jié)果，對(duì)本文實(shí)驗(yàn)的可靠性可起到佐證。

3 承壓煤層低瓦斯耦合災(zāi)變機(jī)理分析

綜合典型案例實(shí)證分析和氣-固耦合物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)承壓煤體低瓦斯災(zāi)變機(jī)理得出如下認(rèn)識(shí)。

(1)瓦斯常速穩(wěn)態(tài)滲流(普通涌出)條件。

經(jīng)典的礦壓三帶理論將采動(dòng)礦壓劃分為卸壓帶A、增壓帶B和穩(wěn)壓帶C(圖8)。前蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究院根據(jù)煤層平巷工作面實(shí)際觀測，提出工作面前方煤體應(yīng)變可分為擠出帶(卸壓帶a1)，壓縮帶(增壓帶B)，未擾動(dòng)煤體帶(穩(wěn)壓帶C)。現(xiàn)代普遍認(rèn)為，采掘工作面前方煤層，卸壓帶a1經(jīng)過了塑性應(yīng)變擴(kuò)容，壓張裂隙發(fā)育。增壓帶由兩部分構(gòu)成，外側(cè)為塑性應(yīng)變?cè)鰤簬1，煤體擴(kuò)容，剪張新生裂隙發(fā)育，其與卸壓帶a1內(nèi)瓦斯均可解吸游離放散;而里側(cè)為彈性應(yīng)變?cè)鰤簬2，原生裂隙處于壓密狀態(tài)，瓦斯以吸附態(tài)為主，有相對(duì)恒速穩(wěn)定的瓦斯?jié)B流。穩(wěn)壓帶C是受采動(dòng)影響小于5%的區(qū)域，可視為原巖應(yīng)力狀態(tài)，孔隙、裂隙處于原生狀態(tài)，瓦斯處于吸附狀態(tài)。

圖8 煤層瓦斯普通涌出應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場模型Fig.8 Stress-strain-seepage field model of coal seams with ordinary gas emissionk1—40%彈性極限前采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù);γ—覆巖容重;H—覆巖厚度;σk1—采動(dòng)豎向應(yīng)力函數(shù)曲線

我們的研究注意到，突出煤層采掘前必須實(shí)施區(qū)域消突措施，穩(wěn)壓帶內(nèi)已受防突措施擾動(dòng)，不再是原生孔隙、裂隙，而次生裂隙比較發(fā)育，瓦斯賦存狀態(tài)也由吸附變?yōu)榭山馕坞x。在增壓帶b1壓密條件下，瓦斯可在穩(wěn)壓帶內(nèi)富集或局部富集。鑒于此，我們將采、掘前方煤層應(yīng)變場劃分為塑性擴(kuò)容帶I1(卸壓帶+塑性增壓帶)、彈性壓密帶II1(彈性增壓帶)和擾動(dòng)裂隙帶III1(穩(wěn)壓帶)，對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)B流場分別為瓦斯解吸放散帶、瓦斯?jié)B流受阻帶、瓦斯解吸游離帶。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在彈性壓密帶II1峰值壓力約達(dá)40%彈性極限前，瓦斯?jié)B流場在擾動(dòng)裂隙帶III1為瓦斯解吸游離，彈性壓密帶II1為瓦斯恒速穩(wěn)態(tài)流滲，塑性擴(kuò)容帶I1為瓦斯解吸常速穩(wěn)態(tài)放散(普通涌出)(圖8)。

(2)瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流(低值異常涌出)條件。

在增壓帶峰值壓力約達(dá)40%～100%彈性極限區(qū)間，瓦斯?jié)B流場在擾動(dòng)裂隙帶III2為瓦斯解吸游離富集，彈性壓密帶II2為瓦斯減速穩(wěn)態(tài)流滲，塑性擴(kuò)容帶I2為瓦斯解吸穩(wěn)態(tài)放散(低值異常涌出)，如圖9所示。

圖9 煤層瓦斯低值異常涌出應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場模型Fig.9 Stress-strain-seepage field model of coal seams with unusual gas emission with low-pressurek2—40%～100%彈性極限采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù);σk2—采動(dòng)豎向應(yīng)力函數(shù)曲線

(3)瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流(高值異常涌出及災(zāi)變)條件。

增壓帶峰值壓力超過彈性極限后，上階段彈性壓密帶II2變?yōu)榍U(kuò)容帶II3，產(chǎn)生大量裂隙，滲流通道被打通，瓦斯?jié)B流場變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)增速滲流回升(圖10);密閉在擾動(dòng)裂隙帶III3的解吸游離富集瓦斯持續(xù)為非穩(wěn)態(tài)增速滲流提供動(dòng)力，甚至加速提高通道的滲透率;塑性擴(kuò)容帶I3為瓦斯解吸高速非穩(wěn)態(tài)放散(高值異常涌出)。

圖10 煤層瓦斯高值異常涌出災(zāi)變應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場模型Fig.10 Stress-strain-seepage field model of coal seams with unusual gas emission with high-pressurek3—大于彈性極限采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù);σk3—采動(dòng)豎向應(yīng)力函數(shù)曲線

超過極限荷載后，屈服擴(kuò)容帶II3破裂失穩(wěn)，密閉在擾動(dòng)裂隙帶III3的解吸游離富集瓦斯持續(xù)為非穩(wěn)態(tài)增速滲流提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)高值瓦斯異常涌出災(zāi)變(噴出超限)。如果頂板下沉或底板起臌過程發(fā)生破斷沖擊(圖10)，疊加的動(dòng)載與采動(dòng)應(yīng)力之和超過屈服極限荷載，高值瓦斯異常涌出災(zāi)變將提前發(fā)動(dòng)。如果密閉在擾動(dòng)裂隙帶III3的解吸游離富瓦斯壓力和含量充沛，則可發(fā)生煤與瓦斯突出。

4 結(jié) 論

(1)低于0.74 MPa氣體壓力，承壓煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場耦合作用下可以災(zāi)變?yōu)闅怏w非穩(wěn)態(tài)滲流災(zāi)變-瓦斯異常涌出或煤與瓦斯突出，臨界閾值尚待進(jìn)一步研究?，F(xiàn)場多表現(xiàn)為瓦斯異常涌出超限，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生煤與瓦斯突出。實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)為氣流伴有煤?？焖賴姵觥?/p>

(2)在防突措施擾動(dòng)下，穩(wěn)壓區(qū)煤層的裂隙已不再是原生狀態(tài)，而有大量次生裂隙產(chǎn)生，為瓦斯解吸游離創(chuàng)造條件，可局部富集，是瓦斯異常涌出或突出的發(fā)動(dòng)區(qū)。

(3)根據(jù)峰值應(yīng)力，定量劃分出采動(dòng)超前區(qū)段瓦斯賦存狀態(tài)“三帶”動(dòng)態(tài)演化范圍和特征，定量數(shù)值還要在后續(xù)的大量實(shí)驗(yàn)中修正，但找到了可行的技術(shù)思路和指標(biāo)。

(4)采動(dòng)靜-動(dòng)應(yīng)力作用下，超前區(qū)段應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場的演化，是導(dǎo)致消突煤層的瓦斯普通涌出-低值異常涌出-高值異常涌出-噴出或突出災(zāi)變演化的原因。

(5)現(xiàn)場條件下，頂板破斷沖擊、底板破斷沖擊動(dòng)力復(fù)合作用下，將會(huì)激發(fā)低瓦斯災(zāi)變提前發(fā)動(dòng)。

致謝本研究得到了河南理工大學(xué)蘇承東教授和高保彬博士的幫助，在此致以衷心感謝！