掘進工作面卸壓區(qū)寬度及其主控因素研究

馬金魁

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

我國煤礦的突出防治以區(qū)域防突措施為主、局部防突措施補充為原則，在工作面掘進或回采時，均采用局部突出危險性預測和局部防突措施進行煤與瓦斯突出的預防，其主要目的是提高煤體強度，降低煤體前方的瓦斯壓力梯度和增大煤體卸壓區(qū)寬度，增大工作面前方煤體抵御煤與瓦斯突出的能力[1-3]。卸壓區(qū)寬度與防治煤與瓦斯突出“兩個四位一體”中區(qū)域和局部預抽煤層瓦斯、局部防突措施鉆孔布置等鉆孔的合理參數(shù)密切相關，如合理的鉆孔長度和封孔深度、順煤層鉆孔或排放鉆孔等局部防突措施的鉆孔布置方式、鉆孔深度、工作面循環(huán)推進度等參數(shù)確定的重要依據(jù)，也是工作面推進過程中進行防突指標(鉆屑瓦斯解吸指標K1值/Δh2或者瓦斯放散初速度)測定結果是否失真判斷的參考。卸壓區(qū)寬度的確定對于煤與瓦斯突出預測的準確性及瓦斯抽采效果的好壞至關重要。

劉洋[4]通過拋物線型為煤巖體破壞強度準則，建立了塑性區(qū)極限平衡力學模型，推導得出煤巖抗拉強度、側向壓力系數(shù)等條件下的塑性區(qū)寬度解析解，為掘進面卸壓區(qū)寬度研究提供了參考依據(jù)。舒龍勇[5]利用FLAC3D計算分析了煤巷掘進面的采動應力和破壞區(qū)分布特征，認為最大主應力的方向控制著掘進面前方卸壓區(qū)和塑性變形區(qū)的發(fā)育程度，當掘進面迎頭距軟煤區(qū)2～4m時，硬煤內發(fā)生應力集中，軟煤內發(fā)生塑性破壞。許江[6]對掘進工作面突出過程中的溫度-氣壓-應力體系演化過程進行了研究，認為卸壓區(qū)和應力集中區(qū)在突出前期為定溫-定壓-定熵相互轉換的過程，突出過程中煤體彈性應變能釋放主要來自于應力集中區(qū)和應力升高區(qū)，突出過程中越靠近工作面區(qū)域釋放的瓦斯膨脹能越大，在距離工作面較遠的原巖應力區(qū)，其釋放的膨脹能長期穩(wěn)定在較低水平。蔣力帥[7]等采用FLAC3D對煤巷掘進面的采動應力和破壞區(qū)分布特征進行模擬，認為煤巷掘進面前方存在應力分布區(qū)和滲透性分區(qū)現(xiàn)象，在卸壓區(qū)，煤體內垂直于巷道軸向的應力與距迎頭煤壁的水平距離近似呈線性關系，掘進面沿巷道軸向的水平應力及瓦斯壓力梯度越大，卸壓區(qū)越短，煤體強度越低，煤巷掘進面的突出危險性越高。胡千庭[8]等通過煤與瓦斯突出的發(fā)展過程分析，極限平衡區(qū)的失穩(wěn)破壞會導致煤巷掘進面的瓦斯彈性勢能、瓦斯內能和失穩(wěn)煤體本身具有重力勢能，會導致媒體應力三帶的不平衡變化。Paterson[9]提出了突出是在瓦斯壓力梯度作用下發(fā)生結構失穩(wěn)的觀點，齊黎明等[10]研究煤巷掘進過程的突出時指出，煤體的強度越低，暴露面前方的應力釋放區(qū)寬度越寬。何學秋等[11]人通過測定鉆孔的電磁輻射強度確定了煤巖卸壓區(qū)的寬度范圍。張九零等[12]運用現(xiàn)場統(tǒng)計方法，計算得到了掘進面前方卸壓區(qū)寬度；葉青等[13]采用RFPA模擬，反演了動力現(xiàn)象發(fā)生時的地質演化過程，得出了在動力現(xiàn)象前后掘進面前方煤體的地應力、瓦斯壓力及卸壓區(qū)寬度的變化規(guī)律。

雖然多數(shù)學者在卸壓區(qū)對防治煤與瓦斯突出防御能力方面的研究結論較為一致，對掘進面前方煤體應力三帶的應力動態(tài)變化特征及演化規(guī)律達成共識，但不難發(fā)現(xiàn)，先前學者多是對卸壓區(qū)寬度的定性描述或卸壓區(qū)寬度與瓦斯、應力的變化規(guī)律，對卸壓區(qū)寬度的影響因素及何種因素對卸壓區(qū)寬度更具控制作用的研究相對較少。基于此，本文開展卸壓區(qū)寬度影響因素的考察，并進行了現(xiàn)場驗證考察，對煤巷掘進工作面的防突機理和防治技術研究提供參考。

1 卸壓區(qū)應力分布規(guī)律

1.1 應力分布

采掘作業(yè)活動破壞了原始煤層的應力平衡狀態(tài)，使煤體中的應力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時間內，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應力(又稱支承應力)，當集中應力值達到煤體的強度極限后，該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應力向煤體深部轉移，經過一定時間后，形成卸壓區(qū)(應力松弛區(qū))、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)，如圖1所示，在這三個區(qū)中，煤體所受應力和變形性質各有差異。

圖1 工作面前方煤體中應力分布

由于集中應力(或支承壓力)的作用，使煤體邊緣首先被壓酥，形成裂隙，煤體強度顯著降低，只能承受低于原巖應力的載荷，稱之為卸壓區(qū)。由于煤體被壓酥，使集中應力的作用點向煤體深部轉移，稱之為集中應力區(qū)。從峰值應力再深向煤體，集中應力隨遠離煤壁而逐漸衰減，該階段煤體由于所受應力未達到屈服值，基本上處于彈性變形階段，為彈性變形區(qū)[12]。由于塑性區(qū)和卸壓區(qū)中的煤體經受了峰值應力的作用，超過了煤體的最大承受能力，煤體通常呈現(xiàn)破碎和疏松的狀態(tài)。在含瓦斯煤體中，極限狀態(tài)區(qū)煤體中的應力狀態(tài)、瓦斯量大小，尤其是卸壓區(qū)的長短及其承載能力，對煤與瓦斯動力現(xiàn)象有很大影響，集中應力區(qū)寬度大小與煤層開采深度、煤層采高和煤質軟硬有關，集中應力越大、煤層越厚和煤質越疏松，卸壓區(qū)寬度越大[13]。

1.2 研究意義

煤與瓦斯突出是瓦斯、地應力和煤的物理力學性質綜合作用的結果，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》中第一百零三條規(guī)定要求，煤巷掘進工作面執(zhí)行的防突措施必須保留至少5m安全屏障。即考慮到掘進工作面新鮮煤體被揭露后，煤層內儲存的彈性潛能、煤巖體覆巖應力及瓦斯內能均處于平衡態(tài)向非平衡態(tài)的動態(tài)演化過程，當工作面預留的安全屏障能夠克服非平衡態(tài)的峰值應力時，煤體的綜合應力將進一步的由非平衡應力狀態(tài)轉變化新的平衡狀態(tài)，轉化過程中，掘進面前方煤體所受的綜合應力將向工作面前方未揭露的深部煤體轉移。相反，當安全屏障不足以克服綜合應力峰值時，煤體塑性將進一步降低，裂縫產生并出現(xiàn)劈裂，煤體垮落等現(xiàn)象，最終在外部擾動應力的疊加下，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

相關學者研究均認為，掘進工作面煤體在平衡-動態(tài)演變-新的平衡過程中，煤體應力應變會形成原始空隙壓密階段、線彈性階段、彈塑性變形階段、破壞階段和破壞發(fā)展階段。原始空隙壓密階段即處于原始應力階段，在綜合應力作用下煤體的彈性變形處于極限狀態(tài)，新彈性階段即煤體所受應力小于極限應力后，煤體處于彈塑性變形的觸發(fā)狀態(tài)，裂隙開始產生，達到彈塑性變形階段后，裂隙開始大量產生，并在橫縱方向上相互貫通，煤體膨脹變形加劇，當膨脹變形達到煤體抗拉強度極限后，煤體即進入破壞階段和破壞發(fā)展階段。在破壞和破壞發(fā)展階段，煤體的滲透率大幅增長，瓦斯內能參與煤體膨脹變形。一般認為，當煤體所受的綜合應力達到峰值應力的0.95倍時，煤體裂隙、滲透率增長現(xiàn)象顯現(xiàn)，開始發(fā)生膨脹變形。卸壓區(qū)長度是煤體膨脹變形導致應力轉移最關鍵的參數(shù)，其組成了塑性極限應力帶的一部分，也為瓦斯抽采和鉆孔自然排放創(chuàng)造了條件。

2 卸壓區(qū)應力分布規(guī)律

依據(jù)文獻[1]和[5]中關于卸壓帶寬度的計算公式：

由式(1)可知，卸壓區(qū)寬度X0與煤層界面的摩擦因數(shù)f、煤體抗拉強度σt成反比，與煤層(或軟分層)的厚度m、煤巖的容重γ、側壓系數(shù)(最大水平應力和垂直主應力的比值)A0和煤層開采深度H值成正比。因此，對于煤層(或軟分層)厚度、開采深度一定的煤層，卸壓區(qū)寬度X0就取決于煤體抗拉強度σt和煤層界面摩擦因數(shù)σt，當σt、f值越小，則X0值越大；對于σt、γ和f值一定的煤層，則m、H值越大，X0值也越大。

2.1 鉆屑煤粉量實測

為了探究掘進面卸壓區(qū)的安全寬度，選取晉城礦區(qū)不同瓦斯等級類型的礦井進行現(xiàn)場實測。坪上礦和寺河礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3#煤，最大瓦斯含量13～15m3/t。岳城礦(主采3#煤)和寺河煤礦二號井(主采9#煤)為高瓦斯礦井，鳳凰山礦(主采15#煤)為低瓦斯礦井，將表1中相關參數(shù)代入式(1)進行計算，得到其理論計算值X02。同時，實測工作面煤體的鉆屑煤粉量，測定其鉆屑量的變化規(guī)律，進而分析實測的卸壓區(qū)寬度，見表1。

表1 掘進面煤體瓦斯相關參數(shù)表

鉆孔施工時的鉆屑煤粉量是煤體強度、煤體應力和煤中瓦斯壓力的綜合反應，對于同一鉆孔深度、鉆孔直徑的鉆孔而言，鉆屑煤粉量的變化間接反應了煤體應力的變化情況[20，21]。煤體在其他條件相同情況下，應力狀態(tài)不同時，鉆孔的煤粉量也不同，可以根據(jù)鉆孔煤粉量的變化來判斷煤巖體中的應力變化情況。通過向掘進面前方煤體打鉆孔，測定每米鉆孔的鉆屑煤粉量變化，得出實體煤體前方地應力變化規(guī)律，現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結果如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結果

通過表1中卸壓區(qū)寬度數(shù)值計算與實測的鉆屑煤粉量的變化對比，可以看出有三個明顯特點：①A直線為鉆孔鉆進5m位置時的鉆屑煤粉量突變點，此處的卸壓區(qū)寬度7.5m左右，為坪上礦和寺河礦兩個突出礦井的曲線變化，且與表1中的卸壓區(qū)寬度計算值相接近；②B直線處于A線和C線之間，為高瓦斯岳城煤礦的鉆屑煤粉量變化應力突變點，該突變點與表1中的卸壓區(qū)寬度計算值吻合度較高；③直線C為寺河煤礦二號井和鳳凰山礦兩個瓦斯含量均較低的礦井的瓦斯應力曲線突變點，也較好證明了應力變化和卸壓區(qū)寬度的對應關系。

2.2 鉆孔瓦斯流量實測

為了進一步驗證卸壓區(qū)寬度計算是否正確，依據(jù)文獻[24]中介紹的鉆孔瓦斯流量測定方法，推測工作面應力變化對鉆孔瓦斯流量的變化規(guī)律。與文獻[24]的采面鉆孔布置方式不同，采用底板巖巷穿層鉆孔布置方式，鉆孔間距和每組鉆孔距離均該文獻中參數(shù)相同，測定底板巖巷穿層鉆孔瓦斯流量與煤巷工作面推進距離的關系，鉆孔流量變化如圖3所示。

圖3 鉆孔抽采量與工作面推進距離關系

因礦井瓦斯治理實際，現(xiàn)場觀測實驗礦井僅在長平礦、成莊礦和寺河礦施工有底板巖巷穿層鉆孔抽采措施的礦井實施。長平礦選擇在5302底板巖巷進行了為期近5個月的穿層鉆孔流量觀測，觀測煤巷推進距離31m；寺河礦選擇在W23022底板巖巷進行了為期近8個月的跟蹤測試，觀測煤巷推進距離50m；成莊礦選擇在4321底板巷進行了為期近7個月的現(xiàn)場觀測，觀測煤巷推進距離55m。由圖3可以看出，鉆孔瓦斯流量變化規(guī)律基本保持較一致。瓦斯抽采隨煤巷推進距離的遠近基本可分為卸壓增透區(qū)、滲透系數(shù)降低區(qū)和滲透系數(shù)穩(wěn)定區(qū)。在滲透系數(shù)穩(wěn)定區(qū)，瓦斯流量基本保持在0.25～0.27m3/min，可以認為鉆孔瓦斯流量基本不受煤巷采動影響，處于原始應力區(qū)，其長度保持在煤巷前方大于40m的范圍；滲透系數(shù)降低區(qū)與穩(wěn)定區(qū)相比，鉆孔瓦斯流量降至0.12～0.17m3/min，降低幅度達到52%左右，可以判斷是由于受到煤巷掘進面前方集中應力影響的緣故，煤體受力集中導致瓦斯流動阻力增大，滲透率降低而導致鉆孔瓦斯流量明顯減小，其長度基本位于煤巷工作面前方15～40m范圍；卸壓增透區(qū)鉆孔瓦斯流量明顯增大，明顯是受到卸壓區(qū)應力降低而導致的媒體孔隙率增大，裂隙由閉合轉為開放狀態(tài)，煤體中瓦斯的吸附-解吸平衡被打破，大量游離瓦斯由導通的裂隙空間被鉆孔抽走，其范圍基本保持在0～15m范圍。

從理論計算和兩種實測方法的現(xiàn)場驗證，可以確定卸壓區(qū)寬度計算公式的正確性，為瓦斯抽放鉆孔封孔長度、工作面局部綜合防突措施有效執(zhí)行提供理論計算依據(jù)。為探究何種指標是卸壓區(qū)寬度的主控因素，進行有針對性的煤巖體儲層改造提供指導，還需對其影響因素進行分析。

3 卸壓區(qū)寬度主控因素分析

卸壓區(qū)寬度的影響因素主要與摩擦因數(shù)、煤體抗拉強度、煤層厚度、測壓系數(shù)和開采深度等因素有關，以表1中五個煤礦的掘進面煤體的實測參數(shù)為例進行分析，考察影響煤體卸壓區(qū)寬帶的主控影響因素。

3.1 灰色關聯(lián)模型的建立

以卸壓區(qū)寬度為母因素(Y0，參考序列)，其影響因素(摩擦因數(shù)、煤體抗拉強度、煤層厚度、測壓系數(shù)和開采深度)為子因素(Yi，比較序列)，以表1中各礦與煤巷掘進面煤體影響因素相關的參數(shù)為研究對象，考察其對卸壓區(qū)寬度的影響大小。

母因素的實測值為：

Y0={y0(1)，y0(2)，y0(3)，…，y0(n)}

(2)

子因素的觀測值為：

Yi={yi(1)，yi(2)，yi(3)，…，yi(n)}

(3)

主要包括原始數(shù)據(jù)的均質化處理、進行關聯(lián)系數(shù)的計算并求出綜合關聯(lián)度系數(shù)，進行不同影響因素的關聯(lián)相似性分析，確定出不同因素的影響程度。y0標準母序列為卸壓區(qū)寬度實測值，y1為摩擦因數(shù)，y2為煤體抗拉強度，y3為煤層平均厚度，y4側壓系數(shù)，y5為煤層開采深度。

3.2 灰色關聯(lián)系數(shù)的確定

鑒于以上影響因素指標值的量綱不統(tǒng)一，不便于比較或在比較時難以得到正確的結論，因此在灰色關聯(lián)度分析時，需要進行數(shù)據(jù)的無量綱化處理。數(shù)據(jù)的均值化處理：均值化是指用每個數(shù)據(jù)除以該列數(shù)據(jù)的平均值，得到一個占平均值百分比的新序列，在一定程度上減少數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，對原始數(shù)據(jù)表1采用均值化處理后各數(shù)列為：

Y0=(4.02，5.17，5.97，8.05，8.06)

Y1=(0.87，0.76，0.72，0.54，0.57)

Y2=(1.64，1.64，1.71，1.03，1.12)

Y3=(5.4，5.66，5.5，4.22，4.16)

Y4=(0.21，0.23，0.25，0.32，0.34)

Y5=(580，520，660，480，552)

均值化后：

Y0=(0.64，0.82，0.95，1.28，1.28)

Y1=(1.25，1.09，1.04，0.78，0.82)

Y2=(1.14，1.14，1.19，0.72，0.78)

Y3=(1.08，1.13，1.1，0.84，0.83)

Y4=(0.77，0.85，0.92，1.18，1.25)

Y5=(1.03，0.93，1.18，0.85，0.98)

3.3 灰色關聯(lián)度系數(shù)

采用式(4)進行數(shù)據(jù)序列關聯(lián)度系數(shù)的計算：

ξi(k)=

因為關聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻的關聯(lián)程度值，故它的數(shù)不止一個，而訊息過于分散不便于進行整體性比較。因此有必要將各個時刻(即曲線中的各點)的關聯(lián)系數(shù)集中為一個值，也就是求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關聯(lián)程度的數(shù)量表示，關聯(lián)度ri公式：

計算得到的關聯(lián)度為：γ1=0.5289，γ2=0.4721，γ3=0.5241，γ4=0.9197，γ5=0.5878。

4 卸壓區(qū)寬度主控因素

經關聯(lián)度比較得出，γ4>γ5>γ1>γ3>γ2，說明卸壓區(qū)瓦斯寬度與側壓系數(shù)最為密切，相比其他影響因素而言，關聯(lián)度數(shù)值最大；在煤層摩擦因素、煤層平均厚度和煤層埋藏深度關聯(lián)度較為接近，但相對而言，煤層埋藏深度關聯(lián)度最大，同時，分析結果表明，煤體抗拉強度對于卸壓區(qū)寬度而言，關聯(lián)度的密切程度最低。

在煤巷掘進過程中，要施工邊掘邊抽、短孔臨時抽放、水力沖孔或水力壓裂、松動爆破等局部性防突措施，其主要目的是降低煤體瓦斯壓力梯度和瓦斯含量，提高煤體強度，增大煤巷前方的卸壓區(qū)寬度，達到局部消突的目的。側壓系數(shù)在煤巷卸壓區(qū)寬度中為主要控制因素，通過施工外部荷載來增大煤體的破碎疏松程度，可有效增大卸壓區(qū)寬度，達到抵御煤與瓦斯突出及提高煤巷掘進進度的目的。

5 結 論

1)應用極限平衡原理，分析認為掘進工作面前方煤體的卸壓區(qū)寬度與煤層界面摩擦因數(shù)、煤體抗拉強度、煤層厚度、煤巖容重、側壓系數(shù)及煤層開采深度等多種因素相關。

2)通過測定掘進面煤體煤粉量大小隨深度的變化關系，確定卸壓區(qū)寬度的實測值，驗證了理論計算方法的正確性。同時也證明，不同等級類型的礦井，卸壓區(qū)寬度不同，突出礦井的卸壓區(qū)寬度最小，高瓦斯礦井次之，低瓦斯礦井的煤巷卸壓區(qū)寬度最大。

3)采用灰色關聯(lián)度分析法對卸壓區(qū)寬度影響因子進行了定量考察，確定了煤體側壓系數(shù)與卸壓區(qū)寬度范圍關聯(lián)度最為密切，是影響卸壓區(qū)寬度的關鍵因素。為工作面突出防治使用水力壓裂等增透措施借以提高煤體的側壓系數(shù)提高理論參考，為針對性開展工作面增透措施提高瓦斯抽采效率提供方向性指導。