沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機(jī)制及控制

張 鋒，馬智勇

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來，隨著采深和開采強(qiáng)度的不斷增大，地應(yīng)力、瓦斯含量、瓦斯涌出量不斷增高，沖擊地壓引起的采面或采空區(qū)瓦斯異常涌出時有發(fā)生[1-2]。2005年遼寧阜新孫家灣煤礦“2·14”沖擊地壓引發(fā)瓦斯大量涌出，發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故(死亡214人)；義馬千秋煤礦2011年11月3日和2014年3月27日發(fā)生沖擊地壓事故后，瓦斯?jié)舛确謩e達(dá)到了5%和 9%[3]。沖擊地壓造成瓦斯異常涌出，甚至瓦斯或煤塵爆炸等二次災(zāi)害，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。因此，研究沖擊地壓影響下瓦斯異常涌出問題，對于礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。礦井進(jìn)入深部開采后，國內(nèi)外學(xué)者已開始對沖擊地壓引起的瓦斯問題進(jìn)行研究：謝和平等[3-4]通過研究開采擾動與回采工作面、掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量之間的關(guān)系，得出了不同能量的震動下瓦斯涌出量的變化規(guī)律以及其影響區(qū)域的瓦斯?jié)舛?；王濤等[5]對沖擊地壓和瓦斯的相關(guān)性進(jìn)行了探討；K.Ogieglo等[6]研究了礦震和瓦斯突出的內(nèi)在關(guān)系。

目前，諸多學(xué)者已針對該問題開展了大量的研究，尹光志等[7-8]分別開展了不同卸圍壓速度、型煤與原煤全應(yīng)力—應(yīng)變過程與瓦斯?jié)B透特性之間關(guān)聯(lián)的研究；李鐵等[9]進(jìn)行不同溫度條件下的含瓦斯原煤滲流實(shí)驗，建立了受載含瓦斯煤滲透性與溫度和軸向應(yīng)變的定性定量關(guān)系；許江等[2]分別開展了基于加卸載速度影響下的含瓦斯煤力學(xué)及滲透特性實(shí)驗、加(卸)載下原煤力學(xué)及滲透特性的實(shí)驗研究；李波等[10]進(jìn)行了分級加—卸載與復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)及滲透屬性演化規(guī)律的研究。

上述研究主要是對沖擊地壓和瓦斯災(zāi)害的相關(guān)性進(jìn)行解釋，對沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機(jī)制研究較少，且沒有形成沖擊地壓采面瓦斯異常涌出評價方法和防治體系。筆者在對沖擊地壓及瓦斯異常涌出誘發(fā)因素進(jìn)行統(tǒng)計和分析的基礎(chǔ)上，探討了沖擊地壓影響下瓦斯異常涌出的發(fā)生機(jī)制、控制技術(shù)與評價方法，并應(yīng)用于實(shí)踐，以期為類似條件下瓦斯災(zāi)害治理提供借鑒。

1 沖擊地壓采面瓦斯異常涌出影響因素

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和報道，統(tǒng)計分析了沖擊地壓采面瓦斯異常涌出誘發(fā)因素，大致可分為2類：內(nèi)部因素和外部因素。其中，內(nèi)部因素為煤(巖)層本身具有的儲能性質(zhì)和煤層瓦斯賦存，主要包括煤(巖)沖擊傾向性、瓦斯含量(壓力)、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、頂板結(jié)構(gòu)等；外部因素為外部環(huán)境誘發(fā)的沖擊地壓和瓦斯異常涌出，主要包括開采條件、開采強(qiáng)度、外界動力觸發(fā)等。

(1)煤(巖)固有的沖擊屬性。煤(巖)固有的沖擊屬性為沖擊傾向性，堅硬煤(巖)、高強(qiáng)度、高線彈性、高脆性等因素的有機(jī)組合[6]。沖擊地壓采面瓦斯涌出異常的門檻將會降低，在沖擊動力下誘導(dǎo)發(fā)生。

(2)瓦斯含量(壓力)。高瓦斯含量是瓦斯異常涌出的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外，研究表明，解吸膨脹能量與瓦斯吸附壓力有關(guān)[7]，存在高瓦斯壓力在沖擊地壓孕育過程中起一定助推作用的可能。因此，高瓦斯壓力也是沖擊地壓采面瓦斯涌出異常的一個動力條件。

(3)開采深度。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力不斷增高，煤(巖)體積聚的彈性能不斷增加；同時，煤層瓦斯含量不斷增大，煤層和圍巖的透氣性降低，開采煤層瓦斯得不到有效的預(yù)抽放。因此，開采深度為沖擊地壓伴生瓦斯異常涌出的本質(zhì)因素。

(4)堅硬頂板。回采過程中，頂板難以自行垮落，采場周圍易形成高應(yīng)力場，存在沖擊地壓潛在威脅；工作面后方，由于頂板垮落不及時或者垮落不完全，形成了較大的瓦斯儲存空間，采空區(qū)漏風(fēng)，上隅角瓦斯易積聚；或者頂板突然垮落，采空區(qū)大量瓦斯將被壓出，給采場及工作面巷道造成威脅。

(5)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造影響因素有斷層、褶曲等。地質(zhì)構(gòu)造帶煤(巖)層應(yīng)力集中，煤體易破碎，易儲存瓦斯或不利于瓦斯的釋放，瓦斯含量相對較高。

(6)開采技術(shù)條件。開采技術(shù)條件也是沖擊地壓伴生瓦斯異常涌出的一個重要因素。開采強(qiáng)度越高，沖擊危險性越大，伴生瓦斯異常涌出的可能性就越大；另外，采掘面布置、頂板控制方式、煤柱留設(shè)、開采速度、采高等也會對沖擊地壓伴生瓦斯涌出異常產(chǎn)生影響。

2 沖擊地壓采面瓦斯涌出發(fā)生機(jī)制

瓦斯災(zāi)害事故發(fā)生的必要條件是瓦斯涌出量大、瓦斯涌出異常。沖擊地壓煤層開采過程中，采場周圍尤其工作面前方煤(巖)體受到自重應(yīng)力、采動應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力等影響[8]，存在高應(yīng)力區(qū)，煤(巖)體滲透率低，并積聚大量彈性變形能，瓦斯不能得到有效的釋放。當(dāng)煤(巖)體受載超過強(qiáng)度極限，煤(巖)體積聚彈性能突然釋放，引發(fā)沖擊地壓，煤體卸壓帶向煤層深部轉(zhuǎn)移。沖擊地壓表現(xiàn)形式有煤炮、煤層震動、煤層移位、片幫、冒頂、巷道整體失穩(wěn)等[9-10]。尤其沖擊地壓引起的巷道整體失穩(wěn)，煤(巖)體產(chǎn)生大量的裂隙，極大地提高了煤(巖)體滲透率，形成大范圍瓦斯運(yùn)移的通道，煤(巖)體破壞使得煤的溫度升高。煤(巖)體裂隙場、應(yīng)力場、溫度場的這一變化使得大量吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化，瓦斯釋放量驟然增多。在瓦斯孔隙壓力(梯度)和瓦斯?jié)舛?梯度)的綜合作用下，煤體內(nèi)瓦斯的解吸、擴(kuò)散和滲流同時進(jìn)行，短時間內(nèi)大量涌入工作面，造成工作面瓦斯異常。工作面后方長距離厚硬頂板突然垮落，采空區(qū)頂板處于鉸接狀態(tài)的砌體結(jié)構(gòu)急劇回轉(zhuǎn)、下沉，頂板巖塊與采空區(qū)遺煤及矸石發(fā)生完全非彈性碰撞，造成采空區(qū)瓦斯貯存空間驟然減小，并形成壓風(fēng)效應(yīng)，大量采空區(qū)殘存瓦斯涌向工作面，造成工作面瓦斯異常涌出。沖擊地壓煤層瓦斯災(zāi)害發(fā)生機(jī)制如圖1所示。

圖1 沖擊地壓煤層瓦斯災(zāi)害發(fā)生機(jī)制示意Fig.1 Schematic diagram of the occurrence mechanism of gas disasters in rockburst coal seams

3 沖擊地壓采面瓦斯涌出異常區(qū)分區(qū)

沖擊地壓危險性評價，就是結(jié)合工作面地質(zhì)條件及開采條件，評價沖擊危險性，劃定工作面各級沖擊危險區(qū)。地質(zhì)條件主要包括頂板巖層特征、構(gòu)造等；開采條件主要包括采高、煤厚、煤柱留設(shè)、工作面與周邊采空區(qū)關(guān)系帶等。評價方法主要有綜合指數(shù)法、多因素耦合法等。

沖擊地壓采面瓦斯異常區(qū)域分區(qū)，主要依據(jù)煤層瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造及煤層厚度變化等條件進(jìn)行超前判識。而沖擊地壓煤層瓦斯異常區(qū)判識指標(biāo)及臨界值確定成為劃定異常區(qū)的關(guān)鍵。研究表明，工作面推進(jìn)度及微震事件的能量大小與工作面瓦斯涌出量有較為明顯的線性關(guān)系。因此，可建立基于微震能量E及推進(jìn)度L為關(guān)鍵參數(shù)的瓦斯涌出量預(yù)測模型。通過確定沖擊地壓發(fā)生微震大小臨界值及最大推進(jìn)度，反演計算瓦斯含量，以瓦斯含量作為沖擊地壓煤層瓦斯涌出異常區(qū)域的主要劃分指標(biāo)。

具體步驟：①利用綜合指數(shù)法，判定工作面回采區(qū)域的沖擊危險等級；②結(jié)合工作面的地質(zhì)及開采因素，對工作面沖擊危險區(qū)域進(jìn)行分區(qū)；③確定沖擊地壓危險微震臨界指標(biāo)；④測定工作面瓦斯含量，摸清工作面瓦斯賦存；⑤建立基于微震能量E與推進(jìn)度L為關(guān)鍵參數(shù)的瓦斯涌出量預(yù)測模型；⑥確定沖擊地壓煤層瓦斯異常區(qū)臨界指標(biāo)及臨界值；⑦劃定沖擊地壓煤層工作面瓦斯異常涌出危險區(qū)。具體流程如圖2所示。

圖2 沖擊地壓煤層工作面瓦斯異常區(qū)超前判識流程Fig.2 Flow chart of advance identification of gas anomaly zone in coal face with rock burst

4 沖擊地壓采面瓦斯異常防治技術(shù)

沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出的防治原則是“改變煤(巖)物理力學(xué)性質(zhì)，削減煤(巖)應(yīng)力集中，破壞煤(巖)強(qiáng)度條件，降低煤層瓦斯含量，提高巷道承載能力”，防治技術(shù)主要有以下6類。

(1)大直徑鉆孔煤體超前卸壓。利用大直徑鉆孔卸壓，增大了煤層暴露面積，鉆孔周圍裂隙延伸擴(kuò)大，增加了煤層透氣性的同時，改變了煤(巖)應(yīng)力狀態(tài)，削減了煤(巖)的應(yīng)力集中，有利于沖擊地壓與瓦斯的協(xié)同防治。

(2)預(yù)裂爆破頂板超前弱化。堅硬頂板預(yù)裂是沖擊地壓預(yù)防的一項重要手段，提前對頂板進(jìn)行弱化處理，破壞其整體性，增加頂板充填的垮落高度，減小懸頂步距，消除或減緩沖擊地壓威脅；同時，采取合理方式對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，降低或避免頂板型沖擊地壓及采空區(qū)瓦斯異常涌出的危險。

(3)煤層注水。當(dāng)采面貫通后，在其周圍打鉆注水，煤層注水后，改變煤的力學(xué)性質(zhì)，降低了煤的彈性能，使煤層應(yīng)力重新分布，并減少瓦斯放散初速度。既可降低采面沖擊危險，又可減少沖擊地壓后瓦斯涌出量。

(4)深孔預(yù)裂爆破。深孔爆破不僅對高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行有效卸壓，同時對煤體進(jìn)行增透，提高瓦斯抽采效率；同時，卸壓爆破增加了煤體的裂隙數(shù)量和長度，提高透氣性，瓦斯的有效流動和排放，使瓦斯壓力梯度降低，從而達(dá)到降低沖擊危險性和瓦斯涌出強(qiáng)度的目的。

(5)強(qiáng)化瓦斯抽采。沖擊地壓采面，采前要對回采區(qū)域煤層進(jìn)行預(yù)抽，盡可能降低煤層瓦斯含量；回采期間要對采空區(qū)、頂板斷裂帶、采面巷道高冒區(qū)強(qiáng)化抽采。

(6)巷道超前支護(hù)。對于受沖擊載荷影響采面，應(yīng)在工作面超前段及高應(yīng)力區(qū)域安裝高強(qiáng)度可伸縮支柱或支架進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，加大巷道承載能力，防止因巷道整體失穩(wěn)造成瓦斯大量涌出。

5 應(yīng)用案例

神新公司寬溝煤礦為多煤層開采，I010202工作面位于一采區(qū)東翼B2煤層中，工作面布置4條巷道，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、工藝巷及泄水巷，工作面走向長度為1 642 m，傾斜長度200 m。無明顯構(gòu)造。工作面上部為B4煤層I010406和I010408采空區(qū)；下部為實(shí)體煤層。

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，并結(jié)合本評價及分區(qū)方法，將I010202工作面劃分3個瓦斯異常區(qū)，即：工作面前485 m；585～885 m；1 185～1 385 m。I010202工作面瓦斯異常區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 I010202工作面瓦斯異常區(qū)域劃分示意Fig.3 Schematic diagram of the division of abnormal gas area in I010202 working face

工作面回采前，對工作面整個回采區(qū)域?qū)嵤┿@孔卸壓、工作面煤層大面積預(yù)抽，以此降低煤體應(yīng)力集中程度和煤層瓦斯含量。利用鉆屑法或應(yīng)力監(jiān)測法判斷煤體應(yīng)力是否異常，若異常，繼續(xù)進(jìn)行鉆孔卸壓或爆破卸壓；對煤層實(shí)施大面積預(yù)抽后，要對工作面煤層進(jìn)行瓦斯含量測定，確保抽采達(dá)標(biāo)。若抽采未達(dá)標(biāo)，應(yīng)繼續(xù)抽采或采取工作面煤層增透措施。

工作面回采期間，煤層堅硬頂板實(shí)施爆破預(yù)裂弱化頂板，避免大面積懸頂造成采場周圍應(yīng)力積聚，并縮小工作面后方瓦斯儲存空間；利用分源瓦斯治理方法，實(shí)施高位鉆孔并結(jié)合回風(fēng)隅角插(埋)管的方式抽采采空區(qū)瓦斯。工作面回采過程中，雖然發(fā)生煤層震動，但未發(fā)生巷道失穩(wěn)，瓦斯無超限和涌出異常情況。

6 結(jié)論

(1)沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機(jī)制是煤(巖)層沖擊或震動，造成應(yīng)力集中區(qū)域突然卸壓，裂隙擴(kuò)展，大量卸壓瓦斯解吸擴(kuò)散并涌向采場，工作面后方采空區(qū)隨著頂板斷裂，瓦斯被突然壓出，造成瓦斯涌出異常。

(2)提出了沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出的防治原則是“改變煤(巖)物理力學(xué)性質(zhì)，削減煤(巖)應(yīng)力集中，破壞煤(巖)強(qiáng)度條件，降低煤層瓦斯含量，提高巷道承載能力”；相應(yīng)的防治技術(shù)為鉆孔卸壓、頂板預(yù)裂爆破、煤層注水、深孔爆破、瓦斯抽采、強(qiáng)化支護(hù)。