煤與瓦斯的突出場(chǎng)研究及應(yīng)用實(shí)踐

穆 敏

（桐梓縣應(yīng)急管理局）

煤與瓦斯突出的地域性很強(qiáng)，不同區(qū)域突出的強(qiáng)度和危險(xiǎn)性各不相同。貴州煤炭?jī)?chǔ)量豐厚，瓦斯地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，煤層瓦斯含量高，區(qū)域煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性較其他省份偏高。突出的影響因素在實(shí)際生產(chǎn)中較多，突出有其自身的特殊性，引起突出發(fā)生的具體原因也不盡相同［1-2］。突出的主導(dǎo)因素隨著采掘活動(dòng)的變化而改變。研究認(rèn)為，煤與瓦斯突出的影響因素中瓦斯壓力、瓦斯含量作用較突出［3-4］，而煤與瓦斯突出不僅具有區(qū)域性，而且具有差異性，存在煤與瓦斯“突出場(chǎng)”。為此，分析研究煤與瓦斯的突出機(jī)理及“突出場(chǎng)”影響因素的構(gòu)成等，對(duì)提高煤礦瓦斯的防治能力及瓦斯災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警水平意義重大。

1 煤與瓦斯突出機(jī)理

瓦斯災(zāi)害中突出占很大比例，主要由地應(yīng)力和瓦斯壓力要素構(gòu)成，而煤體抵抗破壞的能力是阻礙突出的因素，研究地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性能對(duì)進(jìn)一步提高防治煤與瓦斯突出的綜合能力，做好煤礦安全監(jiān)管工作具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

（1）地應(yīng)力。地應(yīng)力指煤體受到的地層應(yīng)力。由于煤體中瓦斯使煤體產(chǎn)生膨脹變形而產(chǎn)生附加的應(yīng)力，地應(yīng)力隨著瓦斯釋放逐漸下降，煤與瓦斯突出動(dòng)力從而得以減弱。

（2）瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力是瓦斯分子熱運(yùn)動(dòng)撞擊產(chǎn)生的作用力表現(xiàn)，煤層透氣性系數(shù)與瓦斯壓力大小成反比。研究認(rèn)為，地應(yīng)力在突出過程中的作用主要是破碎煤體，煤層瓦斯才是突出的主要?jiǎng)恿碓矗?］。

（3）煤的物理力學(xué)性質(zhì)［5］。地應(yīng)力和瓦斯壓力能夠從軟煤分層開始破壞煤體，從而引發(fā)突出，而阻礙煤體被破壞是煤體的力學(xué)性決定的，瓦斯含量越大，煤體的強(qiáng)度越低。

2 煤與瓦斯“突出場(chǎng)”影響因素

“突出場(chǎng)”模型構(gòu)建是依據(jù)煤層突出危險(xiǎn)性大小而提出的，即在煤礦井下一定的采掘條件下，采場(chǎng)周圍區(qū)域發(fā)生煤與瓦斯突出及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象可能性大小的集合，反映了有無煤與瓦斯突出性和突出危險(xiǎn)性的大小。瓦斯、煤體性質(zhì)、地質(zhì)作用和采掘擾動(dòng)等相互作用的復(fù)雜物理現(xiàn)象引發(fā)煤與瓦斯突出［6-8］，此處對(duì)應(yīng)為“瓦斯場(chǎng)”、“煤體特征場(chǎng)”、“地質(zhì)作用場(chǎng)”和“擾動(dòng)場(chǎng)”，為一級(jí)影響因素場(chǎng)。瓦斯動(dòng)力由瓦斯場(chǎng)表征，由煤層瓦斯壓力和瓦斯含量、瓦斯放散初速度等因素構(gòu)成；煤體抵抗突出本能由煤體特征場(chǎng)表征，包括煤的堅(jiān)固性系數(shù)、透氣性等；地應(yīng)力由地質(zhì)作用場(chǎng)表征，主要包括煤體產(chǎn)狀和構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力等；擾動(dòng)場(chǎng)影響因素有采掘活動(dòng)、大地運(yùn)動(dòng)等，主要是擾動(dòng)觸發(fā)突出發(fā)生，為“突出場(chǎng)”次級(jí)因素。

3 煤與瓦斯“突出場(chǎng)”模型構(gòu)建

煤層突出危險(xiǎn)性的強(qiáng)度取決于瓦斯場(chǎng)、煤體特征場(chǎng)、地質(zhì)作用場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)之間的相互耦合，可按下式進(jìn)行表達(dá)，“突出場(chǎng)”隨著瓦斯場(chǎng)、地質(zhì)作用場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)增大和煤體特征場(chǎng)減少而變大。

式中，Tm為“突出場(chǎng)”內(nèi)某點(diǎn)突出危險(xiǎn)性大??；Wm為瓦斯場(chǎng)；Mm為煤體特征場(chǎng)；Dm為地質(zhì)作用場(chǎng)；Rm為擾動(dòng)場(chǎng)。

瓦斯場(chǎng)為瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯放散初速度相互耦合，瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯放散初速度越大，瓦斯場(chǎng)越大；煤體特征場(chǎng)由煤體堅(jiān)固性系數(shù)和煤層透氣性系數(shù)相互作用影響，與兩者關(guān)系成正比；地質(zhì)作用場(chǎng)受煤層傾角、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力和地應(yīng)力因素影響，煤層傾角越大，構(gòu)造應(yīng)力和地應(yīng)力越強(qiáng)，地質(zhì)作用場(chǎng)越大；而擾動(dòng)場(chǎng)與井下區(qū)域內(nèi)采掘具體工藝方式、天地運(yùn)動(dòng)以及其他干擾因素息息相關(guān)。

4 煤與瓦斯“突出場(chǎng)”模型的實(shí)踐應(yīng)用

為驗(yàn)證上述所構(gòu)建模型的科學(xué)性，將構(gòu)建的煤與瓦斯“突出場(chǎng)”的模型在同德煤礦進(jìn)行了初步實(shí)踐。同德煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15 萬t/a，煤與瓦斯突出礦井水文地質(zhì)類型中等，可采煤層有C6、C5 和C1，平均厚度分別為1.7，1.5，1.4 m，煤層平均傾角35°，三層煤自燃傾向性為不易自燃，均無爆炸性，C6 與C5 煤層間距8 m，C5與C1煤層間距45 m。

C6 煤層經(jīng)鑒定具有煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性，實(shí)踐區(qū)域?yàn)?0602工作面，傾向長105 m，走向長215 m。當(dāng)回采至65 m 時(shí)，經(jīng)鉆孔探測(cè)正前方遇地質(zhì)構(gòu)造（正斷層），測(cè)定瓦斯壓力為0.24 MPa，瓦斯含量3.1 m3/t，采取鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)得出K1值為0.3 mL（/g·min1/2），鉆屑量S值為3.2 kg/m，較以往平均值偏高，煤層突出危險(xiǎn)性（突出場(chǎng)）變大；當(dāng)工作面推進(jìn)15 m 后，測(cè)定瓦斯壓力為0.14 MPa，瓦斯含量2.5 m3/t，采取鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)得出K1值為0.1 mL（/g.min1/2），鉆屑量S值為2.3 kg/m，回歸日常平均值，煤層突出危險(xiǎn)性（突出場(chǎng)）較小；結(jié)果表明，該工作面局部區(qū)域在煤體堅(jiān)固性的系數(shù)和透氣性系數(shù)相同的情況下，瓦斯壓力、瓦斯含量越大，則煤層突出危險(xiǎn)性（突出場(chǎng)）越大。

5 結(jié)語

該研究結(jié)果說明，煤層突出危險(xiǎn)性的可能性和強(qiáng)度取決于瓦斯場(chǎng)、煤體特征場(chǎng)、地質(zhì)作用場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)之間的相互耦合，但由于煤與瓦斯突出的機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，不同區(qū)域煤與瓦斯突出的影響因素不盡相同，很難用一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系來計(jì)算所有煤與瓦斯“突出場(chǎng)”的大小。所以，不同地區(qū)、不同礦井煤與瓦斯“突出場(chǎng)”關(guān)系式的確立應(yīng)依據(jù)實(shí)際影響因素間的作用進(jìn)行具體完善，這樣才能確保利用“突出場(chǎng)”模型更好地指導(dǎo)煤與瓦斯突出的防治工作。