桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出問題研究

劉 帥，李曉斌

(延長(zhǎng)石油礦業(yè)有限公司巴拉素煤業(yè)公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

韓城礦區(qū)是陜西乃至全國瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重的礦區(qū)之一，曾發(fā)生過有記載的煤與瓦斯突出和突水及老空區(qū)透水事故150余次，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。礦區(qū)骨干生產(chǎn)礦井桑樹坪煤礦開采煤層均具有突出危險(xiǎn)，其中主采3號(hào)煤層透氣性低，系嚴(yán)重中厚突出煤層，突出次數(shù)占礦區(qū)總突出次數(shù)的70%以上，發(fā)生過各種類型的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，包括煤與瓦斯突出、壓出、傾出及瓦斯噴出等動(dòng)力現(xiàn)象，甚至發(fā)生過特大型煤與瓦斯突出事故。4321工作面是礦井首次綜采放頂煤開采嚴(yán)重突出的3號(hào)煤層，在4321采煤工作面服務(wù)巷道的掘進(jìn)過程中，區(qū)域臨界指標(biāo)一降再降，仍然發(fā)生突出以及突出預(yù)兆的動(dòng)力現(xiàn)象，因此需要確定4321動(dòng)力現(xiàn)象的類型，為其瓦斯治理找到方向，從而保證礦井的生產(chǎn)掘進(jìn)在瓦斯動(dòng)力方面的安全。

近年來隨著礦井開采深度越來越大，復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害也越發(fā)頻繁，單純的瓦斯或者沖擊地壓治理已不能解決現(xiàn)有的復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害。因此，眾多學(xué)者在復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害方面也做了大量研究。潘一山[1]研究了煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的統(tǒng)一機(jī)理，建立了統(tǒng)一失穩(wěn)判別準(zhǔn)則，并將復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害劃分為4種類型，為復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的治理提供了方向。章夢(mèng)濤等[2]提出沖擊地壓、煤與瓦斯突出統(tǒng)一失穩(wěn)理論，采用失穩(wěn)的能量判據(jù)作為沖擊地壓和突出的統(tǒng)一判據(jù)。尹永明等[3]將沖擊性煤與瓦斯突出分成了4個(gè)階段，推導(dǎo)了沖擊型煤與瓦斯突出能量準(zhǔn)則，根據(jù)沖擊載體的不同，沖擊型煤與瓦斯突出分為頂板沖擊型突出、底板沖擊型突出和煤層沖擊型突出3 類，并分別進(jìn)行了力學(xué)分析，對(duì)沖擊型煤與瓦斯突出“力源”進(jìn)行分析，闡明了發(fā)生沖擊型煤與瓦斯突出的必要條件。LI Z H等[4]研究了金屬開采對(duì)斷層面應(yīng)力和滑動(dòng)位移的影響。單麒源等[5]通過對(duì)沖擊地壓與瓦斯之間的相互關(guān)系進(jìn)行研究，分析了沖擊地壓與瓦斯之間的相互影響作用關(guān)系，總結(jié)了沖擊地壓與瓦斯的作用機(jī)理和過程，并提出沖擊地壓與瓦斯突出的防治方法。

1 沖擊地壓和瓦斯突出的轉(zhuǎn)化機(jī)制

煤礦井下巷道頂?shù)装寮皟蓭驮谑艿礁鞣矫孀饔煤螽a(chǎn)生變形，致使其內(nèi)部裂隙發(fā)育。當(dāng)煤巖體承受的作用力超過其所能承受的峰值強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生塑性破壞，從而形成塑性變形區(qū)，致使巷道內(nèi)煤巖體的承載能力急劇下降，此時(shí)煤巖體內(nèi)的高應(yīng)力會(huì)將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)巷道周圍的彈性變形區(qū)，使彈性變形區(qū)內(nèi)積聚大量的彈性能；巷道周圍的煤巖體發(fā)生破壞，內(nèi)部孔隙的吸附瓦斯、裂隙以及壓力狀態(tài)都會(huì)向容易發(fā)生突出的一邊變化，而隨著各個(gè)影響因素的變化，煤體的透氣性變得越來越差，從而致使游離高壓瓦斯大量積聚，使其具有很高的膨脹能，但同時(shí)周圍煤巖體給其施加有阻力，此時(shí)巷道內(nèi)煤巖體達(dá)到平衡狀態(tài)，為沖擊型煤與瓦斯突出做好準(zhǔn)備。

準(zhǔn)備階段完成后，巷道內(nèi)煤巖體處于極限平衡狀態(tài)，在采掘活動(dòng)進(jìn)行時(shí)極限平衡狀態(tài)被打破，彈性變形區(qū)內(nèi)積聚的能量被釋放，即發(fā)生沖擊地壓。而沖擊地壓所釋放的彈性能中部分會(huì)以動(dòng)能的形式使煤體中局部吸附的瓦斯解析膨脹，高壓瓦斯集聚區(qū)的瓦斯膨脹能增大[5]。與此同時(shí)，采掘活動(dòng)的進(jìn)行致使煤巖體內(nèi)大量積聚的瓦斯的阻力減小，當(dāng)積聚的瓦斯突破煤巖體的約束而推動(dòng)煤體拋出時(shí)，就發(fā)生了沖擊型煤與瓦斯突出。

2 沖擊型煤與瓦斯突出的條件

2.1 沖擊型煤與瓦斯突出的條件一

設(shè)煤巖體中儲(chǔ)存彈性能為E1，儲(chǔ)存的能量在傳遞過程中對(duì)煤巖體中裂隙以及其他因素做功必然有所消耗，設(shè)消耗的能量為E2，當(dāng)傳遞后的能量足夠破壞巷道煤巖體時(shí)，被損傷弱化的煤巖體就會(huì)向自由空間拋出，設(shè)拋出的煤巖體動(dòng)能為E3，則沖擊型煤與瓦斯突出在發(fā)生突出時(shí)的能量準(zhǔn)則為[3]

E3=E1-E2>0

(1)

設(shè)煤巖體在原巖應(yīng)力場(chǎng)中積聚彈性能E4，開采等外界擾動(dòng)源傳播到?jīng)_擊危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)的能量為E5，巷道內(nèi)高壓瓦斯積聚的能量為E6得

E1=E4+E5+E6

(2)

將式(2)代入式(1)，得到?jīng)_擊型煤與瓦斯突出在發(fā)生突出時(shí)的能量準(zhǔn)則為

E4+E5+E6-E2>0

(3)

而巷道單位長(zhǎng)度內(nèi)所積聚的彈性能可表示為[6]

E=Syεy+Smεm

(4)

式中，E為巷道影響范圍內(nèi)圍巖積聚的能量，kJ；Sy為巷道影響范圍內(nèi)巖體面積，m2；Sm為巷道影響范圍內(nèi)煤體面積，m2；εy為巖體的能量密度,J/m3；εm為煤體的能量密度,J/m3。

則當(dāng)煤層厚度為m時(shí)，單位長(zhǎng)度巷道圍巖積聚能量為

E7=Syεy+Smεm

(5)

從而可知式(3)中E4即為式(5)中E7。

又可知煤與瓦斯突出時(shí)瓦斯的膨脹能可表示為[7]

(6)

式中，β為煤巖體孔隙率，常數(shù)；P為孔隙壓力，Pa；P0為大氣壓力，Pa；λ為解析吸附單位體積瓦斯氣體時(shí)所釋放的氣體內(nèi)能(等溫條件下)，J；B為初始瓦斯含量，1；n為Airey常數(shù)，通常取0.5；D為瓦斯在煤層中的擴(kuò)散系數(shù)，常數(shù)；T為突出周期，h；d為煤顆粒平均直徑，m。

從而可知式(2)中E6則為式(6)中的W。

由此可得沖擊型煤與瓦斯突出在發(fā)生突出時(shí)的能量準(zhǔn)則為

E7+E5+W-E2>0

(7)

此能量方程可作為沖擊型煤與瓦斯突出發(fā)生的第1個(gè)條件。

2.2 沖擊型煤與瓦斯突出的條件二

條件一的能量方程并不能確定突出為沖擊型煤與瓦斯突出，由此還需建立沖擊型煤與瓦斯突出的條件方程組。

在突出發(fā)生時(shí)，巷道圍巖積聚的能量和瓦斯的膨脹能都會(huì)參與，而參與能量的大小決定了突出發(fā)生的類型，當(dāng)參與破壞的巷道圍巖積聚能量和瓦斯膨脹能的比值大于1時(shí)，才是地應(yīng)力主導(dǎo)型突出，由此我們可以得到方程組所需的另外一個(gè)方程

(8)

以上2個(gè)條件，可作為地應(yīng)力主導(dǎo)型突出的條件方程組，即

(9)

式(9)在能量方面全面的限制了突出的發(fā)生類型，既保證了突出的發(fā)生，又將突出型沖擊地壓排除在外。因此，在采掘過程中，一旦滿足上述條件而發(fā)生的突出，必然是地應(yīng)力為主導(dǎo)的突出。

3 4321工作面地應(yīng)力主導(dǎo)突出論證

鉆屑指標(biāo)法是突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法之一，其指標(biāo)包括鉆屑量S和鉆屑解吸值q。由于這2個(gè)指標(biāo)能全面地反映工作面的突出危險(xiǎn)性，因此，被廣泛地運(yùn)用于突出煤層采掘工作面預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[8]。該方法是在工作面用8～10 m的麻花釬桿向煤層打φ42 mm的鉆孔，根據(jù)鉆孔過程中每米排出鉆屑量的多少以及排出鉆屑的瓦斯解吸指標(biāo)的大小預(yù)測(cè)工作面前方鉆孔范圍內(nèi)的突出危險(xiǎn)性[9-12]。其操作簡(jiǎn)單，成本低，并且其取的數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)突出和沖擊地壓都很有意義。表1、2為4321開采服務(wù)的3條巷道8個(gè)月預(yù)測(cè)孔的最大鉆屑量Smax以及鉆屑瓦斯解析指標(biāo)q在鉆孔施工到10 m時(shí)的統(tǒng)計(jì)。

表1 3條巷道最大鉆屑量Smax數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the maximum drilling cuttings Smax in three roadways

由表1、2可知，3條巷道8個(gè)月的鉆孔施工過程中，共有5次動(dòng)力現(xiàn)象，其中共有4次突出預(yù)兆，1次突出。

由表1可以看出，5次動(dòng)力現(xiàn)象皆發(fā)生在Smax大于4 kg/m的范圍。就整體而言，雖然鉆屑量沒有超過國家《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》76條[12]的6 kg/m，但是鉆屑量還是很大。4321采面的煤整體松軟，破壞類型以Ⅳ～Ⅴ類為主。由此我們可知4321采面地應(yīng)力較大。

由表2可知，在166次的預(yù)測(cè)中，有動(dòng)力現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的q值的范圍非常大。4321上運(yùn)順其中的一次動(dòng)力現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的q值僅為0.4。由此可以基本斷定，對(duì)5次動(dòng)力現(xiàn)象起主導(dǎo)作用的不是瓦斯含量。

表2 3條巷道鉆屑瓦斯解析指標(biāo)q數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of gas analytical index q of drilling cuttings in three roadways

4 結(jié)論

(1)4321工作面服務(wù)的2條巷道動(dòng)力現(xiàn)象為地應(yīng)力主導(dǎo)，在治理瓦斯時(shí)要注意不能單一的治理瓦斯或者沖擊地壓，要兩方面兼顧。

(2)在4321采掘過程中，瓦斯解析指標(biāo)q基本對(duì)工作面的防突起不到任何作用，后期應(yīng)該采用測(cè)瓦斯Δh2或者K1作為預(yù)測(cè)突出的解析指標(biāo)。

(3)防治煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害應(yīng)針對(duì)危險(xiǎn)源主控因素、地應(yīng)力及瓦斯作用能量主次，采取相應(yīng)卸壓、抽排瓦斯、控制誘發(fā)能量及改變煤巖動(dòng)力傾向性物理力學(xué)特性的綜合技術(shù)措施。

(4)在區(qū)域措施效果檢驗(yàn)時(shí)，由區(qū)隊(duì)主要領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)跟班取樣，通防區(qū)安排熟練的持證檢驗(yàn)工現(xiàn)場(chǎng)解析，特殊地點(diǎn)由通風(fēng)科派人跟班取樣，保證取樣真實(shí)性、有效性。