煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害一體化研究

潘一山

(1.遼寧大學，遼寧 沈陽　110136；2.遼寧工程技術大學,遼寧 阜新　123000)

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煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害一體化研究

潘一山1,2

(1.遼寧大學，遼寧 沈陽110136；2.遼寧工程技術大學,遼寧 阜新123000)

摘要:隨著煤礦向深部開采，一些礦井動力災害既表現出煤與瓦斯突出的部分特征，又有沖擊地壓的部分特征，2種動力災害互為共存、互相影響、相互復合，難以界定為單一災害類型，為此提出煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害的概念。通過復合動力災害一體化理論研究，揭示了復合動力災害發生的統一機理，據此建立了統一失穩判別準則；基于現有動力災害分類所存在問題，將動力災害劃分為4種類型，在此基礎上，針對礦井復合動力災害類型創新研發了鉆屑法多指標一體化檢測及煤體溫度、煤體電荷實時連續監測設備，形成了復合動力災害一體化分類分級預測技術；同時，提出了瓦斯抽采、深孔爆破斷頂-破煤-斷底卸壓、煤層注水等消減瓦斯內能、釋放煤巖彈性能的復合動力災害一體化防治技術。

關鍵詞:煤與瓦斯突出；沖擊地壓；復合動力災害；一體化；擾動響應統一失穩判別準則

煤與瓦斯突出、沖擊地壓是煤礦開采中最為嚴重的動力災害，由于我國煤層地質條件復雜，煤與瓦斯突出、沖擊地壓災害十分嚴重[1-4]。淺部開采，動力災害多表現為煤與瓦斯突出、沖擊地壓單一的災害形式，相互作用、相互影響不甚顯著，預測及防治研究通常分別進行，取得了一定進展[5-10]。隨著開采深度的加大，高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井發生沖擊地壓災害[11-12]，2種災害間的相互作用開始顯現，造成礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓2種災害互為共存、相互復合。進入深部開采后，2種災害間的相互作用呈加劇態勢[13]，表現出2種災害復合發生，發生機理變得更為復雜，預測防治難度加大。將煤與瓦斯突出、沖擊地壓分別進行治理的理念和技術，已不能滿足深部礦井動力災害治理的需要，因此將深部礦井動力災害作為一體進行研究，研發一體化預測與防治技術，成為深部礦井煤炭安全高效開采的重大需求。

原蘇聯學者佩圖霍夫[14]最早提出將沖擊地壓和突出2種現象放在一起進行統一研究，在我國，章夢濤等[15]最早提出沖擊地壓、煤與瓦斯突出統一失穩理論，并建立了2種現象的統一失穩理論，認為沖擊地壓是無瓦斯作用的突出，突出是瓦斯作用不可忽略的沖擊地壓。李鐵、蔡美峰等[16-17]提出煤炭深部開采沖擊地壓的發生與瓦斯密切相關，高壓瓦斯氣體參與沖擊地壓的孕育，存在一種開挖卸荷和瓦斯解吸膨脹耦合作用的沖擊地壓，以新安煤田為工程背景，驗證和深化了關于“三軟”煤層底板沖擊地壓誘導煤與瓦斯突出提前發動力學機制的認識。王振等[18]從災害的發生條件、能量來源和破壞形式等方面分析了高瓦斯煤層沖擊地壓和突出的異同點；從瓦斯、應力和煤巖的物理力學性質等方面討論了2種災害的誘發轉化機制；同時以實驗研究和理論分析為基礎，提出了2種災害在孕育、發生和發展等不同階段的誘發轉化條件。張福旺等[19]在分析平煤十礦“11·12”煤與瓦斯動力災害的成因時，總結出單一型災害在深部演化為復合型煤與瓦斯動力災害的物質條件、動力條件、開采擾動和構造條件，認識到了沖擊地壓和煤與瓦斯突出相互作用復合型災害的3種成災模式。

煤與瓦斯突出、沖擊地壓2種動力災害耦合在一起，其發生機理更加復雜，如何建立統一的發生理論？礦井地質條件復雜，2種動力災害影響因素眾多，且互相影響，如何進行一體化預測？2種動力災害相互復合，如何實現對2種動力災害共同有效的一體化防治？針對以上難題本文將建立新的礦井動力災害分類體系，研究災害發生過程中煤巖破裂與瓦斯運移規律，提出復合動力災害擾動響應統一失穩理論；基于統一失穩理論，提出預測方法，研發監測儀器，區分災害類型，劃分危險等級，實現動力災害一體化分類分級預測；同時基于統一失穩理論，提出防治方法，實現動力災害一體化分類分級防治。

1復合動力災害擾動響應一體化理論

將含瓦斯煤巖體看成由煤巖固體和瓦斯氣體組成的復合材料體，同時將煤與瓦斯突出、沖擊地壓2種動力災害作為一體，研究災害發生時煤巖破裂、瓦斯運移過程，提出了擾動響應統一失穩理論，這樣就實現了煤與瓦斯突出、沖擊地壓作為一體進行研究。

1.1動力災害發生統一機理

煤礦井下巷道、采掘工作面等煤巖體在地應力、瓦斯壓力和采動應力共同作用下產生變形，微破裂不斷發生發展。如圖1所示，當高應力區域的煤體應力超過峰值強度后，破壞形成耗能的塑性變形區，而其周圍煤巖體構成蓄能的彈性變形區。煤體的變形破壞改變了煤體透氣性，局部區域形成高壓瓦斯集聚。當煤巖體變形系統達到臨界狀態時，遇到開采等擾動后，煤巖變形系統失穩，蓄能的彈性變形區煤巖體釋放能量，發生沖擊地壓；在煤巖體塑性變形區內，裂紋裂隙孔隙空間被高壓瓦斯充滿，同時裂紋裂隙由此區域向周圍煤巖體延伸，當塑性變形區內儲存的瓦斯及其周圍煤巖體裂隙孔隙大量解析瓦斯迅速噴出時，發生煤與瓦斯突出。當蓄能的彈性變形區煤巖與儲存的瓦斯同時或先后釋放能量時，發生復合動力災害。

圖1　復合動力災害孕育發生過程Fig.1　Inoculation and occurrence process of compound dynamic disaster

煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害的發生是煤巖介質變形破壞，微裂紋發生發展，吸附瓦斯解吸，煤體瓦斯變形系統動力失穩并釋放能量的過程。據此提出通過消減瓦斯內能、煤巖彈性能，提高塑性區耗能能力，實現動力災害一體化防治的科學思想。

1.2擾動響應判別準則

對于含瓦斯煤巖變形控制系統，處于平衡狀態，假設在外載荷P作用下，產生的塑性軟化變形區特征深度為ρ，產生的特征位移為u(可以是頂板下沉量或巷道收斂位移)。這樣一個控制系統，擾動量是巖體應力，響應量是塑性區半徑或頂板下沉量或巷道收斂位移。該控制系統的控制量是煤巖單軸抗壓強度σc、沖擊傾向性指數K、瓦斯壓力p。某一時刻，對于外載荷P的一個微小擾動增量ΔP，這時響應，煤巖體塑性軟化變形區由ρ增加到ρ+Δρ，位移由u增加到u+Δu。若響應增量Δρ或Δu是有界的或有限的，則此時平衡狀態是穩定的，擾動消失后又處于新的平衡狀態。

若煤巖變形系統處于非穩定平衡狀態，則無論擾動增量ΔP多么小，都會導致塑性軟化變形區或特征位移的無限增長，即

根據擾動響應判別準則，計算得到高瓦斯煤層圓形巷道圍巖失穩條件為

式中，α為有效應力系數；r為圓形巷道半徑；r*為臨界塑性區半徑；q=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ為煤巖材料內摩擦角。

通過對大量實驗數據綜合分析，建立了煤巖物理力學性質、瓦斯壓力、瓦斯含量之間相互耦合的定量關系。其中孔隙率n與瓦斯壓力p的關系為

煤的峰值強度σc與瓦斯含量Q的關系為

彈性模量E和瓦斯含量Q的關系為

E=e1exp(-e2Qe3)

滲透系數為

K=aexp(-bΘ)-cp+dp2

式中，Θ表示體積應力；a1,a2,a3,ζ,d1,d2,d3,e1,e2,e3,a,b,c,d均表示擬合系數。

2動力災害分類

2.1現有動力災害分類存在問題

現有部分沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故發生前，僅按常規災害危險性評價方法，當評價為安全不采取措施或發生沖擊地壓、煤與瓦斯突出事故采取常規治理措施后，災害仍舊發生。究其原因，主要存在3點問題：① 預測后已判定為安全的煤層，可能還發生動力災害；② 采取常規防治措施后，可能還發生動力災害；③ 災害發生后現場破壞既包含煤與瓦斯突出部分特征，也包含沖擊地壓部分特征。

因此，進入深部僅僅依據常規評價方法對煤與瓦斯突出或沖擊地壓事故進行評價是不完善的，在一種動力災害的助推作用下，另一種動力災害可在常規危險性預測參數的“低指標”情況下提前發生。針對一些事故現場既有煤與瓦斯突出的部分特征，又有沖擊地壓的部分特征，難以界定為單一災害類型，本文提出煤與瓦斯突出-沖擊地壓復合動力災害類型。

2.2動力災害類型劃分

基于煤巖固體和瓦斯氣體組成的復合材料體失穩破壞釋放能量，如圖2所示，將煤巖動力災害劃分為4種類型：瓦斯釋放能量超過動力破壞所需總能量，則為煤與瓦斯突出；瓦斯助推煤巖釋放能量超過動力破壞所需總能量，則為沖擊-突出復合；煤巖助推瓦斯釋放能量超過動力破壞所需總能量，則為瓦斯-沖擊復合；煤巖釋放能量超過動力破壞所需總能量，則為沖擊地壓。據此，提出瓦斯內能、煤巖彈性能釋放所產生的信息都可作為動力災害類型及危險等級的預測信息。

圖2　動力災害類型劃分Fig.2　Classifications of dynamic disasters

復合動力災害是深部礦井開采時遇到的不同于通常的煤與瓦斯突出、沖擊地壓的礦山動力災害，復合動力災害可以是沖擊地壓為主、煤與瓦斯突出為輔的沖擊-突出復合，也可以是煤與瓦斯突出為主、沖擊地壓為輔的突出-沖擊復合。表現為2種災害互相影響、相互復合。深部礦井若發生沖擊地壓，可能誘發破壞性更大的煤與瓦斯突出，甚至引發瓦斯、煤塵爆炸等次生災害。

動力災害發生后，可根據瓦斯含量、地質構造、煤體構造、破壞形狀、破碎程度、拋出距離、搬運特征、分選情況、動力顯現、突出煤體、破壞地點、破壞能量、破壞持續時間、破壞范圍等十幾個不同特征區分災害類型。見表1，當瓦斯含量很大、破壞形狀呈口小腔大、煤體搬運特征及分選明顯、突出煤體很多、破壞持續時間較長等特征，屬于煤與瓦斯突出或突出-沖擊復合動力災害；當瓦斯含量較少、損壞支柱、破壞時間持續很短、破壞能量很大、破壞范圍很大等特征，屬于沖擊地壓或沖擊-突出復合動力災害。

表1　4種類型動力災害特征

此外，根據瓦斯含量Q、能量釋放持續時間Δt可以判別動力災害的類型。定義tct1為沖擊地壓發生時能量釋放持續時間臨界值，tct2為煤與瓦斯突出發生時能量釋放持續時間臨界值，沖擊地壓發生時能量釋放持續時間比煤與瓦斯突出短，tct1

3復合動力災害一體化預測

針對復合動力災害，既要通過預測區分復合動力災害的類型，還要通過預測確定復合動力災害的危險等級，為此研發了鉆屑法多指標一體化檢測及煤體溫度、電荷實時連續監測技術。

3.1鉆屑法多指標一體化檢測

向工作面煤壁垂直打直徑為42 mm鉆孔并取鉆屑，通過測量鉆屑量、鉆屑粒度的方法稱為鉆屑法。在傳統技術基礎上創新研制了鉆屑溫度測試裝置，圖3分別為裝置示意和實物圖。應用該套裝置通過對井下巷道兩幫煤體打鉆，逐米測定鉆屑量、鉆屑粒度、相對鉆屑溫度及孔底溫度衰減等指標值，現場研究發現上述4種測試參量可以作為復合動力災害發生的敏感指標，通過測試數據與敏感指標對比確定復合動力災害危險程度，初步實現了煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害一體化檢測預警。該項技術已在淮南、鶴崗、平頂山礦區進行了應用。

圖3　鉆屑溫度測試裝置Fig.3　Testing device of drillings temperature

對監測的大量鉆孔溫度衰減與時間數據進行擬合，得出鉆孔溫度與時間的關系大致為T=mtn，其中，m反映煤體應力集中程度，n為負值，其絕對值大小反映瓦斯解吸速率。當m值較大、絕對值n較小時易于發生沖擊地壓；當m值較小、絕對值n值較大時易于發生煤與瓦斯突出，如圖4所示。

圖4　復合動力災害發生前鉆孔溫度衰減擬合曲線Fig.4　Borehole temperature decay fitting curves before the compound dynamic disaster occureed

針對不同災害類型，每種類型劃分為3個危險等級，通過長期測試確定平頂山八礦動力災害的分類分級危險指標(對于不同礦井該指標不唯一，應根據現場具體環境確定)，見表2。

表2　平頂山八礦鉆屑法多參量分類分級危險指標

以上研究表明，通過改進傳統鉆屑法測試鉆屑量、鉆屑粒度、相對鉆屑溫度及孔底溫度衰減指數四種指標能夠較好地劃分復合動力災害類型，采用鉆屑法多指標一體化檢測方法預測復合動力災害類型及危險等級是可行的。

3.2煤體溫度實時連續監測

研發了煤巖體溫度監測裝置，如圖5所示，該裝置由溫度探頭、連接桿、支架、溫度記錄儀組成。實際應用時，在鉆進一定孔深時撤出鉆桿，將溫度探頭放入孔底，由溫度記錄儀記錄鉆孔溫度，包括孔底溫度和孔壁溫度。

圖5　煤體溫度測量裝置Fig.5　Testing devices of coal temperature

煤體溫度變化主要包括煤體破裂輻射溫度和解吸瓦斯輻射溫度的變化，煤體破裂釋放熱量，煤體溫度升高；煤體解吸瓦斯吸收熱量，煤體溫度降低。在平頂山八礦進行了現場應用，通過長期井下監測，如圖6所示，設置34 ℃為煤體溫度臨界值。在無外界干擾的情況下，當超過34 ℃時認為煤體沖擊傾向性增強，且升高值越大沖擊傾向性越大；當低于34 ℃時認為煤體突出傾向性增強，且降低值越大突出傾向性越大。

圖6　平頂山八礦煤體溫度監測數據Fig.6　Monitoring data of coal temperature in the eighth Mine of Pingdingshan

圖7　平頂山八礦煤體電荷監測數據Fig.7　Monitoring data of coal charge in the eighth Mine of Pingdingshan

3.3煤體電荷實時連續監測

研究表明含瓦斯煤體受載破裂產生自由電荷[22]，為此研發了在線式煤體電荷監測系統，對平頂山八礦進行了煤體電荷現場監測。由圖7中監測數據發現，煤體電荷信號呈脈沖狀波動，監測數據顯示瓦斯突出發生前，煤體電荷最大值波動幅度較大，最小值幾乎為0，瓦斯異常涌出攜帶電荷；而沖擊地壓發生前，煤體電荷最小值、平均值與最大值幾乎相同，電荷信號呈先上升后下降趨勢，煤體表面積聚電荷；復合動力災害發生時，最大值波動，最小值不波動；復合動力災害發生時電荷信號變化規律綜合了沖擊地壓與瓦斯突出特征。

以上3種一體化預測技術在平頂山等礦區的煤與瓦斯突出礦井推廣應用，對復合動力災害預警效果顯著。

4復合動力災害一體化防治研究

針對復合動力災害，煤與瓦斯突出、沖擊地壓耦合在一起，防治了煤與瓦斯突出，有可能還發生沖擊地壓；防治了沖擊地壓，有可能還發生煤與瓦斯突出。為此通過一體化預測確定災害類型，針對不同災害類型，采取有針對性的消減瓦斯內能和釋放煤巖彈性能措施，根本上實現復合動力災害的一體化防治。

4.1消減瓦斯內能——瓦斯抽采

我國煤礦瓦斯抽采的發展先后經歷了局部防突措施為主、先抽后采、抽采達標和區域防突措施先行4個階段，形成了采前、采中、采后抽采的系統瓦斯抽采方法和基本指標[23]，通過瓦斯抽采消減了煤層中存儲的瓦斯能量，提高了煤體強度，降低了煤與瓦斯突出、突出-沖擊復合動力災害發生的概率。區域性瓦斯抽采技術在礦井復合動力災害防治中廣泛應用，袁亮等[24]通過理論研究和工程實踐，提出并研究了煤與瓦斯共采技術、極易離層煤巖支護工程技術、復雜地質條件下采礦工程地質保障技術以及高瓦斯礦區復雜地質條件安全高效開采關鍵技術，解決高瓦斯礦區復雜地質條件安全高效開采技術難題。該項技術在淮南、淮北等礦區進行應用，取得了較好的效果。

4.2釋放煤巖彈性能-深孔爆破斷頂-破煤-斷底卸壓技術

針對堅硬頂底板和低滲透煤層，研發了深孔爆破斷頂-破煤-斷底技術。在工作面巷道每隔20 m布置1組鉆孔，每組鉆孔布置3個斷頂孔、1個破煤孔、1個斷底孔。孔徑75 mm，每孔裝藥15 kg，反向裝藥，每孔2個炮頭。爆破后產生了相互貫通的孔隙裂隙網，超前釋放了頂板-煤體-底板組合結構所積聚的大量彈性能，削弱了應力集中程度，達到了解除沖擊危險的目的，圖8為平頂山某礦井下回風巷道鉆孔布置示意。深孔爆破斷頂-破煤-斷底技術是沖擊地壓、沖擊-突出復合動力災害防治的重要手段之一。深孔爆破斷頂-破煤-斷底技術在平頂山等礦區進行應用，取得了較好地效果。

圖8　鉆孔布置示意Fig.8　Schematic diagram of drilling hole arranging

4.3煤層注水

煤層注水技術已成為實踐所檢驗的預防煤與瓦斯突出和沖擊地壓的有效辦法之一[25-26]。煤層注水后，煤體顆粒間的黏結力減小，顆粒接觸面間摩擦力降低，降低了煤體沖擊傾向，同時水分驅替瓦斯等氣體，降低了瓦斯內能，因而煤層注水不僅釋放了煤巖彈性能而且降低瓦斯內能，減小了復合動力災害發生的概率。煤層注水技術在我國幾十個礦井使用，經反復工業性試驗、實踐與細化，不斷改進預注水壓力、鉆孔深度、鉆孔間排距、單孔注水量、注水時間、注水泵選型等工藝和參數，使得該項技術現場實施方便，取得了顯著效果。

此外，改善巷道支護方式，采用吸能讓位的支護理念對井下巷道進行支護[27]，同樣能夠實現一體化防治，研發快速吸能讓位支護裝備，將是實現復合動力災害一體化支護技術裝備研發的重大突破。

5結論

(1) 隨著開采深度的增加，復合動力災害將成為煤礦動力災害的重要形式，并呈愈演愈烈趨勢，對深部煤炭開采構成嚴重威脅，建議深部開采應高度重視復合動力災害的預測和防治。

(2) 深部礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害影響因素眾多，發生機理更加復雜，須進行深入研究，建立完備的一體化理論體系，指導預測防治技術的研發與實踐。

(3) 深部礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害是可預測的，對鉆屑多指標一體化檢測、煤體溫度監測、煤體電荷監測進行現場應用，劃分災害類型，提高了災害預測的準確率。

(4) 深部礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害是可防控的，瓦斯抽采、深孔爆破斷頂-破煤-斷底卸壓、煤層注水等一體化防治技術現場應用效果顯著，提高了災害一體化防治的有效性。

(5) 高度認識深部煤炭開采過程中復合動力災害的復雜性和危害性，采前、采中、采后的整個生產過程中，特別重視復合動力災害的監控與治理，以確保煤炭資源的安全高效開采。

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Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst

PAN Yi-shan1,2

(1.LiaoningUniversity，Shenyang110136，China； 2.LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:With the mining depth increase,some mine dynamic disaster shows the characteristics of both coal and gas outburst and rockburst.The two dynamic disasters are mutual coexistence,mutual influence and mutual composite.They are difficult to be defined as a single type of disaster.Thus,in this study,the concept of compound dynamic disaster of coal and gas outburst and rockburst was put forward.The unified mechanism of compound dynamic disaster was revealed,through the integrated theoretical research of compound dynamic disaster.Therefore,the unified criterion of instability was established.The dynamic disasters were divided into four types based on the exiting problems of current dynamic disaster classification.On this basis,for the type of mine compound dynamic disaster,the multi-target integration testing equipment of drilling bits method and the real-time continuous monitoring equipment of coal temperature and coal charge were innovated and developed.Also,the integrated classification and grading prediction technology of compound dynamic disaster were developed.For the mine compound dynamic disaster,the integrated prevention technology of compound dynamic disaster was proposed on the basis of intrinsic gas energy reduction and coal rock elastic energy release,which includes gas extraction,the deep hole blasting pressure relief of roof-coal-bottom breaking,coal seam water injection,et al.

Key words:coal-gas outburst;rockburst;compound dynamic disaster;integration study;unified criterion of instability of disturbance response

中圖分類號:TD712;TD324

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0105-08

作者簡介:潘一山(1964—)，男,遼寧丹東人,教授,博士生導師。E-mail:panyish_cn@sina.com

基金項目:國家自然科學基金面上基金資助項目(11172121，51274114，51374123)

收稿日期:2015-11-29修回日期:2015-12-08責任編輯:韓晉平

潘一山.煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害一體化研究[J].煤炭學報,2016,41(1):105-112.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9034

Pan Yishan.Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):105-112.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9034