深部煤層低瓦斯耦合災變機制

李 鐵，皮希宇,3

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083; 2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083; 3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013)

煤與瓦斯突出是煤炭資源開采主要的工程災害之一。為防災減災，自1834-03-22法國魯阿雷煤田依薩克煤礦發(fā)生全球首例煤與瓦斯突出起，全球相關領域科學家持續(xù)開展了大量科學探索和工程實踐，提出了許多關于發(fā)生機理的假說，可歸納為瓦斯主導、應力主導、化學本質和綜合作用四大類[1]，研發(fā)出多種防治煤與瓦斯突出技術，共識性技術還提升成行業(yè)或國家技術規(guī)程與管理規(guī)章，在防治煤與瓦斯突出災害中發(fā)揮了巨大作用。

科技工作者探索出煤、瓦斯、地質構造、煤層賦存等多種技術指標判別煤與瓦斯突出危險性。有突出危險的煤層，在掘、采前均要實施區(qū)域防突措施，達到安全指標方容許施工，且在施工中還須根據(jù)局部危險性預測，對判別存在危險的區(qū)段實施局部防突措施，直至達到安全開采條件。但漸趨增多的報導顯示，經(jīng)消突達到安全開采條件的煤層，雖然煤的破壞類型和堅固性系數(shù)等固有屬性基本未變，但瓦斯壓力和含量等指標已低于發(fā)生煤與瓦斯突出閾值，在沒有地質構造和賦存突變(以下統(tǒng)稱地質異常)影響下，卻發(fā)生了一些令人費解的煤與瓦斯突出或瓦斯異常涌出，即本文所稱的煤層“低瓦斯”災變。

早期，ANEPШЦП С Г(1955)研究發(fā)現(xiàn)，德國萊茵-維斯特法爾礦區(qū)，沖擊地壓發(fā)生的同時放出大量瓦斯;上巴伐利亞的哈烏斯克礦井760 m深處的開采中，沖擊地壓發(fā)生前1 d，雖已加強了通風，但在風眼中卻發(fā)現(xiàn)瓦斯體積分數(shù)超過4%，未找到原因[2]。G·布霍依諾(1981)研究發(fā)現(xiàn)，德國魯爾礦區(qū)950 m深處的開采中，1次沖擊地壓發(fā)生后的20 h內共釋放了4×104m3瓦斯，針對這一現(xiàn)象，提出是瓦斯將煤拋出、還是煤體沖擊破壞釋放出瓦斯或者兩種作用兼有的疑問，但未見更為詳盡和后續(xù)研究的報導[3]。

以安全措施和管理較規(guī)范的我國國有大型煤礦為例:張鳳鳴等(2005)研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江省鶴崗煤田進入深部開采后，多次ML≥3.0級強礦震伴隨瓦斯異常涌出，超出常規(guī)認識[4]。李鐵等(2005，2007)研究發(fā)現(xiàn)，撫順老虎臺礦嚴格執(zhí)行防突措施，但進入660 m采深后，消突達標煤層開始發(fā)生沖擊地壓和強礦震誘導的瓦斯異常涌出和煤與瓦斯突出，且沖擊震動后誘導低瓦斯災變事件占沖擊地壓總數(shù)的比例與采深同步增長，到910 m采深時，接近半數(shù)的沖擊地壓誘導了煤層低瓦斯指標災變[5-6]。2005-02-14阜新孫家灣煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，直接原因是瓦斯爆炸之前14 min發(fā)生的1次ML=2.7礦震造成3316風道外段正常狀態(tài)煤層的瓦斯異常涌出[7]。孟賢正等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，平煤集團十二礦己七三水平回風下山埋深為890～1 100 m，施工期間消突煤層發(fā)生2次沖擊性煤與瓦斯突出[8]。林士良等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，平煤集團一礦，2006-03-19，己15-17310運輸巷掘進，消突煤層發(fā)生1起由沖擊地壓引起的煤與瓦斯動力現(xiàn)象，此前在三水平回風下山施工到垂深1 100 m位置時，也發(fā)生過1次同類現(xiàn)象[9]。張福旺等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，平煤集團十礦，2007-11-12在己15-16-24110采煤工作面消突煤層發(fā)生1起沖擊地壓誘導的煤與瓦斯突出[10]。LU 等(2014)研究發(fā)現(xiàn)，在鶴崗俊德煤礦，沖擊地壓產(chǎn)生的震動波誘發(fā)了瓦斯突出[11]。SI 等(2015)研究發(fā)現(xiàn)，斯洛文尼亞Velenje(韋萊涅)煤礦，采動產(chǎn)生的微震與瓦斯涌出率有直接關系，微震能量急劇增加時，瓦斯涌出速率趨于峰值[12]。

為探索消突煤層低瓦斯災變機理，筆者通過現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測、微震觀測、事故調查等實證分析，認識消突煤層低瓦斯災變的過程與成因;通過含氣大煤樣低氣壓氣-固耦合物理試驗和理論分析，研究承壓煤樣低氣壓應力-應變-滲流場演化路徑和氣-固耦合物理災變機制。

1 消突煤層低瓦斯災變實證分析

上述消突煤層的低瓦斯災變問題，亦有學者質疑是否存在防突措施不到位、管理不到位等因素，這成為我們近15 a在撫順、平頂山、新安、海孜煤田對此問題持續(xù)探索的動力，結論是消突煤層低瓦斯災變在一定條件下確實存在，舉證部分典型案例如下。

1.1 頂板下沉來壓作用下煤層低瓦斯災變

撫順煤田某礦為高瓦斯礦井，硬分層煤有沖擊地壓危險，軟分層煤有煤與瓦斯突出危險。63001工作面采深約710 m，軟分層煤堅固性系數(shù)f=0.33～0.45，破壞類型Ⅲ,Ⅳ，經(jīng)區(qū)域和局部消突措施，煤層殘余瓦斯壓力P< 0.5 MPa、殘余瓦斯含量W< 5 m3/t。2002-12-13T17:45，采煤工作面頂板來壓，架前煤層片幫，瓦斯異常涌出，T1傳感器監(jiān)測瓦斯體積分數(shù)最高達3.25%(圖1)。之前未監(jiān)測到礦震，工作面內也無震感;局部突出危險性連續(xù)預測指標均不超標;巷道內氣流瓦斯體積分數(shù)不超限(< 1%);之前和后續(xù)開采均未發(fā)現(xiàn)地質異常。瓦斯異常涌出8 min后(17:52:55)，遠場頂板破斷，發(fā)生1次ML=2.0級礦震，采煤工作面內有震感。

圖1 頂板來壓作用下瓦斯異常涌出過程Fig.1 Unusual gas emission under roof weighting

分析圖1災變過程，為1次頂板來壓過程所致。瓦斯?jié)B流可分為3個階段:第1階段，大致4 d的氣流瓦斯體積分數(shù)持續(xù)穩(wěn)定降低，反映頂板下沉、煤層壓密閉氣、瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流過程;第2階段，有約1 d的氣流瓦斯體積分數(shù)不穩(wěn)定回升，甚至有突變，反映煤層承壓塑性擴容，瓦斯非穩(wěn)態(tài)滲流恢復過程;第3階段，瓦斯異常涌出災變，反映煤壁快速破裂失穩(wěn)(片幫)、瓦斯非穩(wěn)態(tài)增速滲流災變過程。8 min后的遠場頂板礦震，佐證了頂板來壓過程的存在。類似案例在該礦多見，在淮北海孜某礦也曾發(fā)生。

1.2 頂板下沉來壓破斷沖擊作用下煤層低瓦斯災變

1.1節(jié)所述撫順煤田該礦，68002東采煤工作面采深約760 m，軟分層煤堅固性系數(shù)f=0.35～0.48，破壞類型Ⅲ,Ⅳ，經(jīng)區(qū)域和局部消突措施，煤層殘余瓦斯壓力P<0.6 MPa、殘余瓦斯含量W<6 m3/t。2002-12-13T17:15—2002-12-14T16:00，采面頂板下沉來壓，架前片幫，T0傳感器監(jiān)測瓦斯體積分數(shù)連續(xù)超限，最高達3.92%，2002-12-14T08:39:54頂板發(fā)生ML=0.5級礦震。2002-12-16T00:32:54頂板再次發(fā)生ML=2.6級礦震，架前片幫，回風巷棚子變形，00:35—00:40，瓦斯再度超限，T0傳感器瓦斯體積分數(shù)最大達到7.94%(延時126 s)(圖2)。之前局部突出危險預測指標均不超限，巷道內氣流瓦斯體積分數(shù)不超限(< 1%);之前和后續(xù)開采均未發(fā)現(xiàn)地質異常。

圖2 頂板沖擊作用下瓦斯異常涌出過程Fig.2 Unusual gas emission under roof impacting

分析圖2災變過程，為2次頂板來壓破斷過程所致，瓦斯?jié)B流可分為5個階段:第1階段，氣流瓦斯體積分數(shù)持續(xù)穩(wěn)定降低，反映頂板下沉、煤層壓密閉氣、瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流過程;第2階段，頂板來壓第1次破斷沖擊，瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流災變，但由于頂板破斷能量較小(ML=0.5)，瓦斯異常涌出并未完成;第3階段，頂板繼續(xù)下沉來壓、煤層壓密閉氣、瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流;第4階段，氣流瓦斯體積分數(shù)不穩(wěn)定回升，反映煤層承壓塑性擴容瓦斯非穩(wěn)態(tài)滲流;第5階段，頂板高能量破斷沖擊(ML=2.6)，激發(fā)煤壁失穩(wěn)破裂，瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流災變。類似案例在該礦深部采區(qū)多見。

1.3 底板來壓起臌沖擊作用下煤層低瓦斯災變

豫西某礦為煤與瓦斯突出礦井。12011掘進工作面煤層埋深620 m，經(jīng)區(qū)域消突后，直接法測定殘余瓦斯壓力P<0.6 MPa，殘余瓦斯含量W<6 m3/t。該礦按防突規(guī)定的原則，測定本工作面突出危險閾值分別為鉆孔瓦斯涌出初速度q≥3.5 L/min，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2≥140 Pa，鉆屑量S≥4.0 kg/m。掘進工作面風流瓦斯體積分數(shù)Cg=0.8%為自動控制上限。上述指標國家標準分別為P≥0.74 MPa，q≥5 L/min，Δh2≥200 Pa，S≥6.0 kg/m，Cg=1.0%，該礦的危險閾值均嚴于國家標準。

2009-08-10T14:00，12011掘進工作面迎頭持續(xù)發(fā)生10余聲煤巖破裂聲響，14:09瓦斯異常涌出超限自動斷電，現(xiàn)場調查底板起臌斷裂。掘前防突措施后效果檢驗，鉆孔瓦斯涌出初速度最大值q=2.4 L/min，鉆屑瓦斯解吸指標最大值Δh2=120 Pa，鉆屑量最大值S=2.3 kg/m，掘進迎頭(T1)風流瓦斯體積分數(shù)小于0.3%(圖3)，各項指標均不超危險閾值，表明掘進頭煤層瓦斯壓力、含量和涌出量均在安全值范圍。

圖3 底板來壓起臌作用下瓦斯異常涌出過程Fig.3 Unusual gas emission under the the floor heave effect of floor weighting

分析圖3災變過程，為1次底板來壓所致。瓦斯?jié)B流經(jīng)歷了3個階段:第1階段，2009-08-09T4:00—2009-08-10T01:30(持續(xù)21.5 h)，掘進迎頭瓦斯涌出濃度出現(xiàn)顯著持續(xù)降低，反映了底板起臌、煤壁壓密閉合，瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流過程;第2階段，2009-08-10T01:30—14:00(持續(xù)12.5 h)，瓦斯涌出體積分數(shù)不穩(wěn)定回升接近正常水平，甚至有突變，反映煤層承壓塑性擴容瓦斯恢復非穩(wěn)態(tài)滲流過程;第3階段，瓦斯突然大量異常涌出超限，瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流災變過程，供電系統(tǒng)自動斷電。現(xiàn)場調查可見掘進工作面后方底板起臌開裂，發(fā)生過底板起臌破斷沖擊。

2 大煤樣低氣壓耦合滲流災變物理實驗

為探索現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的消突煤層低瓦斯災變的機理，模擬掘進工作面超前壓力區(qū)的單自由度受力狀態(tài)，在氣-固耦合試驗系統(tǒng)上，開展大煤樣低氣壓耦合滲流災變物理實驗。

2.1 實驗條件

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，突出煤層鑒定，當動力現(xiàn)象特征不明顯或者沒有動力現(xiàn)象時，應當根據(jù)實際測定的煤層最大原始瓦斯壓力(P)、軟分層煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度(ΔP)和煤的堅固性系數(shù)(f)等指標進行鑒定，全部指標均達到或者超過閾值，確定為突出煤層。突出區(qū)域危險性預測，瓦斯壓力(P)、瓦斯含量(W)均小于閾值為無突出危險，否則有突出危險。局部突出危險性預測，鉆孔瓦斯涌出初速度(q)、鉆屑量(S)、鉆屑瓦斯解吸指標(Δh2/K1)等指標均小于閾值為無突出危險，否則有突出危險。在斷層、褶皺和煤層賦存變化較大的地質異常區(qū)段，會加大煤與瓦斯突出的危險。實驗條件中，煤的破壞類型和堅固性系數(shù)消突前后基本沒有變化;地質異常條件在實驗中不易模擬，通過選擇現(xiàn)場無地質異常案例進行類比;局部突出危險性預測指標在實驗中不易模擬，不采用該類指標;瓦斯壓力(P)和含量(W)只要有一項滿足了災變條件即可判斷有危險，且瓦斯壓力條件容易設定。因此，用煤的堅固性系數(shù)和瓦斯壓力兩項指標作為低瓦斯災變試驗的主要材料介質條件。

實驗煤樣取自平頂山煤田某礦己15-16突出煤層。為研究低指標瓦斯?jié)B流災變問題，煤樣采用該層偏硬層的原煤，堅固性系數(shù)f=0.65，高于突出堅固性系數(shù)閾值。

實驗氣體選為惰性氣體N2，壓力為0.4 MPa恒壓低氣壓。選擇N2基于以下4點因素:

(1)CH4和N2的吸附具有相似性。楊程等(2018)用瀝青和煤矸石加工的活性炭材料，進行甲烷和氮氣吸附性能對比試驗研究表明[13]，在相同吸附溫度下，兩者均可用Freundlich 吸附等溫式表達:

(1)

式中，q為吸附量;k，n為吸附常數(shù);P為氣體壓力。

對CH4和N2的吸附等溫線進行擬合，兩者的q，k，n分別為7.5，0.170，1.21和1.80，0.019 0，1.01，CH4的吸附量雖然高于N2(4.2倍)，但兩者具有相似性;

(2)在常溫、低壓(0.4 MPa)、塊狀原煤和短時間(20 min)條件下，瓦斯吸附量較少，兩者的差異不大;

(3)實驗重點考察承壓煤樣氣-固耦合作用下煤樣裂隙演化過程瓦斯?jié)B流的物理過程，CH4和N2吸附量的差異可以忽略;

(4)不影響核心目的前提下的試驗安全。

考慮到實驗的尺度效應問題，盡量使用大尺寸煤樣，力圖更接近現(xiàn)場條件。煤樣加工成150 mm×150 mm×150 mm規(guī)格的立方體大試樣，試樣兩端面的平行度偏差不大于0.005 cm，試件精度滿足常規(guī)巖石力學實驗要求(圖4)。

實驗裝置由巖石力學伺服試驗機、大煤樣雙向加載滲透性試驗裝置、氣體質量流量計、高精度壓力傳感器、靜態(tài)電阻應變儀、聲發(fā)射檢測與分析儀等構成。

圖4 原煤試樣Fig.4 Raw coal samples

2.2 實驗原理

實驗目的是通過對未達突出氣壓和堅固性閾值的含氣煤樣加壓，模擬掘進工作面和采煤工作面中部現(xiàn)場條件，考察災變全程應力、應變、聲發(fā)射、滲流場演化規(guī)律，分析含氣煤樣受載低指標災變機理。

圖5 實驗原理示意Fig.5 Schematic diagram of experimental principle1—加壓控制系統(tǒng);2—采集控制系統(tǒng);3—壓頭;4—墊塊; 5—密封承壓板;6—壓力氣瓶;7—氣壓控制閥;8—氣體壓力采集系統(tǒng);9—氣體質量流量采集系統(tǒng);10—支架、底盤系統(tǒng); 11—供氣透氣板;12—硅膠板和密封膠;13—煤樣;14—自由邊界;15—聲發(fā)射傳感器;16-聲發(fā)射放器;17—聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖5所示，在煤樣頂部密封壓板施加軸向壓載(圖中第5部分)。煤樣法向一側面和底面剛性約束(圖中第10部分)，經(jīng)透氣板附加恒壓氮氣(圖中第11部分)，同軸向另一側面開敞自由(圖中第14部分)，正交法向另兩側面(圖略)剛性被動約束和密封。為確保加氣初期煤樣不向自由端位移，軸向載荷加載到預計試樣極限載荷的10%開啟氣體控制閥，調整氣壓到預定值后，各系統(tǒng)開始正常采集數(shù)據(jù)。當聲發(fā)射計數(shù)或能量達到顯著峰值，煤樣自由表面產(chǎn)生顯著宏觀裂縫，有碎塊脫落，甚至有聲響，氣體伴有煤粒噴出，判定為發(fā)生氣體涌出災變，停止試驗。實驗中隨時檢查系統(tǒng)的氣密性，監(jiān)測氣體壓力降，未發(fā)現(xiàn)密封失效。

2.3 實驗結果分析

實驗表現(xiàn)為4個特征階段。

(1)初始壓密非線性階段。

圖6中線段0階段。試樣豎向加載，應力曲線呈上凹形狀，為加載初期非線性階段，煤樣卸載裂隙壓密，有少量聲發(fā)射。加載到1.1 MPa開始施加0.4 MPa恒壓氮氣，氣體流量經(jīng)震蕩趨于在1.8 L/min的常值飽和。加載到彈性階段下限特征點A，出現(xiàn)一次顯著應力降，聲發(fā)射數(shù)和能量出現(xiàn)相對高峰，氣流量不穩(wěn)定震蕩在1.8 L/min左右，表明煤樣取樣卸載產(chǎn)生的裂隙處于不斷受壓變化躁動過程，還未完全閉合。

圖6 受載含氣煤巖樣物理場演化Fig.6 Unusual gas emission under the the floor heave effect of floor weighting

(2)彈性壓密——氣體常速與減速穩(wěn)態(tài)滲流。

在線彈性階段全程，聲發(fā)射數(shù)較少、能量較低。前40%線性階段(圖6中線段1-1階段)，氣流量在1.8 L/min基本呈穩(wěn)態(tài)滲流，將其視為1個常值，相當于沿原生裂隙提供普通涌出的滲流。后60%線性階段(圖6中線段1-2階段)，氣流量持續(xù)降低至1.6 L/min，氣體呈減速穩(wěn)態(tài)滲流，原生裂隙顯著壓密，導氣通道趨于閉合，表現(xiàn)為氣體低值異常涌出。

(3)塑性擴容——氣體增速非穩(wěn)態(tài)滲流。

加載到7.0 MPa屈服點或彈性極限特征點B，再次發(fā)生顯著應力降，聲發(fā)射數(shù)和能量出現(xiàn)顯著高峰，氣流量快速升高，表現(xiàn)為增速非穩(wěn)態(tài)滲流，煤巖承壓進入塑性應變擴容階段，內部產(chǎn)生壓張裂隙及導氣通道，之后聲發(fā)射數(shù)和能量持續(xù)升高(圖6中線段2階段)。煤樣開敞側開始有宏觀裂紋產(chǎn)生，氣體從開敞側自由面有溢出感。

(4)破裂失穩(wěn)——氣體非穩(wěn)態(tài)滲流災變。

加載到8.7 MPa特征點C，達到煤樣單自由度單向壓縮極限荷載后，聲發(fā)射數(shù)和能量出現(xiàn)全程最高峰，煤樣自由表面產(chǎn)生大量宏觀裂縫，有聲響和碎塊脫落，氣體快速流出，流量最高達31.9 L/min，伴有煤粒噴出，判定為發(fā)生災變，停止試驗。特征點C為極限破壞荷載，之后為峰后階段(圖6中線段3階段)。煤樣破壞方式透氣板一側以碎糜為主，開敞側以碎裂為主(圖7)。如持續(xù)恒壓加氣，煤粉與氣體可持續(xù)噴出。

圖7 試驗結束后煤樣狀態(tài)Fig.7 State of coal samples after test

實驗得出，含氣煤層加載過程造成由于裂隙場演變，導致瓦斯?jié)B流產(chǎn)生普通涌出-減速異常涌出-增速異常涌出-災變噴出的演化過程。GENG等[14]物理試驗得出，煤的孔隙度和滲透率隨有效應力的增加呈指數(shù)下降。YANG等[15]物理試驗得出，不同開挖路徑下開挖應力載荷的變化引起煤裂隙網(wǎng)絡的復雜演化，顯著地改變了裂隙煤的甲烷滲透率。JIANG等[16]物理試驗得出，隨著分層循環(huán)加載和卸載，滲透率的絕對恢復速率先下降后增大，而滲透率的相對恢復速率逐漸增大。KONG等[17]數(shù)值試驗研究提出，應力、孔隙度和瓦斯壓力的演化密切相關。應力的變化會引起孔隙度的變化，影響瓦斯壓力，而甲烷的解吸影響煤的應力，所有這些都形成耦合關系。滲透率隨有效應力的增加呈指數(shù)下降是由于采用了三軸試驗的結果，其他與本文相似的結果，對本文實驗的可靠性可起到佐證。

3 承壓煤層低瓦斯耦合災變機理分析

綜合典型案例實證分析和氣-固耦合物理實驗，對承壓煤體低瓦斯災變機理得出如下認識。

(1)瓦斯常速穩(wěn)態(tài)滲流(普通涌出)條件。

經(jīng)典的礦壓三帶理論將采動礦壓劃分為卸壓帶A、增壓帶B和穩(wěn)壓帶C(圖8)。前蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究院根據(jù)煤層平巷工作面實際觀測，提出工作面前方煤體應變可分為擠出帶(卸壓帶a1)，壓縮帶(增壓帶B)，未擾動煤體帶(穩(wěn)壓帶C)。現(xiàn)代普遍認為，采掘工作面前方煤層，卸壓帶a1經(jīng)過了塑性應變擴容，壓張裂隙發(fā)育。增壓帶由兩部分構成，外側為塑性應變增壓帶b1，煤體擴容，剪張新生裂隙發(fā)育，其與卸壓帶a1內瓦斯均可解吸游離放散;而里側為彈性應變增壓帶b2，原生裂隙處于壓密狀態(tài)，瓦斯以吸附態(tài)為主，有相對恒速穩(wěn)定的瓦斯?jié)B流。穩(wěn)壓帶C是受采動影響小于5%的區(qū)域，可視為原巖應力狀態(tài)，孔隙、裂隙處于原生狀態(tài)，瓦斯處于吸附狀態(tài)。

圖8 煤層瓦斯普通涌出應力-應變-滲流場模型Fig.8 Stress-strain-seepage field model of coal seams with ordinary gas emissionk1—40%彈性極限前采動應力集中系數(shù);γ—覆巖容重;H—覆巖厚度;σk1—采動豎向應力函數(shù)曲線

我們的研究注意到，突出煤層采掘前必須實施區(qū)域消突措施，穩(wěn)壓帶內已受防突措施擾動，不再是原生孔隙、裂隙，而次生裂隙比較發(fā)育，瓦斯賦存狀態(tài)也由吸附變?yōu)榭山馕坞x。在增壓帶b1壓密條件下，瓦斯可在穩(wěn)壓帶內富集或局部富集。鑒于此，我們將采、掘前方煤層應變場劃分為塑性擴容帶I1(卸壓帶+塑性增壓帶)、彈性壓密帶II1(彈性增壓帶)和擾動裂隙帶III1(穩(wěn)壓帶)，對應的瓦斯?jié)B流場分別為瓦斯解吸放散帶、瓦斯?jié)B流受阻帶、瓦斯解吸游離帶。

根據(jù)實驗結果，在彈性壓密帶II1峰值壓力約達40%彈性極限前，瓦斯?jié)B流場在擾動裂隙帶III1為瓦斯解吸游離，彈性壓密帶II1為瓦斯恒速穩(wěn)態(tài)流滲，塑性擴容帶I1為瓦斯解吸常速穩(wěn)態(tài)放散(普通涌出)(圖8)。

(2)瓦斯減速穩(wěn)態(tài)滲流(低值異常涌出)條件。

在增壓帶峰值壓力約達40%～100%彈性極限區(qū)間，瓦斯?jié)B流場在擾動裂隙帶III2為瓦斯解吸游離富集，彈性壓密帶II2為瓦斯減速穩(wěn)態(tài)流滲，塑性擴容帶I2為瓦斯解吸穩(wěn)態(tài)放散(低值異常涌出)，如圖9所示。

圖9 煤層瓦斯低值異常涌出應力-應變-滲流場模型Fig.9 Stress-strain-seepage field model of coal seams with unusual gas emission with low-pressurek2—40%～100%彈性極限采動應力集中系數(shù);σk2—采動豎向應力函數(shù)曲線

(3)瓦斯增速非穩(wěn)態(tài)滲流(高值異常涌出及災變)條件。

增壓帶峰值壓力超過彈性極限后，上階段彈性壓密帶II2變?yōu)榍U容帶II3，產(chǎn)生大量裂隙，滲流通道被打通，瓦斯?jié)B流場變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)增速滲流回升(圖10);密閉在擾動裂隙帶III3的解吸游離富集瓦斯持續(xù)為非穩(wěn)態(tài)增速滲流提供動力，甚至加速提高通道的滲透率;塑性擴容帶I3為瓦斯解吸高速非穩(wěn)態(tài)放散(高值異常涌出)。

圖10 煤層瓦斯高值異常涌出災變應力-應變-滲流場模型Fig.10 Stress-strain-seepage field model of coal seams with unusual gas emission with high-pressurek3—大于彈性極限采動應力集中系數(shù);σk3—采動豎向應力函數(shù)曲線

超過極限荷載后，屈服擴容帶II3破裂失穩(wěn)，密閉在擾動裂隙帶III3的解吸游離富集瓦斯持續(xù)為非穩(wěn)態(tài)增速滲流提供動力，發(fā)動高值瓦斯異常涌出災變(噴出超限)。如果頂板下沉或底板起臌過程發(fā)生破斷沖擊(圖10)，疊加的動載與采動應力之和超過屈服極限荷載，高值瓦斯異常涌出災變將提前發(fā)動。如果密閉在擾動裂隙帶III3的解吸游離富瓦斯壓力和含量充沛，則可發(fā)生煤與瓦斯突出。

4 結 論

(1)低于0.74 MPa氣體壓力，承壓煤樣在應力-應變-滲流場耦合作用下可以災變?yōu)闅怏w非穩(wěn)態(tài)滲流災變-瓦斯異常涌出或煤與瓦斯突出，臨界閾值尚待進一步研究。現(xiàn)場多表現(xiàn)為瓦斯異常涌出超限，嚴重時可發(fā)生煤與瓦斯突出。實驗表現(xiàn)為氣流伴有煤粒快速噴出。

(2)在防突措施擾動下，穩(wěn)壓區(qū)煤層的裂隙已不再是原生狀態(tài)，而有大量次生裂隙產(chǎn)生，為瓦斯解吸游離創(chuàng)造條件，可局部富集，是瓦斯異常涌出或突出的發(fā)動區(qū)。

(3)根據(jù)峰值應力，定量劃分出采動超前區(qū)段瓦斯賦存狀態(tài)“三帶”動態(tài)演化范圍和特征，定量數(shù)值還要在后續(xù)的大量實驗中修正，但找到了可行的技術思路和指標。

(4)采動靜-動應力作用下，超前區(qū)段應力-應變-滲流場的演化，是導致消突煤層的瓦斯普通涌出-低值異常涌出-高值異常涌出-噴出或突出災變演化的原因。

(5)現(xiàn)場條件下，頂板破斷沖擊、底板破斷沖擊動力復合作用下，將會激發(fā)低瓦斯災變提前發(fā)動。

致謝本研究得到了河南理工大學蘇承東教授和高保彬博士的幫助，在此致以衷心感謝！