桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出問題研究

劉 帥，李曉斌

(延長石油礦業有限公司巴拉素煤業公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

韓城礦區是陜西乃至全國瓦斯災害嚴重的礦區之一，曾發生過有記載的煤與瓦斯突出和突水及老空區透水事故150余次，造成重大人員傷亡和財產損失。礦區骨干生產礦井桑樹坪煤礦開采煤層均具有突出危險，其中主采3號煤層透氣性低，系嚴重中厚突出煤層，突出次數占礦區總突出次數的70%以上，發生過各種類型的瓦斯動力現象，包括煤與瓦斯突出、壓出、傾出及瓦斯噴出等動力現象，甚至發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重突出的3號煤層，在4321采煤工作面服務巷道的掘進過程中，區域臨界指標一降再降，仍然發生突出以及突出預兆的動力現象，因此需要確定4321動力現象的類型，為其瓦斯治理找到方向，從而保證礦井的生產掘進在瓦斯動力方面的安全。

近年來隨著礦井開采深度越來越大，復合動力災害也越發頻繁，單純的瓦斯或者沖擊地壓治理已不能解決現有的復合動力災害。因此，眾多學者在復合動力災害方面也做了大量研究。潘一山[1]研究了煤與瓦斯突出、沖擊地壓復合動力災害發生的統一機理，建立了統一失穩判別準則，并將復合動力災害劃分為4種類型，為復合動力災害的治理提供了方向。章夢濤等[2]提出沖擊地壓、煤與瓦斯突出統一失穩理論，采用失穩的能量判據作為沖擊地壓和突出的統一判據。尹永明等[3]將沖擊性煤與瓦斯突出分成了4個階段，推導了沖擊型煤與瓦斯突出能量準則，根據沖擊載體的不同，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，并分別進行了力學分析，對沖擊型煤與瓦斯突出“力源”進行分析，闡明了發生沖擊型煤與瓦斯突出的必要條件。LI Z H等[4]研究了金屬開采對斷層面應力和滑動位移的影響。單麒源等[5]通過對沖擊地壓與瓦斯之間的相互關系進行研究，分析了沖擊地壓與瓦斯之間的相互影響作用關系，總結了沖擊地壓與瓦斯的作用機理和過程，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化機制

煤礦井下巷道頂底板及兩幫在受到各方面作用后產生變形，致使其內部裂隙發育。當煤巖體承受的作用力超過其所能承受的峰值強度時即發生塑性破壞，從而形成塑性變形區，致使巷道內煤巖體的承載能力急劇下降，此時煤巖體內的高應力會將目標對準巷道周圍的彈性變形區，使彈性變形區內積聚大量的彈性能；巷道周圍的煤巖體發生破壞，內部孔隙的吸附瓦斯、裂隙以及壓力狀態都會向容易發生突出的一邊變化，而隨著各個影響因素的變化，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，但同時周圍煤巖體給其施加有阻力，此時巷道內煤巖體達到平衡狀態，為沖擊型煤與瓦斯突出做好準備。

準備階段完成后，巷道內煤巖體處于極限平衡狀態，在采掘活動進行時極限平衡狀態被打破，彈性變形區內積聚的能量被釋放，即發生沖擊地壓。而沖擊地壓所釋放的彈性能中部分會以動能的形式使煤體中局部吸附的瓦斯解析膨脹，高壓瓦斯集聚區的瓦斯膨脹能增大[5]。與此同時，采掘活動的進行致使煤巖體內大量積聚的瓦斯的阻力減小，當積聚的瓦斯突破煤巖體的約束而推動煤體拋出時，就發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

設煤巖體中儲存彈性能為E1，儲存的能量在傳遞過程中對煤巖體中裂隙以及其他因素做功必然有所消耗，設消耗的能量為E2，當傳遞后的能量足夠破壞巷道煤巖體時，被損傷弱化的煤巖體就會向自由空間拋出，設拋出的煤巖體動能為E3，則沖擊型煤與瓦斯突出在發生突出時的能量準則為[3]

E3=E1-E2>0

(1)

設煤巖體在原巖應力場中積聚彈性能E4，開采等外界擾動源傳播到沖擊危險區域時的能量為E5，巷道內高壓瓦斯積聚的能量為E6得

E1=E4+E5+E6

(2)

將式(2)代入式(1)，得到沖擊型煤與瓦斯突出在發生突出時的能量準則為

E4+E5+E6-E2>0

(3)

而巷道單位長度內所積聚的彈性能可表示為[6]

E=Syεy+Smεm

(4)

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

則當煤層厚度為m時，單位長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瓦斯的膨脹能可表示為[7]

(6)

式中，β為煤巖體孔隙率，常數；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所釋放的氣體內能(等溫條件下)，J；B為初始瓦斯含量，1；n為Airey常數，通常取0.5；D為瓦斯在煤層中的擴散系數，常數；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生突出時的能量準則為

E7+E5+W-E2>0

(7)

此能量方程可作為沖擊型煤與瓦斯突出發生的第1個條件。

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。

在突出發生時，巷道圍巖積聚的能量和瓦斯的膨脹能都會參與，而參與能量的大小決定了突出發生的類型，當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，才是地應力主導型突出，由此我們可以得到方程組所需的另外一個方程

(8)

以上2個條件，可作為地應力主導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生類型，既保證了突出的發生，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生的突出，必然是地應力為主導的突出。

3 4321工作面地應力主導突出論證

鉆屑指標法是突出危險性預測方法之一，其指標包括鉆屑量S和鉆屑解吸值q。由于這2個指標能全面地反映工作面的突出危險性，因此，被廣泛地運用于突出煤層采掘工作面預測預報[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的大小預測工作面前方鉆孔范圍內的突出危險性[9-12]。其操作簡單，成本低，并且其取的數據對預測突出和沖擊地壓都很有意義。表1、2為4321開采服務的3條巷道8個月預測孔的最大鉆屑量Smax以及鉆屑瓦斯解析指標q在鉆孔施工到10 m時的統計。

表1 3條巷道最大鉆屑量Smax數據統計Table 1 Statistics of the maximum drilling cuttings Smax in three roadways

由表1、2可知，3條巷道8個月的鉆孔施工過程中，共有5次動力現象，其中共有4次突出預兆，1次突出。

由表1可以看出，5次動力現象皆發生在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采面地應力較大。

由表2可知，在166次的預測中，有動力現象所對應的q值的范圍非常大。4321上運順其中的一次動力現象所對應的q值僅為0.4。由此可以基本斷定，對5次動力現象起主導作用的不是瓦斯含量。

表2 3條巷道鉆屑瓦斯解析指標q數據統計Table 2 Statistics of gas analytical index q of drilling cuttings in three roadways

4 結論

(1)4321工作面服務的2條巷道動力現象為地應力主導，在治理瓦斯時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q基本對工作面的防突起不到任何作用，后期應該采用測瓦斯Δh2或者K1作為預測突出的解析指標。

(3)防治煤巖瓦斯動力災害應針對危險源主控因素、地應力及瓦斯作用能量主次，采取相應卸壓、抽排瓦斯、控制誘發能量及改變煤巖動力傾向性物理力學特性的綜合技術措施。

(4)在區域措施效果檢驗時，由區隊主要領導現場跟班取樣，通防區安排熟練的持證檢驗工現場解析，特殊地點由通風科派人跟班取樣，保證取樣真實性、有效性。