礦井建設中煤與瓦斯突出防治技術應用

萬明亮

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦， 山西 古交 030200）

煤層開采期間，因工程誘發原因可能引起煤與瓦斯突出問題，學者們在這一方面也進行了大量研究與試驗，但是所提出的理論和得到的試驗結論也都基于大量工程假設，與煤層開采實踐仍存在一定差距。在此基礎上，本文結合瓦斯滲流理論及煤巖體形變實際，在綜合考慮煤巖介質非均勻力學性質和煤巖介質變形破裂過程中透氣性非線性變化的趨勢特征后，對可壓縮瓦斯氣體和煤巖體變形作用進行耦合處理，對煤層開采引發含瓦斯煤巖形變、破裂、突出等全過程進行模擬，并結合模擬結果分析了掘進煤巷煤與瓦斯突出防治的技術要點。

1 瓦斯管路巷概況

瓦斯管路巷位于+860 m 水平二采區，地表標高1 190～1 260 m 之間，井下底板標高為933～956 m，蓋山厚度為281～337 m，下覆未開采8 號煤層。在該瓦斯管路巷施工過程中，瓦斯涌出量為2.3 m3/min。就所揭露的巖型來看，瓦斯管路巷開口位置在砂巖中，且巖石基本處于穩定狀態，巖層硬度系數達到4.0～5.0，所對應采區內的煤層主要表現為單斜構造賦存條件，傾角均值在4°～5°之間，整體呈西高東低。出于施工安全及避免誤揭煤等方面的考慮，在瓦斯管路巷施工中必須采用區域超前鉆探與局部超前鉆探相結合的方案。

2 煤與瓦斯突出發生機理

煤與瓦斯突出發生的必要條件是含瓦斯煤體的物理力學性質受到影響，因其結構內部存在大量Griffith 缺陷[1]，打破了其有效應力的均衡性，引發煤體局部形變及宏觀裂隙，煤層也因此失去承載能力。在瓦斯管路巷施工過程中，在圍壓作用下，含瓦斯煤層破裂的過程可大致劃分為壓密、線彈性、局部破裂、塑性軟化、殘余應力等階段。根據相關研究，隨著瓦斯突出壓力的增大，煤體應力峰值、切線彈性模量、殘余強度等均呈降低趨勢。瓦斯管路巷施工必然會引發煤層擾動及含瓦斯煤層瓦斯的滲流，在煤層所受的應力值達到最大水平前，煤層彈性呈增大趨勢，并表現出塑性變形，同時承受應力也與極限平衡狀態無限接近，進而堵塞瓦斯流動通道，顯著增大瓦斯內能。隨著施工過程的持續推進，可能會對含瓦斯煤層造成穩定性破壞，這種破壞根據內部位置所對應的應力狀態，具體又分為Ⅰ類和Ⅱ類兩種[2]。其中Ⅰ類破壞常出現在煤層受載超出峰值之后，且其變形過程基本穩定，只有待進一步加載后才會轉為嚴重破壞；而Ⅱ類破壞變形過程并不穩定，會引發煤層應力下降以及裂紋失穩擴展，即發生突出。

3 煤與瓦斯突出防治

3.1 煤與瓦斯突出數值模型

將該瓦斯管路巷頂板設置為Lagrangian 單元，通過SPH 單元進行區域描述，具體如圖1 所示，所設計模型的長×寬×高具體為20 m×15 m×0.3 m。由于瓦斯管路巷煤與瓦斯突出過程數值模擬對頂板和地板計算精度的要求沒有煤層單元數值模擬精度要求高，故此處瓦斯管路巷頂板和地板單元網格的設置比煤層單元要略粗，共設置2 762 個SPH 粒子單元。

圖1 煤與瓦斯突出數值模型

結合相關理論分析，在應力波傳輸期間，如遭遇原生邊界、裂紋、弱面及損傷等后，便會在交界面位置表現出明顯的應力集中并放大的現象，當這種集中或放大的程度遠遠超出煤體強度所能容忍的界限時，便會引發煤體破壞。然而，在具體模擬過程中，因建模水平及計算能力等方面的限制，構建有限體積數值模型進行實際瓦斯管路巷模擬分析時，必須充分考慮上下左右邊界處應力波所產生的邊界效應，而本次分析所采取的應對策略主要為在瓦斯管路巷邊界施加LS-DYNA無反射邊界[3]。在圖1 所構建的模型中，通過海姆假設計算其上部邊界所承受的原巖應力值，且瓦斯壓力取3.2 MPa。

3.2 煤與瓦斯突出數值模擬結果

通過應用LS-DYNA 數值模擬軟件，可以對瓦斯管路巷從失穩、形變到破裂、突出全過程進行分析。從這一過程可以得知，瓦斯管路巷施工過程中煤與瓦斯在極短時間內突出，且高壓瓦斯瞬間發生劇烈的理化反應與能量轉移。初始階段突出時間約1.23 s，此時能明顯觀測到在瓦斯管路巷施工脈沖動荷載影響下，水平向地應力及瓦斯壓力突然作用使得斷面瞬間喪失承載力，且地應力峰值快速轉移至內部結構，構成弧形應力帶，并起到內部瓦斯外泄的阻擋作用，從而增大了瓦斯壓力。然而，這種暫時形成的弧形應力帶處于單向受力狀態，不具備較高且較持久的承載力，且會在內部高壓瓦斯裹挾影響下而從巷道空間涌出，形成層狀剝離狀態。此外，地應力峰值也會持續轉移至巷道內部，進一步形成全新的弧形應力集中帶，以便使煤與瓦斯突出的過程持續下去。

在繼續誘發煤與瓦斯突出的過程中，新暴露面持續擴大，在煤層賦存條件不連續因素的影響下，當瓦斯管路巷施工時遇到一定寬度并具備一定承載力的突出煤壁時，煤壁抵抗地應力壓碎的能力將持續降低，同時煤壁還起到支撐上部荷載的作用，從而使巷道內高壓瓦斯持續泄漏，瓦斯壓力梯度呈降低趨勢，瓦斯裹挾煤粒的能力也不斷下降，煤與瓦斯突出強度持續降低，最終趨于零。

通過對瓦斯管路巷施工過程中煤與瓦斯突出的分析發現，在整個突出過程中，弧形集中應力帶始終存在，其誘因主要為上部頂板壓力瞬時間的作用。該應力帶形成后，區域內裂隙均變為閉合狀態，高壓瓦斯也因此被阻擋于煤層結構內部，起到了一定的穩定瓦斯壓力的作用。隨著弧形應力集中帶的破碎，煤層結構內部的高壓瓦斯會裹挾破碎煤體瞬間涌出巷道，應力集中帶也會持續向新暴露出的煤壁方向移動，突出過程持續進行。

3.3 煤與瓦斯突出防治思路

在瓦斯管路巷施工過程中，應力峰值與煤壁的距離約4.0 m，但煤壁附近煤體較硬時，在硬煤的支撐下，應力峰值會逐漸向掘進面煤壁移動，使發揮有效抵抗作用的煤柱寬度大大減小，瓦斯壓力梯度隨之提升，在施工擾動、高壓瓦斯及煤體結構內部彈性潛能等的綜合作用下，煤與瓦斯突出現象更容易發生。根據以上作用機理，出于防治角度考慮，應保證瓦斯管路巷施工過程中掘進頭前方煤體均質化，以克服煤層內軟硬分層分布不均、特殊構造處地應力集中等引發瓦斯突出現象出現的可能性。

在該瓦斯管路巷施工過程中，造成煤與瓦斯突出的主要原因在于內部高壓瓦斯及對應的壓力梯度，為此應采取有效的煤層內瓦斯抽采措施。結合類似礦井建設的成功經驗，可以采取深孔預裂爆破技術增強煤層透氣性，并進行瓦斯抽采，從而減小并消除煤與瓦斯突出發生的可能。

4 深孔預裂爆破防治試驗

4.1 防治措施

試驗地點設置在該瓦斯管路巷以北+860 m 水平東翼軌道大巷，具體布置情況如圖2 所示。經實地測量，該軌道大巷所在處的煤層瓦斯壓力達到1.12 MPa，瓦斯釋放速率為6 mL/s，突出危險系數較高，且在瓦斯管路巷施工過程中，煤壁瓦斯釋放速度快。將1 組鉆場設置在巷道迎頭，且各個鉆場內均設置6 個鉆孔，詳細鉆孔參數如表1 所示，1 號、2 號鉆場壓茬長度均應控制在5.0 cm 以內。煤與瓦斯突出防治過程中，應先進行抽采孔施工，結束后立即將瓦斯抽采系統接入，此后進行2 個爆破孔施工，完成后按設計要求裝藥并封孔，藥管采用深空預裂爆破專用爆破藥管。在爆破開挖后，借助在線監測系統監測瓦斯抽采過程。

圖2 爆破孔和抽采孔布置情況

表1 深孔預裂爆破鉆孔參數

4.2 防治效果

對防治措施應用前后的瓦斯管路巷瓦斯抽采濃度進行對比后發現，深孔預裂爆破措施實施后，所抽采的瓦斯濃度比爆破前高出4～6 倍，且預裂爆破后30 min內，抽采的瓦斯純量達到0.045 m3/min，相比較而言，預裂爆破前所抽采的瓦斯純量僅有5.0×10-5m3/min，預裂爆破處理后所抽采的瓦斯純量比處理前多出1 000 倍，在預裂爆破4 h 后所抽采的瓦斯純量開始逐漸降低。該瓦斯管路巷經過24 h 抽采，瓦斯預采率達到74.96%，巷道內殘余瓦斯壓力降至0.15 MPa，也說明了本次所采用的煤與瓦斯突出防治措施的有效性。試驗表明，深孔預裂爆破瓦斯突出防治技術的應用，能顯著提升煤層的均質化程度以及瓦斯抽采效率，能快速有效消除煤與瓦斯突出的危險因素，保證瓦斯管路巷施工過程的安全。

5 結論

深孔預裂爆破防治措施能夠超前消除煤與瓦斯突出危險因素，確保瓦斯管路巷施工順利進行。為此，通過分析施工過程中各階段煤體質點運動特性，得到了煤與瓦斯突出過程中弧形應力集中帶變化的趨勢特征及主要影響。采取煤與瓦斯突出的深孔預裂爆破防治措施后，煤體均質化程度提升，瓦斯壓力及瓦斯壓力梯度得到較大程度地削弱和降低，煤與瓦斯突出的危險性也大大弱化。工程應用效果也表明，深孔預裂爆破防治技術在瓦斯抽采過程中應用效果十分顯著，可在礦井建設中推廣應用。