高瓦斯煤层冲击地压特征机理研究现状

2014-05-15徐晨阳

山西大同大学学报(自然科学版) 2014年1期

徐晨阳

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

中国是世界第一大产煤国，煤炭资源总量达5.57万亿吨。随着经济建设步伐的加快，全国能源消费对煤炭的需求持续迅速增加，我国煤炭开采的深度以每年10～20 m的速度递增。目前国内矿山开采平均深度已达600 m，一部分矿山采深已达1 000 m以上[1]。

伴随开采深度的不断增加，地应力、瓦斯含量和压力不断增大，原来的非瓦斯或低瓦斯煤层也逐渐变为高瓦斯煤层。不断增大的地应力与瓦斯压力等因素相互耦合，使冲击地压等煤岩瓦斯动力灾害日益增多，并且表现出新的灾害特征。伴随瓦斯压力的升高，煤层中瓦斯的赋存与流动对于事故发生的作用凸显。因此，研究深部高瓦斯煤层冲击地压中瓦斯因素的作用，能够为此类灾害事故的防治技术和方法提供理论依据，对矿井安全防护、抗灾系统设计和事故应急预案等均具有重要的理论和现实意义。

1 高瓦斯煤层冲击地压特征

近年来，我国发生了多起兼具冲击地压和瓦斯突出两种动力灾害表现特征的事故，诸如2005年平顶山十二矿、2007年平顶山十矿、丰城矿务局建新煤矿、河北金能邯矿集团陶二煤矿、河北峰峰集团有限公司大淑村煤矿、阜新矿区五龙矿和王营矿、抚顺老虎台矿等矿的动力灾害事故。

李忠华等[2-3]对阜新矿区的深部冲击地压灾害特征进行了统计研究，并得出阜新矿区的冲击地压为高瓦斯煤层冲击地压的结论；李铁等[4-5]分析了抚顺矿井冲击地压事故的特点，提出冲击地压和瓦斯的相关性；王振等[1,6]综合分析了平煤、阜新和抚顺矿区的冲击地压灾害，并总结了灾害的特点以及与典型瓦斯突出的异同点。

总结以上统计结果，可以得出此类煤岩动力灾害有以下几点共同特征：

1）事故所在矿井，煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大。冲击地压灾害的发生常常伴随大量高浓度瓦斯涌出。但与典型煤与瓦斯突出相比，吨煤瓦斯涌出量一般不大；事故发生后回风巷瓦斯浓度一般较低，大概为10%；风流逆转现象不明显。

2）灾害事故的发生地点埋深大，煤层地应力高，事故现场均有明显的顶板下沉断裂、底鼓、巷道挤压、煤壁外移等矿压显现情况，而且具有一定的孔洞，抛出煤岩距离较远，但抛出煤岩无明显的分选性。

3）在高地应力的作用下，同样强度的煤体表现出明显的软化特征。通常认为硬煤不易发生瓦斯突出，软煤不易发生冲击地压的经验不再适用。在高瓦斯压力和高地应力的双重条件下，煤层同时存在冲击地压和瓦斯突出的危险。

4）为减少瓦斯灾害、有效利用煤层气资源，高瓦斯煤层都会采取瓦斯抽放措施，但在瓦斯抽放后，冲击地压发生的频率和强度都有明显增加。

从以上特点可以看出，在深部高瓦斯煤层中，瓦斯因素对冲击地压灾害发生的作用明显。

2 高瓦斯煤层冲击地压灾害机理研究现状

关于冲击地压的发生理论，国内外已有多年的研究，主要形成了强度理论、能量理论、冲击倾向理论、刚度理论和失稳理论等。但在大多数的煤层冲击地压研究中，很少甚至没有涉及煤层瓦斯对冲击地压发生的作用。

李忠华、潘一山等[2-3]最先系统地分析了瓦斯对煤体失稳破坏的影响，建立了瓦斯煤层冲击地压数学模型，并提出了防治措施；李铁等[4-5]分析了瓦斯异常涌出的条件，以及底板冲击地压诱导瓦斯灾害的力学机制；王振等[1,6]分析了瓦斯对煤力学性质的影响以及瓦斯渗流和裂隙扩展的规律，并研究了冲击地压与瓦斯突出在不同阶段相互诱发转化的条件；马海峰等[7]研究了应力场对瓦斯场的影响，并建立了气固耦合模型；董飞亚[8]分析了深部冲击地压影响因素，并研究了高瓦斯煤层冲击地压发生机理；王磊[9]研究了应力场和瓦斯场的耦合效应。

综合以上研究成果以及其他相关理论，可以得到以下几方面结论。

2.1 瓦斯对煤的作用

煤体中含有大量的孔隙和裂隙，瓦斯在其中以游离和吸附两种状态存在。

游离瓦斯产生孔隙压力，以体积力作用于煤体。瓦斯压力增大，导致有效应力减小，降低了煤体抵抗破坏的能力。同时，游离瓦斯阻碍煤体裂隙收缩，促进其扩展，并减弱了裂隙面的摩擦系数，进一步导致煤体强度降低。

吸附瓦斯通过吸解作用影响煤的力学性质，改变了煤的本构关系。瓦斯颗粒吸附于煤体颗粒之间，减弱了煤体颗粒间的粘聚力，宏观上表现为弹性模量降低。同时，吸附瓦斯减少了煤体内部裂隙表面张力，同样减弱了煤体的强度。

同时也应注意到，当煤体受压接近或达到峰值强度时，微小裂隙会合并产生集中，进而形成宏观裂缝，裂缝空间会迅速被瓦斯气体所充满，导致裂缝集中区的煤体强度进一步降低，此时瓦斯赋存情况也在急剧变化。裂隙继续发展，瓦斯不断涌入，煤体损伤加剧，如此循环反复，极易在微小扰动下失稳，导致灾害发生[2]。

总之，在高瓦斯煤层中，瓦斯对煤体的作用显著。

2.2 应力场与瓦斯场的耦合效应

在高瓦斯煤层中，地应力和瓦斯压力都非常大，瓦斯场不能被忽略，即应力场与瓦斯场耦合共同作用于煤体。

2.2.1 煤体应力应变与瓦斯压力的关系

通过使用瓦斯煤岩体气固耦合瓦斯参数测试仪配合RMT-150岩石力学实验系统对含瓦斯煤样做单轴压缩试验[9]，结果，见图1，图2。比较分析以上实验数据，不难发现：

图1 1MP吸附瓦斯压力下应力应变与瓦斯压力关系

图2 1.5MP吸附瓦斯压力下应力应变与瓦斯压力关系

1）瓦斯压力越大，煤体峰值强度越低。因为瓦斯压力越大，瓦斯对煤体的侵蚀作用越强，煤体。当应力接近峰值强度时，瓦斯压力突然下降，随后再次攀高。此现象的原因是在初始的弹性应变阶段里，煤体受应力压实，孔隙空间减少，瓦斯压力升高；在接近峰值强度时，煤体进入塑性应变阶段，煤体内部裂隙迅速扩展发生剪胀现象，游离瓦斯瞬间涌入新的空间，但吸附瓦斯解吸相对滞后，导致瓦斯压力暂时降低。之后吸附瓦斯向自由空间解吸,瓦斯压力又进一步增大。

2.2.2 煤层应力与瓦斯压力的分布规律

利用KSE-n-1型钻孔应力计以及安装在煤层顺层钻孔上的瓦斯监测仪表，沿煤层工作面推进方向测量煤体应力与瓦斯压力[7]，结果见图3。

图3 煤层应力与瓦斯压力分布

由图可以看出：

1）煤体应力与瓦斯压力变化趋势基本一致，均分为压力稳定区，压力集中区和卸压区3个区域。且煤体应力与瓦斯压力在工作面前方都存在一个峰值。

2）瓦斯压力分布与煤体应力分布呈正相关关系，瓦斯压力的变化明显受控于媒体应力，但分布稍不同步。

因采动影响，煤层在工作面前方形成应力集中，即由煤体深处至工作面，应力首先不断增大，煤体被压实，瓦斯压力也随之增大；当应力接近煤体峰值强度时，煤体发生扩容，裂隙发育，煤体透气性增强，瓦斯压力开始下降；之后煤体应力达到峰值强度，煤体破坏而迅速卸压，同时瓦斯在浓度差的作用下，扩散涌出煤壁。这也是瓦斯压力峰值超前于应力峰值的原因。

2.2.3 高瓦斯煤层冲击地压发生机理

在深部高瓦斯煤层中，地应力和瓦斯压力都非常高，应力场与瓦斯场共同作用于煤体，煤体积聚了大量的弹性势能和瓦斯内能。受采动的影响，煤层部分区域发生应力集中，瓦斯压力随应力升高而增大，弹性势能和瓦斯内能也在此区域集中，此时煤体处于高应力高瓦斯压力的非稳定平衡状态。

煤体受到放炮、开采等扰动时，部分煤体应力瞬时增大，若应力接近煤体峰值强度，煤体裂隙会迅速发育，游离瓦斯涌入新生裂隙。一方面，瓦斯压力差驱动游离态瓦斯在裂隙中渗流，由渗流引起的瓦斯浓度差又会驱动吸附瓦斯解吸、扩散，导致瓦斯赋存和流动的突变；另一方面，瓦斯促进裂隙扩展，并继续涌入新生裂隙，如此循环反复，产生裂隙集中区。煤体强度不断降低，损伤加剧，趋于极度不稳定状态，最终达到失稳临界点，导致冲击地压发生。

冲击地压发生时，释放出大量能量，导致巷道破坏，顶底板大范围断裂，煤体剥落、抛出，并在破坏地点形成了新的自由面。新暴露出的煤体内外会存在较高的瓦斯压力差，驱动瓦斯大量外溢。若此时瓦斯压力差足够大，满足突出发展的条件，则将发生以瓦斯内能为主导的突出灾害。