地应力对羊东井田煤与瓦斯突出影响的研究

刘晓斐，赵庆彪，刘 杰，付京斌，石德忠，刘矿生

(1.冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台 054000；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州，221116；3.冀中能源 峰峰集团，河北 邯郸 056100)

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地应力对羊东井田煤与瓦斯突出影响的研究

刘晓斐1,2，赵庆彪1，刘 杰2，付京斌3，石德忠3，刘矿生3

(1.冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台 054000；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州，221116；3.冀中能源 峰峰集团，河北 邯郸 056100)

羊东矿为煤与瓦斯突出矿井，目前主采煤层大煤(2号煤)为突出煤层，在开采-400m水平时曾发生过2次突出动力现象，均表现为压出特征，分析认为地应力是羊东矿突出发生的主要条件。利用自行研制的煤与瓦斯突出装置，以羊东矿2号煤的原煤样为研究对象，开展了在较低瓦斯压力条件下地应力对羊东原煤突出影响的试验研究。结果表明同样瓦斯压力下，导致羊东原煤压出发生的应力具有临界条件；且应力越大，压出的煤量越多，煤体破碎程度越高，在煤体内残留的孔洞越大，压出特征表现越明显。

地应力；压出；瓦斯动力现象；模拟实验

煤与瓦斯突出一直是严重威胁我国煤矿安全生产的一种动力灾害[1]。虽然我国突出危险矿井在开采过程中采取了防突(消突)措施，但每年煤与瓦斯突出事故时有发生。另外，随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力和瓦斯含量相应增大，应力和瓦斯耦合作用致灾机理也更加复杂，煤与瓦斯突出未来仍然是我国煤矿安全的重要威胁，因此了解煤与瓦斯突出的作用机理是非常重要的。

国内外很早就开始了对煤与瓦斯突出机理的研究[2-10]，先后有多种假说来解释突出的机理，其中综合作用假说被国内外大多数学者所接受，认为突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果，究竟哪种因素起主导作用，则与矿区(井田)煤层赋存、地质和开采条件有密切关系。

羊东矿为煤与瓦斯突出矿井，目前主采的大煤(2号煤)为突出煤层，在开采-400m水平时曾发生过2次突出，从其突出特征来看，均具有压出性质，地应力是其发生的主要条件。国内学者先后通过实验、数值模拟、现场测试等手段并结合工程实例对地应力对突出的影响进行了研究[11-14]，认为地应力会对煤层中的瓦斯渗流速度、瓦斯含量、瓦斯压力及煤体结构起到影响作用，从而导致含瓦斯煤体更容易出现失稳破坏并发生突出。

本文在分析羊东井田突出特征及因素的基础上，利用自行研制的煤与瓦斯突出装置，以羊东矿2号煤的原煤样为研究对象，开展了应力对羊东原煤突出影响的试验研究，研究了不同应力条件对羊东煤突出的影响，为羊东矿煤与瓦斯突出防治提供理论指导。

1 羊东矿突出特征及影响因素分析

1.1 矿井及突出煤层概况

羊东矿隶属河北省邯郸市峰峰矿区，井田中心地表标高+156m。羊东矿井田，东以2号煤层的-1100m底板等高线为界；北以F22断层、经线23500及F2断层为界；西以F2，F3断层为界；南以F1，F6，F19断层及第17勘探线为界。井田走向长7.5～10.2km，倾斜宽3.0～5.8km，面积为31.98km2。

羊东井田煤系地层由石炭系中统本溪组、上统太原组和二迭系下统山西组组成，总厚度为170～220m，平均厚度为200m，普遍含煤15层。其中6层为可采煤层，即下架、大青、小青、山青、野青(4号煤)、大煤(2号煤)，其他小煤均不可采，详见表1。

表1 羊东井田可采煤层对比

矿井开拓方式为立井暗斜井多水平开拓方式。现有5个生产水平，标高分别为：±0m，-110m，-240m，-400m，-620m，目前开采水平为-620m水平，-850m水平正在进行延深。目前矿井主要开采2号(大煤)和4号(野青)煤，2号煤为突出煤层，4号煤、6号(山青)煤层为不突出煤层，可以作为保护层开采。

1.2 突出动力现象特征分析

羊东矿在其开采-400m水平时曾发生过2次煤与瓦斯突出动力现象。1997年在2号煤层8228运料巷掘进工作面，发生煤与瓦斯突出，突出煤量17.5t，突出瓦斯516m3，标高为-354m。1999年在2号煤层8230工作面掘进运煤石门时，发生煤与瓦斯突出，突出煤量86.4t，突出瓦斯2936m3，标高为-401m。由于2次突出发生特征相似，则以8230胶带机道煤与瓦斯突出事故为例，对其突出特征进行分析。

8230胶带机道煤与瓦斯突出为掘进运煤石门时发生的突出，其示意图见图1。

图1 8230胶带机道突出位置及突出空洞示意

(1)突出地点的地面标高为+142m，井下标高-401m。

(2)迎头石门见煤点正好为一断层F5，走向N15°E，倾向N75°W，倾角40～60°，落差6m。

(3)巷道正好位于断层下盘大煤底板的岩石中，巷道左帮为断层上盘层，巷道顶部为断层下盘煤层。

(4)突出的煤堆积角度外段23°，里段28.5°，煤块面混杂，无明显分选性。

(5)突出的孔洞沿断层呈双楔形，即断层上盘一个，下盘一个，孔洞体积大约61m3。孔洞口大肚小，上盘的楔形外口呈三角形，三角形长边长约7.5m，高2.5m，楔形深度约6m；下盘的楔形外口也呈三角形，其长边长约6m，高约2m，深度约3.5m。

(6)突出瓦斯量为2936m3，抛出的煤量86.4t，按抛煤量属于中型突出。

综合以上特征，可认为此次突出属于压出。

8228运料巷煤与瓦斯突出也是在掘巷过程中多次遇到断层而发生的。综合羊东矿的这2次突出，可以认为地应力(主要来源于断层构造)是突出的主要因素，瓦斯和煤的物理力学性质在突出发展过程中起到了推动作用。

2 地应力对羊东矿突出影响的实验研究

2.1 实验装置

利用实验室自行研究的煤与瓦斯突出模拟试验装置[15]进行煤体物理力学性质、瓦斯条件和应力条件综合影响的突出实验。整套实验装置包括突出试验腔体、加载系统、充放气系统以及数据采集系统等部分。

压出试验腔体如图2(a)所示，内部腔体可放原煤以及预制8.0kg的型煤。试验腔体具备诱导动力现象装置，如图2(b)所示，试验时可以通过敲开销子，为内部含瓦斯煤体卸压，达到诱导压出现象发生的目的。通过上压柱传导加载系统载荷，达到为煤层加压的目的。

图2 突出试验腔体实物

加载系统采用的是新三思微机控制电液伺服压力试验机，加载过程中可以实现位移保持和载荷保持；充气系统主要负责为实验提供不同压力的气体；数据采集系统主要用来采集瓦斯压力和应力。

2.2 实验方法及实验参数

突出模拟实验所用的原煤样取自有突出危险性的2号煤层，实验瓦斯压力0.4MPa，相当于突出临界瓦斯压力(0.72MPa，数据来源于沈阳研究院的煤与瓦斯突出危险性鉴定结果)的60%。选择较低的实验瓦斯压力主要是为了与羊东矿现有的开采条件更接近。羊东矿采用保护层开采和瓦斯预抽技术来降低2号煤层的瓦斯含量和瓦斯压力，其工作面开采过程中的实际瓦斯压力应低于0.72MPa。在此实验条件下，按照图3，通过改变载荷(地应力)的大小，实验研究地应力对羊东井田2号煤层压出性突出的影响。

图3 突出实验步骤

2.3 实验结果

具体实验结果见表1和图4～图6。

表1 应力对羊东原煤压出影响的试验结果

图4 应力25MPa时发生的煤体压出特征

图5 应力30MPa时发生的煤体压出特征

图6 应力35MPa时发生的煤体压出特征

3 讨论

应力对于压出性突出具有重要的影响作用。应力较小时(15MPa和20MPa)，不会发生任何动力现象，煤体保持原有的状态；随着应力的升高，发生了压出现象并且压出煤量逐渐增多说明应力越高，压出的规模越大。

随着应力的升高煤体的破碎程度越来越大，在煤体内形成的孔洞越来越大，其压出特征也越来越明显。当应力为25MPa时，诱导口处的煤体完整性较好，煤体内的残留孔洞较小，并且煤壁上残留的裂隙不明显；应力升高到30MPa时，诱导口处的煤体呈现出明显的破碎状，部分煤体已经粉碎，煤体内的孔洞较25MPa大，煤壁上残留明显的裂隙，构成了以诱导口为中心的圆弧状；应力达到35MPa时，煤体呈现出明显的粉碎化，腔体内的煤体同样也呈现粉化。

试验时诱导口打开后，应力为25MPa时，煤体呈现出比较明显的崩裂状，呈现非常明显的弹性能释放现象；应力升高到30MPa和35MPa时，诱导口打开后，煤体崩裂四溅的现象较弱，表现出在应力作用下的压出，动力现象较弱。在高应力的作用下，内部煤体破碎，表现出更多的软化特性，消耗的能量较多，积聚的弹性能较小，因此诱导口打开后动力现象较弱；而当应力较低时，煤体发生的破裂较少，当诱导口打开后表现出较明显的弹性能释放，从而引起煤体的破坏。

4 结束语

(1)以羊东井田开采过程中8230胶带机道突出事件为研究对象，对其发生的特征及影响因素进行了分析，表明羊东井田的煤与瓦斯突出为压出性质，地应力是羊东井田产生压出的重要因素。

(2)通过模拟试验，研究了应力对羊东井田突出的影响机理，表明同样瓦斯压力下，导致压出发生的应力具有临界条件；且应力越大，压出的煤量越多，煤体破碎程度越高，在煤体内残留的孔洞越大，压出特征表现越明显。

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[责任编辑：王兴库]

InfluenceofGeo-stressonCoalandMethaneBurstinYangdongMinefield

LIU Xiao-fei1,2,ZHAO Qing-biao1,LIU Jie2,FU Jing-bin3,SHI De-zhong3,LIU Kuang-sheng3

(1.Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai 054000,China;2.Safety Engineering School,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China;3.Fengfeng Group,Jizhong Energy Group,Handan 056100,China)

Yangdong Colliery is a coal and methane burst mine whose mainly-mining coalseam is outburst coalseam.2 outburst phenomena occurred in -400m level mining which took on extrusion characteristic.Geo-stress was believed to be main cause of outburst.Applying self-made coal and methane outburst device,influence of geo-stress on coal burst was simulated under lower methane pressure.Results showed that under the same methane pressure,stress resulting in outburst had a critical value.Geo-stress was larger,the more amount coal was extruded,the higher coal cracked degree was,cave resided in coal was larger and extrusion characteristic was more obvious.

geo-stress; extrusion; methane dynamic phenomena; simulation experiment

2014-07-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.029

国家“十二五”科技支撑计划(2012BAK04B07，2012BAK09B01)；教育部科学技术研究项目(113031A)；江苏高校优势学科建设工程资助项目；江苏省博士后科研资助计划项目(1102085C)

刘晓斐(1981-)，男，山西晋中人，博士，中国矿业大学副教授，冀中能源集团有限责任公司博士后，主要从事煤岩动力灾害预防、煤矿安全等方面研究。

刘晓斐，赵庆彪，刘 杰，等.地应力对羊东井田煤与瓦斯突出影响的研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：103-106.

TD713

A

1006-6225(2014)05-0103-04