掘进工作面卸压区宽度及其主控因素研究

2021-03-04马金魁

煤炭工程 2021年2期

马金魁

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122)

我国煤矿的突出防治以区域防突措施为主、局部防突措施补充为原则，在工作面掘进或回采时，均采用局部突出危险性预测和局部防突措施进行煤与瓦斯突出的预防，其主要目的是提高煤体强度，降低煤体前方的瓦斯压力梯度和增大煤体卸压区宽度，增大工作面前方煤体抵御煤与瓦斯突出的能力[1-3]。卸压区宽度与防治煤与瓦斯突出“两个四位一体”中区域和局部预抽煤层瓦斯、局部防突措施钻孔布置等钻孔的合理参数密切相关，如合理的钻孔长度和封孔深度、顺煤层钻孔或排放钻孔等局部防突措施的钻孔布置方式、钻孔深度、工作面循环推进度等参数确定的重要依据，也是工作面推进过程中进行防突指标(钻屑瓦斯解吸指标K1值/Δh2或者瓦斯放散初速度)测定结果是否失真判断的参考。卸压区宽度的确定对于煤与瓦斯突出预测的准确性及瓦斯抽采效果的好坏至关重要。

刘洋[4]通过抛物线型为煤岩体破坏强度准则，建立了塑性区极限平衡力学模型，推导得出煤岩抗拉强度、侧向压力系数等条件下的塑性区宽度解析解，为掘进面卸压区宽度研究提供了参考依据。舒龙勇[5]利用FLAC3D计算分析了煤巷掘进面的采动应力和破坏区分布特征，认为最大主应力的方向控制着掘进面前方卸压区和塑性变形区的发育程度，当掘进面迎头距软煤区2～4m时，硬煤内发生应力集中，软煤内发生塑性破坏。许江[6]对掘进工作面突出过程中的温度-气压-应力体系演化过程进行了研究，认为卸压区和应力集中区在突出前期为定温-定压-定熵相互转换的过程，突出过程中煤体弹性应变能释放主要来自于应力集中区和应力升高区，突出过程中越靠近工作面区域释放的瓦斯膨胀能越大，在距离工作面较远的原岩应力区，其释放的膨胀能长期稳定在较低水平。蒋力帅[7]等采用FLAC3D对煤巷掘进面的采动应力和破坏区分布特征进行模拟，认为煤巷掘进面前方存在应力分布区和渗透性分区现象，在卸压区，煤体内垂直于巷道轴向的应力与距迎头煤壁的水平距离近似呈线性关系，掘进面沿巷道轴向的水平应力及瓦斯压力梯度越大，卸压区越短，煤体强度越低，煤巷掘进面的突出危险性越高。胡千庭[8]等通过煤与瓦斯突出的发展过程分析，极限平衡区的失稳破坏会导致煤巷掘进面的瓦斯弹性势能、瓦斯内能和失稳煤体本身具有重力势能，会导致媒体应力三带的不平衡变化。Paterson[9]提出了突出是在瓦斯压力梯度作用下发生结构失稳的观点，齐黎明等[10]研究煤巷掘进过程的突出时指出，煤体的强度越低，暴露面前方的应力释放区宽度越宽。何学秋等[11]人通过测定钻孔的电磁辐射强度确定了煤岩卸压区的宽度范围。张九零等[12]运用现场统计方法，计算得到了掘进面前方卸压区宽度；叶青等[13]采用RFPA模拟，反演了动力现象发生时的地质演化过程，得出了在动力现象前后掘进面前方煤体的地应力、瓦斯压力及卸压区宽度的变化规律。

虽然多数学者在卸压区对防治煤与瓦斯突出防御能力方面的研究结论较为一致，对掘进面前方煤体应力三带的应力动态变化特征及演化规律达成共识，但不难发现，先前学者多是对卸压区宽度的定性描述或卸压区宽度与瓦斯、应力的变化规律，对卸压区宽度的影响因素及何种因素对卸压区宽度更具控制作用的研究相对较少。基于此，本文开展卸压区宽度影响因素的考察，并进行了现场验证考察，对煤巷掘进工作面的防突机理和防治技术研究提供参考。

1 卸压区应力分布规律

1.1 应力分布

采掘作业活动破坏了原始煤层的应力平衡状态，使煤体中的应力重新分布。一般情况下，在采掘空间形成的较短时间内，首先在采掘空间界面附近形成较高的集中应力(又称支承应力)，当集中应力值达到煤体的强度极限后，该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部转移，经过一定时间后，形成卸压区(应力松弛区)、应力集中区和原始应力区，如图1所示，在这三个区中，煤体所受应力和变形性质各有差异。

图1 工作面前方煤体中应力分布

由于集中应力(或支承压力)的作用，使煤体边缘首先被压酥，形成裂隙，煤体强度显著降低，只能承受低于原岩应力的载荷，称之为卸压区。由于煤体被压酥，使集中应力的作用点向煤体深部转移，称之为集中应力区。从峰值应力再深向煤体，集中应力随远离煤壁而逐渐衰减，该阶段煤体由于所受应力未达到屈服值，基本上处于弹性变形阶段，为弹性变形区[12]。由于塑性区和卸压区中的煤体经受了峰值应力的作用，超过了煤体的最大承受能力，煤体通常呈现破碎和疏松的状态。在含瓦斯煤体中，极限状态区煤体中的应力状态、瓦斯量大小，尤其是卸压区的长短及其承载能力，对煤与瓦斯动力现象有很大影响，集中应力区宽度大小与煤层开采深度、煤层采高和煤质软硬有关，集中应力越大、煤层越厚和煤质越疏松，卸压区宽度越大[13]。

1.2 研究意义

煤与瓦斯突出是瓦斯、地应力和煤的物理力学性质综合作用的结果，依据《防治煤与瓦斯突出细则》中第一百零三条规定要求，煤巷掘进工作面执行的防突措施必须保留至少5m安全屏障。即考虑到掘进工作面新鲜煤体被揭露后，煤层内储存的弹性潜能、煤岩体覆岩应力及瓦斯内能均处于平衡态向非平衡态的动态演化过程，当工作面预留的安全屏障能够克服非平衡态的峰值应力时，煤体的综合应力将进一步的由非平衡应力状态转变化新的平衡状态，转化过程中，掘进面前方煤体所受的综合应力将向工作面前方未揭露的深部煤体转移。相反，当安全屏障不足以克服综合应力峰值时，煤体塑性将进一步降低，裂缝产生并出现劈裂，煤体垮落等现象，最终在外部扰动应力的叠加下，发生煤与瓦斯突出事故。

相关学者研究均认为，掘进工作面煤体在平衡-动态演变-新的平衡过程中，煤体应力应变会形成原始空隙压密阶段、线弹性阶段、弹塑性变形阶段、破坏阶段和破坏发展阶段。原始空隙压密阶段即处于原始应力阶段，在综合应力作用下煤体的弹性变形处于极限状态，新弹性阶段即煤体所受应力小于极限应力后，煤体处于弹塑性变形的触发状态，裂隙开始产生，达到弹塑性变形阶段后，裂隙开始大量产生，并在横纵方向上相互贯通，煤体膨胀变形加剧，当膨胀变形达到煤体抗拉强度极限后，煤体即进入破坏阶段和破坏发展阶段。在破坏和破坏发展阶段，煤体的渗透率大幅增长，瓦斯内能参与煤体膨胀变形。一般认为，当煤体所受的综合应力达到峰值应力的0.95倍时，煤体裂隙、渗透率增长现象显现，开始发生膨胀变形。卸压区长度是煤体膨胀变形导致应力转移最关键的参数，其组成了塑性极限应力带的一部分，也为瓦斯抽采和钻孔自然排放创造了条件。

2 卸压区应力分布规律

依据文献[1]和[5]中关于卸压带宽度的计算公式：

由式(1)可知，卸压区宽度X0与煤层界面的摩擦因数f、煤体抗拉强度σt成反比，与煤层(或软分层)的厚度m、煤岩的容重γ、侧压系数(最大水平应力和垂直主应力的比值)A0和煤层开采深度H值成正比。因此，对于煤层(或软分层)厚度、开采深度一定的煤层，卸压区宽度X0就取决于煤体抗拉强度σt和煤层界面摩擦因数σt，当σt、f值越小，则X0值越大；对于σt、γ和f值一定的煤层，则m、H值越大，X0值也越大。

2.1 钻屑煤粉量实测

为了探究掘进面卸压区的安全宽度，选取晋城矿区不同瓦斯等级类型的矿井进行现场实测。坪上矿和寺河矿为煤与瓦斯突出矿井，主采3#煤，最大瓦斯含量13～15m3/t。岳城矿(主采3#煤)和寺河煤矿二号井(主采9#煤)为高瓦斯矿井，凤凰山矿(主采15#煤)为低瓦斯矿井，将表1中相关参数代入式(1)进行计算，得到其理论计算值X02。同时，实测工作面煤体的钻屑煤粉量，测定其钻屑量的变化规律，进而分析实测的卸压区宽度，见表1。

表1 掘进面煤体瓦斯相关参数表

钻孔施工时的钻屑煤粉量是煤体强度、煤体应力和煤中瓦斯压力的综合反应，对于同一钻孔深度、钻孔直径的钻孔而言，钻屑煤粉量的变化间接反应了煤体应力的变化情况[20，21]。煤体在其他条件相同情况下，应力状态不同时，钻孔的煤粉量也不同，可以根据钻孔煤粉量的变化来判断煤岩体中的应力变化情况。通过向掘进面前方煤体打钻孔，测定每米钻孔的钻屑煤粉量变化，得出实体煤体前方地应力变化规律，现场实测与数值计算结果如图2所示。

图2 现场实测与数值计算结果

通过表1中卸压区宽度数值计算与实测的钻屑煤粉量的变化对比，可以看出有三个明显特点：①A直线为钻孔钻进5m位置时的钻屑煤粉量突变点，此处的卸压区宽度7.5m左右，为坪上矿和寺河矿两个突出矿井的曲线变化，且与表1中的卸压区宽度计算值相接近；②B直线处于A线和C线之间，为高瓦斯岳城煤矿的钻屑煤粉量变化应力突变点，该突变点与表1中的卸压区宽度计算值吻合度较高；③直线C为寺河煤矿二号井和凤凰山矿两个瓦斯含量均较低的矿井的瓦斯应力曲线突变点，也较好证明了应力变化和卸压区宽度的对应关系。

2.2 钻孔瓦斯流量实测

为了进一步验证卸压区宽度计算是否正确，依据文献[24]中介绍的钻孔瓦斯流量测定方法，推测工作面应力变化对钻孔瓦斯流量的变化规律。与文献[24]的采面钻孔布置方式不同，采用底板岩巷穿层钻孔布置方式，钻孔间距和每组钻孔距离均该文献中参数相同，测定底板岩巷穿层钻孔瓦斯流量与煤巷工作面推进距离的关系，钻孔流量变化如图3所示。

图3 钻孔抽采量与工作面推进距离关系

因矿井瓦斯治理实际，现场观测实验矿井仅在长平矿、成庄矿和寺河矿施工有底板岩巷穿层钻孔抽采措施的矿井实施。长平矿选择在5302底板岩巷进行了为期近5个月的穿层钻孔流量观测，观测煤巷推进距离31m；寺河矿选择在W23022底板岩巷进行了为期近8个月的跟踪测试，观测煤巷推进距离50m；成庄矿选择在4321底板巷进行了为期近7个月的现场观测，观测煤巷推进距离55m。由图3可以看出，钻孔瓦斯流量变化规律基本保持较一致。瓦斯抽采随煤巷推进距离的远近基本可分为卸压增透区、渗透系数降低区和渗透系数稳定区。在渗透系数稳定区，瓦斯流量基本保持在0.25～0.27m3/min，可以认为钻孔瓦斯流量基本不受煤巷采动影响，处于原始应力区，其长度保持在煤巷前方大于40m的范围；渗透系数降低区与稳定区相比，钻孔瓦斯流量降至0.12～0.17m3/min，降低幅度达到52%左右，可以判断是由于受到煤巷掘进面前方集中应力影响的缘故，煤体受力集中导致瓦斯流动阻力增大，渗透率降低而导致钻孔瓦斯流量明显减小，其长度基本位于煤巷工作面前方15～40m范围；卸压增透区钻孔瓦斯流量明显增大，明显是受到卸压区应力降低而导致的媒体孔隙率增大，裂隙由闭合转为开放状态，煤体中瓦斯的吸附-解吸平衡被打破，大量游离瓦斯由导通的裂隙空间被钻孔抽走，其范围基本保持在0～15m范围。

从理论计算和两种实测方法的现场验证，可以确定卸压区宽度计算公式的正确性，为瓦斯抽放钻孔封孔长度、工作面局部综合防突措施有效执行提供理论计算依据。为探究何种指标是卸压区宽度的主控因素，进行有针对性的煤岩体储层改造提供指导，还需对其影响因素进行分析。

3 卸压区宽度主控因素分析

卸压区宽度的影响因素主要与摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、测压系数和开采深度等因素有关，以表1中五个煤矿的掘进面煤体的实测参数为例进行分析，考察影响煤体卸压区宽带的主控影响因素。

3.1 灰色关联模型的建立

以卸压区宽度为母因素(Y0，参考序列)，其影响因素(摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、测压系数和开采深度)为子因素(Yi，比较序列)，以表1中各矿与煤巷掘进面煤体影响因素相关的参数为研究对象，考察其对卸压区宽度的影响大小。

母因素的实测值为：

Y0={y0(1)，y0(2)，y0(3)，…，y0(n)}

(2)

子因素的观测值为：

Yi={yi(1)，yi(2)，yi(3)，…，yi(n)}

(3)

主要包括原始数据的均质化处理、进行关联系数的计算并求出综合关联度系数，进行不同影响因素的关联相似性分析，确定出不同因素的影响程度。y0标准母序列为卸压区宽度实测值，y1为摩擦因数，y2为煤体抗拉强度，y3为煤层平均厚度，y4侧压系数，y5为煤层开采深度。

3.2 灰色关联系数的确定

鉴于以上影响因素指标值的量纲不统一，不便于比较或在比较时难以得到正确的结论，因此在灰色关联度分析时，需要进行数据的无量纲化处理。数据的均值化处理：均值化是指用每个数据除以该列数据的平均值，得到一个占平均值百分比的新序列，在一定程度上减少数据的不稳定性，对原始数据表1采用均值化处理后各数列为：

Y0=(4.02，5.17，5.97，8.05，8.06)

Y1=(0.87，0.76，0.72，0.54，0.57)

Y2=(1.64，1.64，1.71，1.03，1.12)

Y3=(5.4，5.66，5.5，4.22，4.16)

Y4=(0.21，0.23，0.25，0.32，0.34)

Y5=(580，520，660，480，552)

均值化后：

Y0=(0.64，0.82，0.95，1.28，1.28)

Y1=(1.25，1.09，1.04，0.78，0.82)

Y2=(1.14，1.14，1.19，0.72，0.78)

Y3=(1.08，1.13，1.1，0.84，0.83)

Y4=(0.77，0.85，0.92，1.18，1.25)

Y5=(1.03，0.93，1.18，0.85，0.98)

3.3 灰色关联度系数

采用式(4)进行数据序列关联度系数的计算：

ξi(k)=

因为关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻的关联程度值，故它的数不止一个，而讯息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值，也就是求其平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示，关联度ri公式：

计算得到的关联度为：γ1=0.5289，γ2=0.4721，γ3=0.5241，γ4=0.9197，γ5=0.5878。

4 卸压区宽度主控因素

经关联度比较得出，γ4>γ5>γ1>γ3>γ2，说明卸压区瓦斯宽度与侧压系数最为密切，相比其他影响因素而言，关联度数值最大；在煤层摩擦因素、煤层平均厚度和煤层埋藏深度关联度较为接近，但相对而言，煤层埋藏深度关联度最大，同时，分析结果表明，煤体抗拉强度对于卸压区宽度而言，关联度的密切程度最低。

在煤巷掘进过程中，要施工边掘边抽、短孔临时抽放、水力冲孔或水力压裂、松动爆破等局部性防突措施，其主要目的是降低煤体瓦斯压力梯度和瓦斯含量，提高煤体强度，增大煤巷前方的卸压区宽度，达到局部消突的目的。侧压系数在煤巷卸压区宽度中为主要控制因素，通过施工外部荷载来增大煤体的破碎疏松程度，可有效增大卸压区宽度，达到抵御煤与瓦斯突出及提高煤巷掘进进度的目的。