桑树坪煤矿煤与瓦斯突出问题研究

刘 帅，李晓斌

(延长石油矿业有限公司巴拉素煤业公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

韩城矿区是陕西乃至全国瓦斯灾害严重的矿区之一，曾发生过有记载的煤与瓦斯突出和突水及老空区透水事故150余次，造成重大人员伤亡和财产损失。矿区骨干生产矿井桑树坪煤矿开采煤层均具有突出危险，其中主采3号煤层透气性低，系严重中厚突出煤层，突出次数占矿区总突出次数的70%以上，发生过各种类型的瓦斯动力现象，包括煤与瓦斯突出、压出、倾出及瓦斯喷出等动力现象，甚至发生过特大型煤与瓦斯突出事故。4321工作面是矿井首次综采放顶煤开采严重突出的3号煤层，在4321采煤工作面服务巷道的掘进过程中，区域临界指标一降再降，仍然发生突出以及突出预兆的动力现象，因此需要确定4321动力现象的类型，为其瓦斯治理找到方向，从而保证矿井的生产掘进在瓦斯动力方面的安全。

近年来随着矿井开采深度越来越大，复合动力灾害也越发频繁，单纯的瓦斯或者冲击地压治理已不能解决现有的复合动力灾害。因此，众多学者在复合动力灾害方面也做了大量研究。潘一山[1]研究了煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害发生的统一机理，建立了统一失稳判别准则，并将复合动力灾害划分为4种类型，为复合动力灾害的治理提供了方向。章梦涛等[2]提出冲击地压、煤与瓦斯突出统一失稳理论，采用失稳的能量判据作为冲击地压和突出的统一判据。尹永明等[3]将冲击性煤与瓦斯突出分成了4个阶段，推导了冲击型煤与瓦斯突出能量准则，根据冲击载体的不同，冲击型煤与瓦斯突出分为顶板冲击型突出、底板冲击型突出和煤层冲击型突出3 类，并分别进行了力学分析，对冲击型煤与瓦斯突出“力源”进行分析，阐明了发生冲击型煤与瓦斯突出的必要条件。LI Z H等[4]研究了金属开采对断层面应力和滑动位移的影响。单麒源等[5]通过对冲击地压与瓦斯之间的相互关系进行研究，分析了冲击地压与瓦斯之间的相互影响作用关系，总结了冲击地压与瓦斯的作用机理和过程，并提出冲击地压与瓦斯突出的防治方法。

1 冲击地压和瓦斯突出的转化机制

煤矿井下巷道顶底板及两帮在受到各方面作用后产生变形，致使其内部裂隙发育。当煤岩体承受的作用力超过其所能承受的峰值强度时即发生塑性破坏，从而形成塑性变形区，致使巷道内煤岩体的承载能力急剧下降，此时煤岩体内的高应力会将目标对准巷道周围的弹性变形区，使弹性变形区内积聚大量的弹性能；巷道周围的煤岩体发生破坏，内部孔隙的吸附瓦斯、裂隙以及压力状态都会向容易发生突出的一边变化，而随着各个影响因素的变化，煤体的透气性变得越来越差，从而致使游离高压瓦斯大量积聚，使其具有很高的膨胀能，但同时周围煤岩体给其施加有阻力，此时巷道内煤岩体达到平衡状态，为冲击型煤与瓦斯突出做好准备。

准备阶段完成后，巷道内煤岩体处于极限平衡状态，在采掘活动进行时极限平衡状态被打破，弹性变形区内积聚的能量被释放，即发生冲击地压。而冲击地压所释放的弹性能中部分会以动能的形式使煤体中局部吸附的瓦斯解析膨胀，高压瓦斯集聚区的瓦斯膨胀能增大[5]。与此同时，采掘活动的进行致使煤岩体内大量积聚的瓦斯的阻力减小，当积聚的瓦斯突破煤岩体的约束而推动煤体抛出时，就发生了冲击型煤与瓦斯突出。

2 冲击型煤与瓦斯突出的条件

2.1 冲击型煤与瓦斯突出的条件一

设煤岩体中储存弹性能为E1，储存的能量在传递过程中对煤岩体中裂隙以及其他因素做功必然有所消耗，设消耗的能量为E2，当传递后的能量足够破坏巷道煤岩体时，被损伤弱化的煤岩体就会向自由空间抛出，设抛出的煤岩体动能为E3，则冲击型煤与瓦斯突出在发生突出时的能量准则为[3]

E3=E1-E2>0

(1)

设煤岩体在原岩应力场中积聚弹性能E4，开采等外界扰动源传播到冲击危险区域时的能量为E5，巷道内高压瓦斯积聚的能量为E6得

E1=E4+E5+E6

(2)

将式(2)代入式(1)，得到冲击型煤与瓦斯突出在发生突出时的能量准则为

E4+E5+E6-E2>0

(3)

而巷道单位长度内所积聚的弹性能可表示为[6]

E=Syεy+Smεm

(4)

式中，E为巷道影响范围内围岩积聚的能量，kJ；Sy为巷道影响范围内岩体面积，m2；Sm为巷道影响范围内煤体面积，m2；εy为岩体的能量密度,J/m3；εm为煤体的能量密度,J/m3。

则当煤层厚度为m时，单位长度巷道围岩积聚能量为

E7=Syεy+Smεm

(5)

从而可知式(3)中E4即为式(5)中E7。

又可知煤与瓦斯突出时瓦斯的膨胀能可表示为[7]

(6)

式中，β为煤岩体孔隙率，常数；P为孔隙压力，Pa；P0为大气压力，Pa；λ为解析吸附单位体积瓦斯气体时所释放的气体内能(等温条件下)，J；B为初始瓦斯含量，1；n为Airey常数，通常取0.5；D为瓦斯在煤层中的扩散系数，常数；T为突出周期，h；d为煤颗粒平均直径，m。

从而可知式(2)中E6则为式(6)中的W。

由此可得冲击型煤与瓦斯突出在发生突出时的能量准则为

E7+E5+W-E2>0

(7)

此能量方程可作为冲击型煤与瓦斯突出发生的第1个条件。

2.2 冲击型煤与瓦斯突出的条件二

条件一的能量方程并不能确定突出为冲击型煤与瓦斯突出，由此还需建立冲击型煤与瓦斯突出的条件方程组。

在突出发生时，巷道围岩积聚的能量和瓦斯的膨胀能都会参与，而参与能量的大小决定了突出发生的类型，当参与破坏的巷道围岩积聚能量和瓦斯膨胀能的比值大于1时，才是地应力主导型突出，由此我们可以得到方程组所需的另外一个方程

(8)

以上2个条件，可作为地应力主导型突出的条件方程组，即

(9)

式(9)在能量方面全面的限制了突出的发生类型，既保证了突出的发生，又将突出型冲击地压排除在外。因此，在采掘过程中，一旦满足上述条件而发生的突出，必然是地应力为主导的突出。

3 4321工作面地应力主导突出论证

钻屑指标法是突出危险性预测方法之一，其指标包括钻屑量S和钻屑解吸值q。由于这2个指标能全面地反映工作面的突出危险性，因此，被广泛地运用于突出煤层采掘工作面预测预报[8]。该方法是在工作面用8～10 m的麻花钎杆向煤层打φ42 mm的钻孔，根据钻孔过程中每米排出钻屑量的多少以及排出钻屑的瓦斯解吸指标的大小预测工作面前方钻孔范围内的突出危险性[9-12]。其操作简单，成本低，并且其取的数据对预测突出和冲击地压都很有意义。表1、2为4321开采服务的3条巷道8个月预测孔的最大钻屑量Smax以及钻屑瓦斯解析指标q在钻孔施工到10 m时的统计。

表1 3条巷道最大钻屑量Smax数据统计Table 1 Statistics of the maximum drilling cuttings Smax in three roadways

由表1、2可知，3条巷道8个月的钻孔施工过程中，共有5次动力现象，其中共有4次突出预兆，1次突出。

由表1可以看出，5次动力现象皆发生在Smax大于4 kg/m的范围。就整体而言，虽然钻屑量没有超过国家《防治煤与瓦斯突出规定》76条[12]的6 kg/m，但是钻屑量还是很大。4321采面的煤整体松软，破坏类型以Ⅳ～Ⅴ类为主。由此我们可知4321采面地应力较大。

由表2可知，在166次的预测中，有动力现象所对应的q值的范围非常大。4321上运顺其中的一次动力现象所对应的q值仅为0.4。由此可以基本断定，对5次动力现象起主导作用的不是瓦斯含量。

表2 3条巷道钻屑瓦斯解析指标q数据统计Table 2 Statistics of gas analytical index q of drilling cuttings in three roadways

4 结论

(1)4321工作面服务的2条巷道动力现象为地应力主导，在治理瓦斯时要注意不能单一的治理瓦斯或者冲击地压，要两方面兼顾。

(2)在4321采掘过程中，瓦斯解析指标q基本对工作面的防突起不到任何作用，后期应该采用测瓦斯Δh2或者K1作为预测突出的解析指标。

(3)防治煤岩瓦斯动力灾害应针对危险源主控因素、地应力及瓦斯作用能量主次，采取相应卸压、抽排瓦斯、控制诱发能量及改变煤岩动力倾向性物理力学特性的综合技术措施。

(4)在区域措施效果检验时，由区队主要领导现场跟班取样，通防区安排熟练的持证检验工现场解析，特殊地点由通风科派人跟班取样，保证取样真实性、有效性。