矿井建设中煤与瓦斯突出防治技术应用

万明亮

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿， 山西 古交 030200）

煤层开采期间，因工程诱发原因可能引起煤与瓦斯突出问题，学者们在这一方面也进行了大量研究与试验，但是所提出的理论和得到的试验结论也都基于大量工程假设，与煤层开采实践仍存在一定差距。在此基础上，本文结合瓦斯渗流理论及煤岩体形变实际，在综合考虑煤岩介质非均匀力学性质和煤岩介质变形破裂过程中透气性非线性变化的趋势特征后，对可压缩瓦斯气体和煤岩体变形作用进行耦合处理，对煤层开采引发含瓦斯煤岩形变、破裂、突出等全过程进行模拟，并结合模拟结果分析了掘进煤巷煤与瓦斯突出防治的技术要点。

1 瓦斯管路巷概况

瓦斯管路巷位于+860 m 水平二采区，地表标高1 190～1 260 m 之间，井下底板标高为933～956 m，盖山厚度为281～337 m，下覆未开采8 号煤层。在该瓦斯管路巷施工过程中，瓦斯涌出量为2.3 m3/min。就所揭露的岩型来看，瓦斯管路巷开口位置在砂岩中，且岩石基本处于稳定状态，岩层硬度系数达到4.0～5.0，所对应采区内的煤层主要表现为单斜构造赋存条件，倾角均值在4°～5°之间，整体呈西高东低。出于施工安全及避免误揭煤等方面的考虑，在瓦斯管路巷施工中必须采用区域超前钻探与局部超前钻探相结合的方案。

2 煤与瓦斯突出发生机理

煤与瓦斯突出发生的必要条件是含瓦斯煤体的物理力学性质受到影响，因其结构内部存在大量Griffith 缺陷[1]，打破了其有效应力的均衡性，引发煤体局部形变及宏观裂隙，煤层也因此失去承载能力。在瓦斯管路巷施工过程中，在围压作用下，含瓦斯煤层破裂的过程可大致划分为压密、线弹性、局部破裂、塑性软化、残余应力等阶段。根据相关研究，随着瓦斯突出压力的增大，煤体应力峰值、切线弹性模量、残余强度等均呈降低趋势。瓦斯管路巷施工必然会引发煤层扰动及含瓦斯煤层瓦斯的渗流，在煤层所受的应力值达到最大水平前，煤层弹性呈增大趋势，并表现出塑性变形，同时承受应力也与极限平衡状态无限接近，进而堵塞瓦斯流动通道，显著增大瓦斯内能。随着施工过程的持续推进，可能会对含瓦斯煤层造成稳定性破坏，这种破坏根据内部位置所对应的应力状态，具体又分为Ⅰ类和Ⅱ类两种[2]。其中Ⅰ类破坏常出现在煤层受载超出峰值之后，且其变形过程基本稳定，只有待进一步加载后才会转为严重破坏；而Ⅱ类破坏变形过程并不稳定，会引发煤层应力下降以及裂纹失稳扩展，即发生突出。

3 煤与瓦斯突出防治

3.1 煤与瓦斯突出数值模型

将该瓦斯管路巷顶板设置为Lagrangian 单元，通过SPH 单元进行区域描述，具体如图1 所示，所设计模型的长×宽×高具体为20 m×15 m×0.3 m。由于瓦斯管路巷煤与瓦斯突出过程数值模拟对顶板和地板计算精度的要求没有煤层单元数值模拟精度要求高，故此处瓦斯管路巷顶板和地板单元网格的设置比煤层单元要略粗，共设置2 762 个SPH 粒子单元。

图1 煤与瓦斯突出数值模型

结合相关理论分析，在应力波传输期间，如遭遇原生边界、裂纹、弱面及损伤等后，便会在交界面位置表现出明显的应力集中并放大的现象，当这种集中或放大的程度远远超出煤体强度所能容忍的界限时，便会引发煤体破坏。然而，在具体模拟过程中，因建模水平及计算能力等方面的限制，构建有限体积数值模型进行实际瓦斯管路巷模拟分析时，必须充分考虑上下左右边界处应力波所产生的边界效应，而本次分析所采取的应对策略主要为在瓦斯管路巷边界施加LS-DYNA无反射边界[3]。在图1 所构建的模型中，通过海姆假设计算其上部边界所承受的原岩应力值，且瓦斯压力取3.2 MPa。

3.2 煤与瓦斯突出数值模拟结果

通过应用LS-DYNA 数值模拟软件，可以对瓦斯管路巷从失稳、形变到破裂、突出全过程进行分析。从这一过程可以得知，瓦斯管路巷施工过程中煤与瓦斯在极短时间内突出，且高压瓦斯瞬间发生剧烈的理化反应与能量转移。初始阶段突出时间约1.23 s，此时能明显观测到在瓦斯管路巷施工脉冲动荷载影响下，水平向地应力及瓦斯压力突然作用使得断面瞬间丧失承载力，且地应力峰值快速转移至内部结构，构成弧形应力带，并起到内部瓦斯外泄的阻挡作用，从而增大了瓦斯压力。然而，这种暂时形成的弧形应力带处于单向受力状态，不具备较高且较持久的承载力，且会在内部高压瓦斯裹挟影响下而从巷道空间涌出，形成层状剥离状态。此外，地应力峰值也会持续转移至巷道内部，进一步形成全新的弧形应力集中带，以便使煤与瓦斯突出的过程持续下去。

在继续诱发煤与瓦斯突出的过程中，新暴露面持续扩大，在煤层赋存条件不连续因素的影响下，当瓦斯管路巷施工时遇到一定宽度并具备一定承载力的突出煤壁时，煤壁抵抗地应力压碎的能力将持续降低，同时煤壁还起到支撑上部荷载的作用，从而使巷道内高压瓦斯持续泄漏，瓦斯压力梯度呈降低趋势，瓦斯裹挟煤粒的能力也不断下降，煤与瓦斯突出强度持续降低，最终趋于零。

通过对瓦斯管路巷施工过程中煤与瓦斯突出的分析发现，在整个突出过程中，弧形集中应力带始终存在，其诱因主要为上部顶板压力瞬时间的作用。该应力带形成后，区域内裂隙均变为闭合状态，高压瓦斯也因此被阻挡于煤层结构内部，起到了一定的稳定瓦斯压力的作用。随着弧形应力集中带的破碎，煤层结构内部的高压瓦斯会裹挟破碎煤体瞬间涌出巷道，应力集中带也会持续向新暴露出的煤壁方向移动，突出过程持续进行。

3.3 煤与瓦斯突出防治思路

在瓦斯管路巷施工过程中，应力峰值与煤壁的距离约4.0 m，但煤壁附近煤体较硬时，在硬煤的支撑下，应力峰值会逐渐向掘进面煤壁移动，使发挥有效抵抗作用的煤柱宽度大大减小，瓦斯压力梯度随之提升，在施工扰动、高压瓦斯及煤体结构内部弹性潜能等的综合作用下，煤与瓦斯突出现象更容易发生。根据以上作用机理，出于防治角度考虑，应保证瓦斯管路巷施工过程中掘进头前方煤体均质化，以克服煤层内软硬分层分布不均、特殊构造处地应力集中等引发瓦斯突出现象出现的可能性。

在该瓦斯管路巷施工过程中，造成煤与瓦斯突出的主要原因在于内部高压瓦斯及对应的压力梯度，为此应采取有效的煤层内瓦斯抽采措施。结合类似矿井建设的成功经验，可以采取深孔预裂爆破技术增强煤层透气性，并进行瓦斯抽采，从而减小并消除煤与瓦斯突出发生的可能。

4 深孔预裂爆破防治试验

4.1 防治措施

试验地点设置在该瓦斯管路巷以北+860 m 水平东翼轨道大巷，具体布置情况如图2 所示。经实地测量，该轨道大巷所在处的煤层瓦斯压力达到1.12 MPa，瓦斯释放速率为6 mL/s，突出危险系数较高，且在瓦斯管路巷施工过程中，煤壁瓦斯释放速度快。将1 组钻场设置在巷道迎头，且各个钻场内均设置6 个钻孔，详细钻孔参数如表1 所示，1 号、2 号钻场压茬长度均应控制在5.0 cm 以内。煤与瓦斯突出防治过程中，应先进行抽采孔施工，结束后立即将瓦斯抽采系统接入，此后进行2 个爆破孔施工，完成后按设计要求装药并封孔，药管采用深空预裂爆破专用爆破药管。在爆破开挖后，借助在线监测系统监测瓦斯抽采过程。

图2 爆破孔和抽采孔布置情况

表1 深孔预裂爆破钻孔参数

4.2 防治效果

对防治措施应用前后的瓦斯管路巷瓦斯抽采浓度进行对比后发现，深孔预裂爆破措施实施后，所抽采的瓦斯浓度比爆破前高出4～6 倍，且预裂爆破后30 min内，抽采的瓦斯纯量达到0.045 m3/min，相比较而言，预裂爆破前所抽采的瓦斯纯量仅有5.0×10-5m3/min，预裂爆破处理后所抽采的瓦斯纯量比处理前多出1 000 倍，在预裂爆破4 h 后所抽采的瓦斯纯量开始逐渐降低。该瓦斯管路巷经过24 h 抽采，瓦斯预采率达到74.96%，巷道内残余瓦斯压力降至0.15 MPa，也说明了本次所采用的煤与瓦斯突出防治措施的有效性。试验表明，深孔预裂爆破瓦斯突出防治技术的应用，能显著提升煤层的均质化程度以及瓦斯抽采效率，能快速有效消除煤与瓦斯突出的危险因素，保证瓦斯管路巷施工过程的安全。

5 结论

深孔预裂爆破防治措施能够超前消除煤与瓦斯突出危险因素，确保瓦斯管路巷施工顺利进行。为此，通过分析施工过程中各阶段煤体质点运动特性，得到了煤与瓦斯突出过程中弧形应力集中带变化的趋势特征及主要影响。采取煤与瓦斯突出的深孔预裂爆破防治措施后，煤体均质化程度提升，瓦斯压力及瓦斯压力梯度得到较大程度地削弱和降低，煤与瓦斯突出的危险性也大大弱化。工程应用效果也表明，深孔预裂爆破防治技术在瓦斯抽采过程中应用效果十分显著，可在矿井建设中推广应用。