高瓦斯煤層沖擊地壓特征機理研究現狀

徐晨陽

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京100083）

中國是世界第一大產煤國，煤炭資源總量達5.57萬億噸。隨著經濟建設步伐的加快，全國能源消費對煤炭的需求持續迅速增加，我國煤炭開采的深度以每年10～20 m的速度遞增。目前國內礦山開采平均深度已達600 m，一部分礦山采深已達1 000 m以上[1]。

伴隨開采深度的不斷增加，地應力、瓦斯含量和壓力不斷增大，原來的非瓦斯或低瓦斯煤層也逐漸變為高瓦斯煤層。不斷增大的地應力與瓦斯壓力等因素相互耦合，使沖擊地壓等煤巖瓦斯動力災害日益增多，并且表現出新的災害特征。伴隨瓦斯壓力的升高，煤層中瓦斯的賦存與流動對于事故發生的作用凸顯。因此，研究深部高瓦斯煤層沖擊地壓中瓦斯因素的作用，能夠為此類災害事故的防治技術和方法提供理論依據，對礦井安全防護、抗災系統設計和事故應急預案等均具有重要的理論和現實意義。

1 高瓦斯煤層沖擊地壓特征

近年來，我國發生了多起兼具沖擊地壓和瓦斯突出兩種動力災害表現特征的事故，諸如2005年平頂山十二礦、2007年平頂山十礦、豐城礦務局建新煤礦、河北金能邯礦集團陶二煤礦、河北峰峰集團有限公司大淑村煤礦、阜新礦區五龍礦和王營礦、撫順老虎臺礦等礦的動力災害事故。

李忠華等[2-3]對阜新礦區的深部沖擊地壓災害特征進行了統計研究，并得出阜新礦區的沖擊地壓為高瓦斯煤層沖擊地壓的結論；李鐵等[4-5]分析了撫順礦井沖擊地壓事故的特點，提出沖擊地壓和瓦斯的相關性；王振等[1,6]綜合分析了平煤、阜新和撫順礦區的沖擊地壓災害，并總結了災害的特點以及與典型瓦斯突出的異同點。

總結以上統計結果，可以得出此類煤巖動力災害有以下幾點共同特征：

1）事故所在礦井，煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大。沖擊地壓災害的發生常常伴隨大量高濃度瓦斯涌出。但與典型煤與瓦斯突出相比，噸煤瓦斯涌出量一般不大；事故發生后回風巷瓦斯濃度一般較低，大概為10%；風流逆轉現象不明顯。

2）災害事故的發生地點埋深大，煤層地應力高，事故現場均有明顯的頂板下沉斷裂、底鼓、巷道擠壓、煤壁外移等礦壓顯現情況，而且具有一定的孔洞，拋出煤巖距離較遠，但拋出煤巖無明顯的分選性。

3）在高地應力的作用下，同樣強度的煤體表現出明顯的軟化特征。通常認為硬煤不易發生瓦斯突出，軟煤不易發生沖擊地壓的經驗不再適用。在高瓦斯壓力和高地應力的雙重條件下，煤層同時存在沖擊地壓和瓦斯突出的危險。

4）為減少瓦斯災害、有效利用煤層氣資源，高瓦斯煤層都會采取瓦斯抽放措施，但在瓦斯抽放后，沖擊地壓發生的頻率和強度都有明顯增加。

從以上特點可以看出，在深部高瓦斯煤層中，瓦斯因素對沖擊地壓災害發生的作用明顯。

2 高瓦斯煤層沖擊地壓災害機理研究現狀

關于沖擊地壓的發生理論，國內外已有多年的研究，主要形成了強度理論、能量理論、沖擊傾向理論、剛度理論和失穩理論等。但在大多數的煤層沖擊地壓研究中，很少甚至沒有涉及煤層瓦斯對沖擊地壓發生的作用。

李忠華、潘一山等[2-3]最先系統地分析了瓦斯對煤體失穩破壞的影響，建立了瓦斯煤層沖擊地壓數學模型，并提出了防治措施；李鐵等[4-5]分析了瓦斯異常涌出的條件，以及底板沖擊地壓誘導瓦斯災害的力學機制；王振等[1,6]分析了瓦斯對煤力學性質的影響以及瓦斯滲流和裂隙擴展的規律，并研究了沖擊地壓與瓦斯突出在不同階段相互誘發轉化的條件；馬海峰等[7]研究了應力場對瓦斯場的影響，并建立了氣固耦合模型；董飛亞[8]分析了深部沖擊地壓影響因素，并研究了高瓦斯煤層沖擊地壓發生機理；王磊[9]研究了應力場和瓦斯場的耦合效應。

綜合以上研究成果以及其他相關理論，可以得到以下幾方面結論。

2.1 瓦斯對煤的作用

煤體中含有大量的孔隙和裂隙，瓦斯在其中以游離和吸附兩種狀態存在。

游離瓦斯產生孔隙壓力，以體積力作用于煤體。瓦斯壓力增大，導致有效應力減小，降低了煤體抵抗破壞的能力。同時，游離瓦斯阻礙煤體裂隙收縮，促進其擴展，并減弱了裂隙面的摩擦系數，進一步導致煤體強度降低。

吸附瓦斯通過吸解作用影響煤的力學性質，改變了煤的本構關系。瓦斯顆粒吸附于煤體顆粒之間，減弱了煤體顆粒間的粘聚力，宏觀上表現為彈性模量降低。同時，吸附瓦斯減少了煤體內部裂隙表面張力，同樣減弱了煤體的強度。

同時也應注意到，當煤體受壓接近或達到峰值強度時，微小裂隙會合并產生集中，進而形成宏觀裂縫，裂縫空間會迅速被瓦斯氣體所充滿，導致裂縫集中區的煤體強度進一步降低，此時瓦斯賦存情況也在急劇變化。裂隙繼續發展，瓦斯不斷涌入，煤體損傷加劇，如此循環反復，極易在微小擾動下失穩，導致災害發生[2]。

總之，在高瓦斯煤層中，瓦斯對煤體的作用顯著。

2.2 應力場與瓦斯場的耦合效應

在高瓦斯煤層中，地應力和瓦斯壓力都非常大，瓦斯場不能被忽略，即應力場與瓦斯場耦合共同作用于煤體。

2.2.1 煤體應力應變與瓦斯壓力的關系

通過使用瓦斯煤巖體氣固耦合瓦斯參數測試儀配合RMT-150巖石力學實驗系統對含瓦斯煤樣做單軸壓縮試驗[9]，結果，見圖1，圖2。比較分析以上實驗數據，不難發現：

圖1 1MP吸附瓦斯壓力下應力應變與瓦斯壓力關系

圖2 1.5MP吸附瓦斯壓力下應力應變與瓦斯壓力關系

1）瓦斯壓力越大，煤體峰值強度越低。因為瓦斯壓力越大，瓦斯對煤體的侵蝕作用越強，煤體。當應力接近峰值強度時，瓦斯壓力突然下降，隨后再次攀高。此現象的原因是在初始的彈性應變階段里，煤體受應力壓實，孔隙空間減少，瓦斯壓力升高；在接近峰值強度時，煤體進入塑性應變階段，煤體內部裂隙迅速擴展發生剪脹現象，游離瓦斯瞬間涌入新的空間，但吸附瓦斯解吸相對滯后，導致瓦斯壓力暫時降低。之后吸附瓦斯向自由空間解吸,瓦斯壓力又進一步增大。

2.2.2 煤層應力與瓦斯壓力的分布規律

利用KSE-n-1型鉆孔應力計以及安裝在煤層順層鉆孔上的瓦斯監測儀表，沿煤層工作面推進方向測量煤體應力與瓦斯壓力[7]，結果見圖3。

圖3 煤層應力與瓦斯壓力分布

由圖可以看出：

1）煤體應力與瓦斯壓力變化趨勢基本一致，均分為壓力穩定區，壓力集中區和卸壓區3個區域。且煤體應力與瓦斯壓力在工作面前方都存在一個峰值。

2）瓦斯壓力分布與煤體應力分布呈正相關關系，瓦斯壓力的變化明顯受控于媒體應力，但分布稍不同步。

因采動影響，煤層在工作面前方形成應力集中，即由煤體深處至工作面，應力首先不斷增大，煤體被壓實，瓦斯壓力也隨之增大；當應力接近煤體峰值強度時，煤體發生擴容，裂隙發育，煤體透氣性增強，瓦斯壓力開始下降；之后煤體應力達到峰值強度，煤體破壞而迅速卸壓，同時瓦斯在濃度差的作用下，擴散涌出煤壁。這也是瓦斯壓力峰值超前于應力峰值的原因。

2.2.3 高瓦斯煤層沖擊地壓發生機理

在深部高瓦斯煤層中，地應力和瓦斯壓力都非常高，應力場與瓦斯場共同作用于煤體，煤體積聚了大量的彈性勢能和瓦斯內能。受采動的影響，煤層部分區域發生應力集中，瓦斯壓力隨應力升高而增大，彈性勢能和瓦斯內能也在此區域集中，此時煤體處于高應力高瓦斯壓力的非穩定平衡狀態。

煤體受到放炮、開采等擾動時，部分煤體應力瞬時增大，若應力接近煤體峰值強度，煤體裂隙會迅速發育，游離瓦斯涌入新生裂隙。一方面，瓦斯壓力差驅動游離態瓦斯在裂隙中滲流，由滲流引起的瓦斯濃度差又會驅動吸附瓦斯解吸、擴散，導致瓦斯賦存和流動的突變；另一方面，瓦斯促進裂隙擴展，并繼續涌入新生裂隙，如此循環反復，產生裂隙集中區。煤體強度不斷降低，損傷加劇，趨于極度不穩定狀態，最終達到失穩臨界點，導致沖擊地壓發生。

沖擊地壓發生時，釋放出大量能量，導致巷道破壞，頂底板大范圍斷裂，煤體剝落、拋出，并在破壞地點形成了新的自由面。新暴露出的煤體內外會存在較高的瓦斯壓力差，驅動瓦斯大量外溢。若此時瓦斯壓力差足夠大，滿足突出發展的條件，則將發生以瓦斯內能為主導的突出災害。

3 研究存在的問題及展望

迄今，我國發生瓦斯煤層沖擊地壓事故的礦井已不在少數，但關于高瓦斯煤層沖擊地壓的專門研究仍舊較少，在知網檢索文獻不超過20篇，且存在著諸多不足：

1）目前，高瓦斯煤層沖擊地壓的研究成果主要集中在沖擊地壓發生的力學機制、瓦斯與煤氣固耦合機理和沖擊地壓與瓦斯突出相互誘發轉化等基礎理論方面，還沒有統一的能夠詳細解釋高瓦斯煤層沖擊地壓發生過程的理論。

2）當前的研究大多是根據實驗模擬和現場實測數據推理出的定性理論，缺乏定量化的理論模型。而且在為數不多的數學模型中，煤層的各向異性被忽略，煤層瓦斯流動模型過于簡化，使得模型不能很好地模擬現場情況。

3）由于高瓦斯煤層沖擊地壓的研究成果有限，目前依舊延續著傳統的沖擊地壓預測和防治方法，高瓦斯礦井仍然存在著沖擊地壓災害危險。

今后的高瓦斯煤層沖擊地壓研究需更多著手于定量的理論研究，一方面要足夠重視瓦斯的作用，全面考慮瓦斯吸解—擴散—滲流混合流動模型，另一方面應綜合分析應力場、瓦斯場以及裂隙場等多方面，建立含瓦斯煤的有效應力—損傷—滲流耦合模型，為災害發生的機理以及預測防治提供 數據支持。

[1]王振.煤巖瓦斯動力災害新的分類及誘發轉化條件研究[D].重慶:重慶大學資源及環境科學學院,2010.

[2]李忠華.高瓦斯煤層沖擊地壓發生理論研究及應用[D].阜新:遼寧工程技術大學力學與工程學院,2007.

[3]潘一山,李忠華.阜新礦區深部高瓦斯礦井沖擊地壓研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24:5202-5205.

[4]李鐵.三軟煤層沖擊地壓誘導煤與瓦斯突出力學機制研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(6):1283-1288.

[5]李鐵.深部開采沖擊地壓與瓦斯的相關性探討[J].煤炭學報,2005,30(5):562-567.

[6]王振.高瓦斯煤層沖擊地壓與突出的誘發轉化條件研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(4):572-575.

[7]馬海峰.高瓦斯煤層采動應力對采場瓦斯壓力的影響研究[D].淮南:安徽理工大學能源安全學院,2011.

[8]董飛亞.深部高瓦斯煤層沖擊地壓預測防治技術研究[D].焦作:河南理工大學能源科學與工程學院,2012.

[9]王磊.應力場和瓦斯場采動耦合效應研究[D].淮南:安徽理工大學能源與安全學院,2010.