立井揭煤過程中各影響因素的分析

夏騰飛　童保國　殷術明　李　磊

(河南能源化工集團永煤公司城郊煤礦)

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立井揭煤過程中各影響因素的分析

夏騰飛童保國殷術明李磊

(河南能源化工集團永煤公司城郊煤礦)

摘要立井揭煤是煤礦礦井開拓中的重要一環,是一個系統工程。從瓦斯含量、瓦斯壓力、地應力、高地溫、巖溶水壓、采礦擾動和煤的強度與構造等對立井揭煤的影響進行了分析，為以后的立井揭煤提供了指導。

關鍵詞立井揭煤瓦斯含量及壓力煤體強度與構造

1瓦斯含量和瓦斯壓力對立井揭煤的影響

瓦斯是植物遺體在成煤過程中生成的伴生物，大部分瓦斯在煤層和巖層中主要以游離狀態和吸附狀態存在。瓦斯造成的事故在煤礦事故中占有很大比例，煤礦瓦斯治理在世界上一直是個難題。由于我國淺部礦產資源逐步枯竭，礦井開拓逐步向深部擴展，隨著開采深度的增加，瓦斯含量和壓力逐漸增大，瓦斯突出危險性也逐漸增大，一些瓦斯礦井會升級成瓦斯突出危險礦井，可能會在立井揭煤過程中造成煤與瓦斯突出等事故[2]，造成作業人員重大傷亡和重大經濟損失。

國外學者以瓦斯為主導的假說主要包括：“瓦斯包”、“粉煤帶”、“煤空隙結構不均勻”、“裂縫堵塞”、“閉合孔隙瓦斯釋放”、“瓦斯膨脹”、“地質破壞帶”、“瓦斯解析”、“火山瓦斯”等。國內學者也對煤與瓦斯突出進行了充分的研究，形成了具有一定實際意義的理論依據，其中包括：于不凡先生提出的中心擴張學說，鄭哲敏院士從力學角度通過量綱分析，提出高瓦斯是大型突出所需能量的主要提供者的觀點，李中成提出突出是煤體盤形拉伸破壞連鎖反應過程的觀點，李萍豐提出了二相流體假說，周世寧院士和何學秋教授提出了流變假說，愈善炳建立了突出的恒穩推進模型，梁冰和章夢濤提出煤與瓦斯突出固流耦合失穩理論，蔣承林和俞啟香提出了球殼失穩假說等。

為了驗證有關瓦斯含量和瓦斯壓力對煤與瓦斯突出的影響，重慶大學王維忠等采用同一種煤樣，在煤樣成型壓力、煤樣含水率、受力狀況等參數均恒定的條件下，研究了不同的瓦斯壓力對煤與瓦斯突出影響的模擬實驗。得出：①煤與瓦斯突出發生后形成的孔洞呈口小腔大的梨形或者橢圓形，突出發生后在突出區域附近的煤層會產生一定的位移和變形，突出的煤體體積占孔洞的1/3～1/2；②存在一個煤與瓦斯突出發生與否的瓦斯壓力閾值，瓦斯壓力不僅作為動力促使發生突出，也使煤粉碎并拋出煤粉；③在突出過程中，因地應力和瓦斯吸附作用會使煤體溫度升高，但瓦斯氣體膨脹做功和瓦斯解吸作用會使煤體溫度下降，煤樣溫度出現先升高后下降的連續變換趨勢，因此可以根據溫度的變化來預測煤與瓦斯突出危險性的大小[3]。

2地應力對立井揭煤的影響

國內外學者有關地應力的研究已取得重要成果，指出引起地應力的主要原因是重力作用和構造運動，對地應力形成影響最大的是水平方向的構造運動[4]。隨著開采深度的增加，出現：①高地應力，進入深部開采后，僅有重力引起的垂直原巖應力超過了工程巖體的抗壓強度，并且由于工程采掘活動引起的水平應力集中遠大于工程巖體的抗壓強度；②高地溫，隨開采深度的增加地溫升高，成為危害深部礦井的熱災害；③高巖溶水壓，由于地應力及地溫升高的影響，巖溶水壓升高，促使地應力進一步升高；④采礦擾動，在承受高地應力的同時，由于采動影響會使圍巖壓力高于原巖應力數倍、甚至近10倍，改變了原有巖石的力學性質。由于“三高一擾動”[5]的影響，使得地應力表現的更加復雜。

為了驗證地應力對煤與瓦斯突出所產生的影響，段東等進行了基于巖石破裂損傷理論和氣固耦合方法，利用RFPA2D-asFlow數值模擬系統進行了“煤與瓦斯突出過程中地應力作用機理”的研究[6]，得出：①當地應力小于或等于一定值時，對瓦斯突出起到阻礙的作用，當地應力值大于一定值時，在突出過程中起到雙重作用，既能增強煤體抗破壞的能力，又能使煤體發生剪切破壞作用，因地應力使煤體的瓦斯存儲能力增大，促進瓦斯突出；②煤體的破壞形式在瓦斯突出的過程中受到地應力增大的影響有4種形式，拉破壞、拉—剪破壞、拉剪—剪破壞和剪切破壞；③淺部煤層內存在著拉應力，因地應力值太小，大范圍存在的拉應力致使煤層發生瓦斯突出。

段東等的研究未得出在瓦斯突出中地應力起阻礙作用的臨界值，只是定性地闡述，也未對深部地應力對瓦斯突出所起的作用做出詳細的闡述，但此研究成果仍對立井揭煤具有指導意義。

張春華等從細觀結構層次，利用基于含瓦斯煤巖破裂過程固-氣耦合動力學模型開發的RFPA-Flow軟件，進行了立井揭煤高瓦斯深埋煤層圍巖力學特性數值模擬研究[7]，得出：①在立井揭開深埋煤層過程中，圍巖從三向受力狀態變為單向受力狀態，應力集中出現在井底邊沿的圍巖中，此處煤體首先受到破壞，失穩狀態急劇增加。突出發生時伴隨著能量的釋放，煤體地應力、瓦斯壓力和流速也會呈現波動下降趨勢，在某一時刻局部出現一定程度的回彈增大現象；②因地應力形成的彈性能和煤體瓦斯膨脹能是立井揭煤過程中發生突出的主要動力，但是煤體強度是突出發生的控制因素，煤體強度越低越有利于突出的孕育和發生；③根據實際條件，采取深孔預裂控制爆破和抽采瓦斯等消突技術，能很大程度上降低煤層內瓦斯壓力和梯度，有效降低工作面前方圍巖的應力集中，增大煤體強度。

進入深部開采后，地質條件更加復雜，地應力表現更加復雜多變，需要科研工作者投入更多精力予以研究，為立井揭煤、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等給予理論支持和實踐指導。

3構造煤對立井揭煤的影響

由于煤體受到構造應力的作用，使得煤的成分和強度變化，使其形成構造結構[8]。因煤與瓦斯突出事故主要發生在構造煤發育地段，所以分析構造煤的強度和結構特征對立井揭煤過程中可能發生的煤與瓦斯突出，顯得特別重要。

根據相關研究，在構造應力的作用下破壞了原生煤的結構特性和煤的成分，構造煤是應力集中區。由于構造應力的破壞作用使得構造煤孔隙率一般較高，儲存更多的游離瓦斯，滲透性差，瓦斯壓力一般較高；由于地質構造破壞作用，構造煤本身的強度和抵抗外力的能力較原生結構煤顯著下降，很容易遭受破壞而發生突出事故[9]。

從構造煤的區域分布、層域分布和局部分布等方面研究構造煤分布規律，對立井揭煤過程中煤與瓦斯突出的控制、影響作用[10]：①擠壓構造帶是構造煤主要分布區，伸展構造帶邊緣是構造煤次要分布區，伸展構造帶內部主要是原生構造煤分布區；②煤厚對構造煤層域分布規律起主要控制作用；③煤與瓦斯突出主要發生在褶皺翼部，轉折端突出危險性較小[11]；④有關斷層作用對構造煤形成機理研究表明，斷層上盤最有利于發生煤與瓦斯突出。

在立井揭煤過程中，除需要了解構造煤的分布規律外，還要測定構造煤本身的特性，包括煤體堅固性系數、瓦斯放散初速度、煤層最大瓦斯壓力、軟分層煤的破壞類型等[12]，這些都關系到立井揭煤能否安全有效地進行。

4結論

立井揭煤是涉及基礎理論、技術、施工組織、工程質量和安全防護的系統工程，以上通過理論分析，給出了影響立井揭煤安全的3個主要因素，為立井揭煤實施提供理論支持。但影響立井揭煤安全實施的瓦斯含量與瓦斯壓力、地應力和構造煤不是孤立存在的，為此在進行立井揭煤過程中，需綜合考慮瓦斯含量與瓦斯壓力、地應力和構造煤對立井揭煤安全的影響，從而保證立井揭煤安全可靠地進行，并達到揭穿煤層的目的。

參考文獻

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[5]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學及工程災害控制研究[J].煤礦支護，2007(3):1-14.

[6]段東，張哲，唐春安.煤與瓦斯突出過程中地應力作用機理[J].東北大學學報：自然科學版，2009，30(9)：1326-1329.

[7]張春華，劉澤功，劉健，等.立井揭高瓦斯深埋煤層圍巖力學特性數值模擬研究[J].煤礦安全，2010 (7)：8-11.

[8]韓軍，張宏偉，霍丙杰.向斜構造煤與瓦斯突出機理探討[J].煤炭學報，2008，33(8)：908-913.

[9]郝吉生，袁崇孚，張子戌.構造煤及其對煤與瓦斯突出的控制作用[J].焦作工學院學報：自然科學版，2000，19(6)：403-406.

[10]邵強，王恩營，王紅衛，等.構造煤分布規律對煤與瓦斯突出的控制[J].煤炭學報，2010，35(2)：250-254.

[11]武玉梁，楊馥合，曾森茂.煤與瓦斯突出損傷動力演化機理[J].西安科技大學學報，2011，31(6)：719-723.

[12]唐春安，劉紅元.石門揭煤突出過程的數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21(10)：1467-1472.

(收稿日期2015-10-09)

夏騰飛(1988—)，男，碩士，476600 河南省永城市城關鎮寶塔路東段。