沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機制及控制

張 鋒，馬智勇

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來，隨著采深和開采強度的不斷增大，地應力、瓦斯含量、瓦斯涌出量不斷增高，沖擊地壓引起的采面或采空區(qū)瓦斯異常涌出時有發(fā)生[1-2]。2005年遼寧阜新孫家灣煤礦“2·14”沖擊地壓引發(fā)瓦斯大量涌出，發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故(死亡214人)；義馬千秋煤礦2011年11月3日和2014年3月27日發(fā)生沖擊地壓事故后，瓦斯?jié)舛确謩e達到了5%和 9%[3]。沖擊地壓造成瓦斯異常涌出，甚至瓦斯或煤塵爆炸等二次災害，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。因此，研究沖擊地壓影響下瓦斯異常涌出問題，對于礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。礦井進入深部開采后，國內(nèi)外學者已開始對沖擊地壓引起的瓦斯問題進行研究：謝和平等[3-4]通過研究開采擾動與回采工作面、掘進巷道瓦斯涌出量之間的關(guān)系，得出了不同能量的震動下瓦斯涌出量的變化規(guī)律以及其影響區(qū)域的瓦斯?jié)舛龋煌鯘萚5]對沖擊地壓和瓦斯的相關(guān)性進行了探討；K.Ogieglo等[6]研究了礦震和瓦斯突出的內(nèi)在關(guān)系。

目前，諸多學者已針對該問題開展了大量的研究，尹光志等[7-8]分別開展了不同卸圍壓速度、型煤與原煤全應力—應變過程與瓦斯?jié)B透特性之間關(guān)聯(lián)的研究；李鐵等[9]進行不同溫度條件下的含瓦斯原煤滲流實驗，建立了受載含瓦斯煤滲透性與溫度和軸向應變的定性定量關(guān)系；許江等[2]分別開展了基于加卸載速度影響下的含瓦斯煤力學及滲透特性實驗、加(卸)載下原煤力學及滲透特性的實驗研究；李波等[10]進行了分級加—卸載與復雜應力路徑條件下的含瓦斯煤力學性質(zhì)及滲透屬性演化規(guī)律的研究。

上述研究主要是對沖擊地壓和瓦斯災害的相關(guān)性進行解釋，對沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機制研究較少，且沒有形成沖擊地壓采面瓦斯異常涌出評價方法和防治體系。筆者在對沖擊地壓及瓦斯異常涌出誘發(fā)因素進行統(tǒng)計和分析的基礎(chǔ)上，探討了沖擊地壓影響下瓦斯異常涌出的發(fā)生機制、控制技術(shù)與評價方法，并應用于實踐，以期為類似條件下瓦斯災害治理提供借鑒。

1 沖擊地壓采面瓦斯異常涌出影響因素

通過查閱相關(guān)文獻資料和報道，統(tǒng)計分析了沖擊地壓采面瓦斯異常涌出誘發(fā)因素，大致可分為2類：內(nèi)部因素和外部因素。其中，內(nèi)部因素為煤(巖)層本身具有的儲能性質(zhì)和煤層瓦斯賦存，主要包括煤(巖)沖擊傾向性、瓦斯含量(壓力)、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、頂板結(jié)構(gòu)等；外部因素為外部環(huán)境誘發(fā)的沖擊地壓和瓦斯異常涌出，主要包括開采條件、開采強度、外界動力觸發(fā)等。

(1)煤(巖)固有的沖擊屬性。煤(巖)固有的沖擊屬性為沖擊傾向性，堅硬煤(巖)、高強度、高線彈性、高脆性等因素的有機組合[6]。沖擊地壓采面瓦斯涌出異常的門檻將會降低，在沖擊動力下誘導發(fā)生。

(2)瓦斯含量(壓力)。高瓦斯含量是瓦斯異常涌出的物質(zhì)基礎(chǔ)。另外，研究表明，解吸膨脹能量與瓦斯吸附壓力有關(guān)[7]，存在高瓦斯壓力在沖擊地壓孕育過程中起一定助推作用的可能。因此，高瓦斯壓力也是沖擊地壓采面瓦斯涌出異常的一個動力條件。

(3)開采深度。隨著開采深度的增加，地應力不斷增高，煤(巖)體積聚的彈性能不斷增加；同時，煤層瓦斯含量不斷增大，煤層和圍巖的透氣性降低，開采煤層瓦斯得不到有效的預抽放。因此，開采深度為沖擊地壓伴生瓦斯異常涌出的本質(zhì)因素。

(4)堅硬頂板。回采過程中，頂板難以自行垮落，采場周圍易形成高應力場，存在沖擊地壓潛在威脅；工作面后方，由于頂板垮落不及時或者垮落不完全，形成了較大的瓦斯儲存空間，采空區(qū)漏風，上隅角瓦斯易積聚；或者頂板突然垮落，采空區(qū)大量瓦斯將被壓出，給采場及工作面巷道造成威脅。

(5)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造影響因素有斷層、褶曲等。地質(zhì)構(gòu)造帶煤(巖)層應力集中，煤體易破碎，易儲存瓦斯或不利于瓦斯的釋放，瓦斯含量相對較高。

(6)開采技術(shù)條件。開采技術(shù)條件也是沖擊地壓伴生瓦斯異常涌出的一個重要因素。開采強度越高，沖擊危險性越大，伴生瓦斯異常涌出的可能性就越大；另外，采掘面布置、頂板控制方式、煤柱留設(shè)、開采速度、采高等也會對沖擊地壓伴生瓦斯涌出異常產(chǎn)生影響。

2 沖擊地壓采面瓦斯涌出發(fā)生機制

瓦斯災害事故發(fā)生的必要條件是瓦斯涌出量大、瓦斯涌出異常。沖擊地壓煤層開采過程中，采場周圍尤其工作面前方煤(巖)體受到自重應力、采動應力及構(gòu)造應力等影響[8]，存在高應力區(qū)，煤(巖)體滲透率低，并積聚大量彈性變形能，瓦斯不能得到有效的釋放。當煤(巖)體受載超過強度極限，煤(巖)體積聚彈性能突然釋放，引發(fā)沖擊地壓，煤體卸壓帶向煤層深部轉(zhuǎn)移。沖擊地壓表現(xiàn)形式有煤炮、煤層震動、煤層移位、片幫、冒頂、巷道整體失穩(wěn)等[9-10]。尤其沖擊地壓引起的巷道整體失穩(wěn)，煤(巖)體產(chǎn)生大量的裂隙，極大地提高了煤(巖)體滲透率，形成大范圍瓦斯運移的通道，煤(巖)體破壞使得煤的溫度升高。煤(巖)體裂隙場、應力場、溫度場的這一變化使得大量吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化，瓦斯釋放量驟然增多。在瓦斯孔隙壓力(梯度)和瓦斯?jié)舛?梯度)的綜合作用下，煤體內(nèi)瓦斯的解吸、擴散和滲流同時進行，短時間內(nèi)大量涌入工作面，造成工作面瓦斯異常。工作面后方長距離厚硬頂板突然垮落，采空區(qū)頂板處于鉸接狀態(tài)的砌體結(jié)構(gòu)急劇回轉(zhuǎn)、下沉，頂板巖塊與采空區(qū)遺煤及矸石發(fā)生完全非彈性碰撞，造成采空區(qū)瓦斯貯存空間驟然減小，并形成壓風效應，大量采空區(qū)殘存瓦斯涌向工作面，造成工作面瓦斯異常涌出。沖擊地壓煤層瓦斯災害發(fā)生機制如圖1所示。

圖1 沖擊地壓煤層瓦斯災害發(fā)生機制示意Fig.1 Schematic diagram of the occurrence mechanism of gas disasters in rockburst coal seams

3 沖擊地壓采面瓦斯涌出異常區(qū)分區(qū)

沖擊地壓危險性評價，就是結(jié)合工作面地質(zhì)條件及開采條件，評價沖擊危險性，劃定工作面各級沖擊危險區(qū)。地質(zhì)條件主要包括頂板巖層特征、構(gòu)造等；開采條件主要包括采高、煤厚、煤柱留設(shè)、工作面與周邊采空區(qū)關(guān)系帶等。評價方法主要有綜合指數(shù)法、多因素耦合法等。

沖擊地壓采面瓦斯異常區(qū)域分區(qū)，主要依據(jù)煤層瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造及煤層厚度變化等條件進行超前判識。而沖擊地壓煤層瓦斯異常區(qū)判識指標及臨界值確定成為劃定異常區(qū)的關(guān)鍵。研究表明，工作面推進度及微震事件的能量大小與工作面瓦斯涌出量有較為明顯的線性關(guān)系。因此，可建立基于微震能量E及推進度L為關(guān)鍵參數(shù)的瓦斯涌出量預測模型。通過確定沖擊地壓發(fā)生微震大小臨界值及最大推進度，反演計算瓦斯含量，以瓦斯含量作為沖擊地壓煤層瓦斯涌出異常區(qū)域的主要劃分指標。

具體步驟：①利用綜合指數(shù)法，判定工作面回采區(qū)域的沖擊危險等級；②結(jié)合工作面的地質(zhì)及開采因素，對工作面沖擊危險區(qū)域進行分區(qū)；③確定沖擊地壓危險微震臨界指標；④測定工作面瓦斯含量，摸清工作面瓦斯賦存；⑤建立基于微震能量E與推進度L為關(guān)鍵參數(shù)的瓦斯涌出量預測模型；⑥確定沖擊地壓煤層瓦斯異常區(qū)臨界指標及臨界值；⑦劃定沖擊地壓煤層工作面瓦斯異常涌出危險區(qū)。具體流程如圖2所示。

圖2 沖擊地壓煤層工作面瓦斯異常區(qū)超前判識流程Fig.2 Flow chart of advance identification of gas anomaly zone in coal face with rock burst

4 沖擊地壓采面瓦斯異常防治技術(shù)

沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出的防治原則是“改變煤(巖)物理力學性質(zhì)，削減煤(巖)應力集中，破壞煤(巖)強度條件，降低煤層瓦斯含量，提高巷道承載能力”，防治技術(shù)主要有以下6類。

(1)大直徑鉆孔煤體超前卸壓。利用大直徑鉆孔卸壓，增大了煤層暴露面積，鉆孔周圍裂隙延伸擴大，增加了煤層透氣性的同時，改變了煤(巖)應力狀態(tài)，削減了煤(巖)的應力集中，有利于沖擊地壓與瓦斯的協(xié)同防治。

(2)預裂爆破頂板超前弱化。堅硬頂板預裂是沖擊地壓預防的一項重要手段，提前對頂板進行弱化處理，破壞其整體性，增加頂板充填的垮落高度，減小懸頂步距，消除或減緩沖擊地壓威脅；同時，采取合理方式對采空區(qū)瓦斯進行抽采，降低或避免頂板型沖擊地壓及采空區(qū)瓦斯異常涌出的危險。

(3)煤層注水。當采面貫通后，在其周圍打鉆注水，煤層注水后，改變煤的力學性質(zhì)，降低了煤的彈性能，使煤層應力重新分布，并減少瓦斯放散初速度。既可降低采面沖擊危險，又可減少沖擊地壓后瓦斯涌出量。

(4)深孔預裂爆破。深孔爆破不僅對高應力區(qū)進行有效卸壓，同時對煤體進行增透，提高瓦斯抽采效率；同時，卸壓爆破增加了煤體的裂隙數(shù)量和長度，提高透氣性，瓦斯的有效流動和排放，使瓦斯壓力梯度降低，從而達到降低沖擊危險性和瓦斯涌出強度的目的。

(5)強化瓦斯抽采。沖擊地壓采面，采前要對回采區(qū)域煤層進行預抽，盡可能降低煤層瓦斯含量；回采期間要對采空區(qū)、頂板斷裂帶、采面巷道高冒區(qū)強化抽采。

(6)巷道超前支護。對于受沖擊載荷影響采面，應在工作面超前段及高應力區(qū)域安裝高強度可伸縮支柱或支架進行強化支護，加大巷道承載能力，防止因巷道整體失穩(wěn)造成瓦斯大量涌出。

5 應用案例

神新公司寬溝煤礦為多煤層開采，I010202工作面位于一采區(qū)東翼B2煤層中，工作面布置4條巷道，運輸巷、回風巷、工藝巷及泄水巷，工作面走向長度為1 642 m，傾斜長度200 m。無明顯構(gòu)造。工作面上部為B4煤層I010406和I010408采空區(qū)；下部為實體煤層。

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，并結(jié)合本評價及分區(qū)方法，將I010202工作面劃分3個瓦斯異常區(qū)，即：工作面前485 m；585～885 m；1 185～1 385 m。I010202工作面瓦斯異常區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 I010202工作面瓦斯異常區(qū)域劃分示意Fig.3 Schematic diagram of the division of abnormal gas area in I010202 working face

工作面回采前，對工作面整個回采區(qū)域?qū)嵤┿@孔卸壓、工作面煤層大面積預抽，以此降低煤體應力集中程度和煤層瓦斯含量。利用鉆屑法或應力監(jiān)測法判斷煤體應力是否異常，若異常，繼續(xù)進行鉆孔卸壓或爆破卸壓；對煤層實施大面積預抽后，要對工作面煤層進行瓦斯含量測定，確保抽采達標。若抽采未達標，應繼續(xù)抽采或采取工作面煤層增透措施。

工作面回采期間，煤層堅硬頂板實施爆破預裂弱化頂板，避免大面積懸頂造成采場周圍應力積聚，并縮小工作面后方瓦斯儲存空間；利用分源瓦斯治理方法，實施高位鉆孔并結(jié)合回風隅角插(埋)管的方式抽采采空區(qū)瓦斯。工作面回采過程中，雖然發(fā)生煤層震動，但未發(fā)生巷道失穩(wěn)，瓦斯無超限和涌出異常情況。

6 結(jié)論

(1)沖擊地壓采面瓦斯異常涌出發(fā)生機制是煤(巖)層沖擊或震動，造成應力集中區(qū)域突然卸壓，裂隙擴展，大量卸壓瓦斯解吸擴散并涌向采場，工作面后方采空區(qū)隨著頂板斷裂，瓦斯被突然壓出，造成瓦斯涌出異常。

(2)提出了沖擊地壓煤層采面瓦斯異常涌出的防治原則是“改變煤(巖)物理力學性質(zhì)，削減煤(巖)應力集中，破壞煤(巖)強度條件，降低煤層瓦斯含量，提高巷道承載能力”；相應的防治技術(shù)為鉆孔卸壓、頂板預裂爆破、煤層注水、深孔爆破、瓦斯抽采、強化支護。