成莊煤礦區域瓦斯地質及瓦斯涌出特征與突出危險關系研究

和樹棟

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

0 引 言

以突出為主導的煤礦動力災害嚴重威脅著煤礦日常安全生產與礦井的高產高效。煤與瓦斯突出是常見的礦井六大類災害之一，國內外諸多專家學者開展了大量富有成效的基礎機理研究工作。胡千庭[1]研究了炮掘工作面的瓦斯涌出規律，并結合煤礦井下實際運用瓦斯含量指標進行快速測定，達到了工作面突出危險性的預測預報。梁冰等[2]對地應力、瓦斯及煤體之間的相互作用所導致的突出進行了闡述，并提出了固流耦合理論。胡泊等[3]和黃政祥等[4]認為構造煤、軟煤的物理力學特性為瓦斯高效貯存、快速解吸釋放提供了條件，是災害由孕育、潛存直至發生發展的鏈式演化的基礎。國外一些研究機構在大量實踐的基礎上也確定了適合自身需求的突出預測指標，如解吸速率、解吸量等[5]。相關研究機構在此方面開展的儀器設備研制成果也非常多，國內科研機構沈陽煤科院、重慶煤科院更是依靠自身優勢長期攻關，研制了用于測定突出參數的成套系列設備[6]。

瓦斯涌出特征在井下采掘空間內、實驗室環境、數值模擬三個不同分析條件下的表征是極為相似的，本文正是基于瓦斯涌出特征在三種條件下的相似表征，從區域宏觀瓦斯地質特征分析入手，再結合實驗分析、數值模擬的方法，從微觀角度深入發掘了煤體結構、瓦斯賦存對瓦斯涌出的影響，并最終得到了與突出危險之間的關系。

1 井田區域瓦斯地質分析

山西晉城成莊煤礦位于沁水煤田南翼，井田內小斷層較為發育。 近年來隨著礦井開采水平向深部的逐漸轉移，由此帶來的煤層瓦斯賦存條件變差，3號煤層瓦斯含量增長梯度為每百米2.04 m3/t，潛在的突出災害危險日漸增大。為了更好地研究瓦斯涌出特征與突出危險性之間的關系，應首先從宏觀上對成莊煤礦及周邊區域瓦斯地質背景、瓦斯動力災害特征進行總結、分析。

1.1 井田區域地質構造分布

成莊煤礦所在山西晉城礦區構造分布綱要圖如圖1所示。結合以往地質探測結果，分析認為該礦井田范圍內3號煤層瓦斯賦存主要受到背斜、向斜等地質構造帶的逐級控制。井田內地發育著軸向多為北西-南東向褶曲構造，使地層呈波狀起伏。斷層走向多為北東向，傾向多為北西，所見斷層最大落差均未超過22 m，落差小于5 m的斷層和小型陷落柱較為發育。井田北部及中部褶曲構造較集中，煤層埋藏深度大，且與其他地質構造交互影響，造成此區域內瓦斯含量逐步過渡到12 m3/t以上，明顯高于井田南部，給礦方瓦斯防治從人員配備、防治裝備、鉆孔工程等方面提出了更高的要求。井田范圍內的瓦斯整體賦存情況與鄰近區域的瓦斯賦存情況基本一致，主要原因在于區域地質構造所帶來的逐級控制效果，礦井范圍內乃至區域范圍內煤層的開采深度在增加，瓦斯賦存條件在惡化，由此帶來的突出風險相應的增大。

圖1 山西晉城礦區構造綱要圖Fig.1 Structural outline of Jincheng mining area ofShanxi province

1.2 井田瓦斯動力現象特征

在區域瓦斯地質背景分析的基礎上，對山西晉城成莊煤礦礦區及周邊鄰近區域內發生的有資料記載的煤礦井下煤與瓦斯突出事故或者動力現象進行收集整理，通過分析資料內容從宏觀層面定性確定導致瓦斯事故或者動力現象發生的主控因素。山西晉城成莊煤礦礦區及周邊鄰近區域內發生的有資料記載的煤礦井下瓦斯動力現象情況統計見表1。

通過對表1事故統計情況的分析，得到該區域瓦斯動力災害具備以下特征：①區域內瓦斯動力災害類型以突出為主，其他類型伴以動力現象或者突出征兆顯現；②區域內瓦斯動力現象絕大多數受斷層、褶曲等地質構造的控制作用影響，僅有一處是受軟煤分層單獨作用；③區域內瓦斯動力現象多發生在掘進工作面，作業環節為割煤、放炮時極易形成擾動誘發的情況發生；④區域內瓦斯動力現象的發生絕大多數是由于地質構造的存在所造成的煤體結構異常以及瓦斯賦存變化而導致。

表1 成莊礦區及周邊鄰近區域瓦斯動力現象情況Table 1 Gas dynamic phenomena in adjacent areas

通過對區域內瓦斯地質特征的分析，可以確定該區域內煤體結構(構造軟媒)、瓦斯賦存(含量、壓力)是影響瓦斯動力災害發生的主控因素。地質構造帶附近煤體結構已發生改變，地質構造形成的密閉空間更容易貯存高壓瓦斯，因此該區域內瓦斯動力災害多與其相關。宏觀層面的溯源分析為后續實驗分析、數值模擬明確了分析對象，也能夠為區域煤礦瓦斯災害隱患排查及災害防控確定重點關注對象。

2 瓦斯解吸特征與突出危險關系實驗研究

瓦斯解吸特征在井下采掘空間內、實驗室環境下的表征是極為相似的，剝落煤體解吸總量、解吸速度影響到井下采掘空間瓦斯的釋放，甚至直接導致瓦斯超限等事故的發生[7-8]。實驗室條件下對瓦斯解吸特征與突出危險的關系研究過程中，煤體結構因素的影響主要通過采集同一位置軟煤、硬煤進行區分；瓦斯賦存因素的影響主要是通過吸附平衡壓力的大小進行體現。

2.1 煤體結構對瓦斯解吸特征的影響

按照實驗相關標準要求，在成莊煤礦井下同一位置采取軟煤、硬煤，實驗室篩分獲得0.20～0.25 mm試驗煤樣，分別在2.00 MPa和1.50 MPa壓力下進行吸附，達到吸附平衡后將煤樣做解吸擴散實驗，記錄30 min解吸過程數據，擬合得到實驗結果曲線如圖2和圖3所示。

圖2 30 min瓦斯解吸曲線(吸附壓力2.00 MPa)Fig.2 30 min gas desorption curve(adsorptionpressure 2.00 MPa)

圖3 30 min瓦斯解吸曲線(吸附壓力1.50 MPa)Fig.3 30 min gas desorption curve(adsorptionpressure 1.50 MPa)

分析實驗結果可得到：①在特定吸附平衡壓力條件下，軟煤初始階段的解吸速度、解吸量都要大于同期硬煤的解吸速度、解吸量，但是兩者的解吸總量是趨于一致的；②相同煤體結構的煤樣解吸的瓦斯總量隨吸附平衡壓力增大而增大。

2.2 瓦斯壓力對瓦斯解吸特征的影響

實驗室條件下重新選取粒徑在0.25～0.50 mm之間的煤樣進行吸附解吸實驗，煤樣的吸附平衡壓力分別為0.50 MPa、1.00 MPa、1.50 MPa、2.00 MPa，同樣記錄煤樣30 min內解吸數據并進行擬合，得到煤樣不同吸附平衡壓力時的解吸量與時間的關系如圖4所示。

圖4 不同吸附平衡壓力時煤樣30 min解吸量Fig.4 30 min desorption capacity of coal sample underdifferent adsorption equilibrium pressure

分析實驗數據得到以下幾點規律：①吸附平衡壓力越大，煤樣的瓦斯解吸量就越大，兩者滿足正相關的乘冪關系；②吸附平衡壓力不同時，煤樣解吸曲線前10 min的斜率要大于后20 min曲線斜率，表明前期解吸速度快，且前10 min解吸量占解吸全過程總量的53.6%。

結合實驗分析結果，類比推廣到煤礦井下采掘空間內，煤體結構的變化、瓦斯賦存的變化對采掘空間瓦斯涌出也將會呈現同樣的規律，兩者直接影響采掘空間瓦斯量、瓦斯濃度的大小，甚至是導致瓦斯超限等事故的發生。

3 瓦斯涌出量特征與突出危險性關系模擬研究

3.1 模擬簡介

煤巖體中瓦斯的運移屬于流固耦合的多場研究范疇，研究選用COMSOL-Multiphysics是可有效求解流固耦合的多場問題[9-10]。為進一步完善并驗證研究成果，以晉城成莊煤礦掘進工作面實際參數為實例，采用數值模擬的方法對煤體結構(軟分層厚度)、瓦斯賦存(瓦斯壓力)兩個因素互相組合的12種工況下的瓦斯涌出量進行分析。

3.2 模型的建立

模擬選取煤體內瓦斯流動的固-氣耦合模型進行研究，采用二維模型運算求解達到簡化模型、提高運算效率的目的。 模型邊界條件設置、網格自由劃分如圖5和圖6所示，求解模型所用部分參數見表2。

表2 模型部分參數Table 2 Parameters of the model

圖5 邊界條件設置圖Fig.5 Boundary condition setting

圖6 網格自由化劃分Fig.6 Mesh liberalization

3.3 模擬結果分析

模擬選取三組瓦斯壓力(分別為0.50 MPa、0.74 MPa、0.90 MPa)與四組軟分層厚度(分別為0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m)并在特定掘進速度下獲取對應工況4個月的瓦斯涌出量，不同模擬工況下瓦斯涌出量結果如圖7所示。

圖7 不同模擬工況下瓦斯涌出量模擬結果Fig.7 Simulation results of gas emission underdifferent simulation conditions

分析模擬數據得到以下幾點規律：①瓦斯壓力對掘進過程中瓦斯涌出量的影響是絕對的，瓦斯壓力越大，巷道空間瓦斯涌出量就越大，其對軟分層造成的分化程度也越明顯；②瓦斯壓力相同時，單純的軟分層對涌出量的影響不明顯，但同樣存在涌出量隨著軟分層厚度增大而增大的現象；③整個模擬過程中，瓦斯涌出量與掘進時間均呈現正相關的乘冪關系，即(均為常數，且b<1)，與實驗分析結果一致。

數值模擬真實還原了煤礦井下掘進工作面煤體結構、瓦斯賦存變化對采掘空間內瓦斯涌出量的影響，模擬結果與實驗分析結果一致。煤體結構的變化、瓦斯賦存的變化直接影響采掘空間瓦斯量、瓦斯濃度的大小，甚至是導致瓦斯超限等事故的發生，進而帶來的突出危險性增大。

4 結 論

1) 在宏觀層面區域瓦斯地質特征分析的基礎上，定性分析確定了煤體結構、瓦斯賦存是影響區域內瓦斯動力災害發生的主控因素。

2) 實驗結果表明：在特定吸附平衡壓力條件下，軟煤初始階段的解吸速度、解吸量都要大于同期硬煤的解吸速度、解吸量，但是兩者的解吸總量是趨于一致的；相同煤體結構的煤樣解吸的瓦斯總量隨吸附平衡壓力增大而增大。

3) 模擬結果表明：瓦斯壓力對掘進過程中瓦斯涌出量的影響是絕對的，瓦斯壓力越大，巷道空間瓦斯涌出量就越大；瓦斯壓力相同時，瓦斯涌出量隨著軟分層厚度增大而增大。

煤體結構、瓦斯賦存對煤礦井下瓦斯涌出的影響是直接的， 煤炭企業在組織井下生產時要重點關注由

兩者及其伴生而來的安全隱患。本文的研究思路與結果能夠對成莊煤礦井下日常瓦斯災害隱患及災害防控起到積極作用，更能夠對采用瓦斯涌出特征進行突出危險性預測預報的研究起到指導作用。