潘一山

(1.遼寧大學(xué)，遼寧 沈陽　110136；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧 阜新　123000)

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煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化研究

潘一山1,2

(1.遼寧大學(xué)，遼寧 沈陽110136；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧 阜新123000)

摘要:隨著煤礦向深部開采，一些礦井動(dòng)力災(zāi)害既表現(xiàn)出煤與瓦斯突出的部分特征，又有沖擊地壓的部分特征，2種動(dòng)力災(zāi)害互為共存、互相影響、相互復(fù)合，難以界定為單一災(zāi)害類型，為此提出煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的概念。通過復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化理論研究，揭示了復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的統(tǒng)一機(jī)理，據(jù)此建立了統(tǒng)一失穩(wěn)判別準(zhǔn)則；基于現(xiàn)有動(dòng)力災(zāi)害分類所存在問題，將動(dòng)力災(zāi)害劃分為4種類型，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)礦井復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害類型創(chuàng)新研發(fā)了鉆屑法多指標(biāo)一體化檢測(cè)及煤體溫度、煤體電荷實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成了復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化分類分級(jí)預(yù)測(cè)技術(shù)；同時(shí)，提出了瓦斯抽采、深孔爆破斷頂-破煤-斷底卸壓、煤層注水等消減瓦斯內(nèi)能、釋放煤巖彈性能的復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化防治技術(shù)。

關(guān)鍵詞:煤與瓦斯突出；沖擊地壓；復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害；一體化；擾動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)一失穩(wěn)判別準(zhǔn)則

煤與瓦斯突出、沖擊地壓是煤礦開采中最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害，由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出、沖擊地壓災(zāi)害十分嚴(yán)重[1-4]。淺部開采，動(dòng)力災(zāi)害多表現(xiàn)為煤與瓦斯突出、沖擊地壓?jiǎn)我坏臑?zāi)害形式，相互作用、相互影響不甚顯著，預(yù)測(cè)及防治研究通常分別進(jìn)行，取得了一定進(jìn)展[5-10]。隨著開采深度的加大，高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害[11-12]，2種災(zāi)害間的相互作用開始顯現(xiàn)，造成礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓2種災(zāi)害互為共存、相互復(fù)合。進(jìn)入深部開采后，2種災(zāi)害間的相互作用呈加劇態(tài)勢(shì)[13]，表現(xiàn)出2種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生，發(fā)生機(jī)理變得更為復(fù)雜，預(yù)測(cè)防治難度加大。將煤與瓦斯突出、沖擊地壓分別進(jìn)行治理的理念和技術(shù)，已不能滿足深部礦井動(dòng)力災(zāi)害治理的需要，因此將深部礦井動(dòng)力災(zāi)害作為一體進(jìn)行研究，研發(fā)一體化預(yù)測(cè)與防治技術(shù)，成為深部礦井煤炭安全高效開采的重大需求。

原蘇聯(lián)學(xué)者佩圖霍夫[14]最早提出將沖擊地壓和突出2種現(xiàn)象放在一起進(jìn)行統(tǒng)一研究，在我國，章夢(mèng)濤等[15]最早提出沖擊地壓、煤與瓦斯突出統(tǒng)一失穩(wěn)理論，并建立了2種現(xiàn)象的統(tǒng)一失穩(wěn)理論，認(rèn)為沖擊地壓是無瓦斯作用的突出，突出是瓦斯作用不可忽略的沖擊地壓。李鐵、蔡美峰等[16-17]提出煤炭深部開采沖擊地壓的發(fā)生與瓦斯密切相關(guān)，高壓瓦斯氣體參與沖擊地壓的孕育，存在一種開挖卸荷和瓦斯解吸膨脹耦合作用的沖擊地壓，以新安煤田為工程背景，驗(yàn)證和深化了關(guān)于“三軟”煤層底板沖擊地壓誘導(dǎo)煤與瓦斯突出提前發(fā)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。王振等[18]從災(zāi)害的發(fā)生條件、能量來源和破壞形式等方面分析了高瓦斯煤層沖擊地壓和突出的異同點(diǎn)；從瓦斯、應(yīng)力和煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)等方面討論了2種災(zāi)害的誘發(fā)轉(zhuǎn)化機(jī)制；同時(shí)以實(shí)驗(yàn)研究和理論分析為基礎(chǔ)，提出了2種災(zāi)害在孕育、發(fā)生和發(fā)展等不同階段的誘發(fā)轉(zhuǎn)化條件。張福旺等[19]在分析平煤十礦“11·12”煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的成因時(shí)，總結(jié)出單一型災(zāi)害在深部演化為復(fù)合型煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的物質(zhì)條件、動(dòng)力條件、開采擾動(dòng)和構(gòu)造條件，認(rèn)識(shí)到了沖擊地壓和煤與瓦斯突出相互作用復(fù)合型災(zāi)害的3種成災(zāi)模式。

煤與瓦斯突出、沖擊地壓2種動(dòng)力災(zāi)害耦合在一起，其發(fā)生機(jī)理更加復(fù)雜，如何建立統(tǒng)一的發(fā)生理論？礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，2種動(dòng)力災(zāi)害影響因素眾多，且互相影響，如何進(jìn)行一體化預(yù)測(cè)？2種動(dòng)力災(zāi)害相互復(fù)合，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)2種動(dòng)力災(zāi)害共同有效的一體化防治？針對(duì)以上難題本文將建立新的礦井動(dòng)力災(zāi)害分類體系，研究災(zāi)害發(fā)生過程中煤巖破裂與瓦斯運(yùn)移規(guī)律，提出復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害擾動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)一失穩(wěn)理論；基于統(tǒng)一失穩(wěn)理論，提出預(yù)測(cè)方法，研發(fā)監(jiān)測(cè)儀器，區(qū)分災(zāi)害類型，劃分危險(xiǎn)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害一體化分類分級(jí)預(yù)測(cè)；同時(shí)基于統(tǒng)一失穩(wěn)理論，提出防治方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害一體化分類分級(jí)防治。

1復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害擾動(dòng)響應(yīng)一體化理論

將含瓦斯煤巖體看成由煤巖固體和瓦斯氣體組成的復(fù)合材料體，同時(shí)將煤與瓦斯突出、沖擊地壓2種動(dòng)力災(zāi)害作為一體，研究災(zāi)害發(fā)生時(shí)煤巖破裂、瓦斯運(yùn)移過程，提出了擾動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)一失穩(wěn)理論，這樣就實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出、沖擊地壓作為一體進(jìn)行研究。

1.1動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生統(tǒng)一機(jī)理

煤礦井下巷道、采掘工作面等煤巖體在地應(yīng)力、瓦斯壓力和采動(dòng)應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生變形，微破裂不斷發(fā)生發(fā)展。如圖1所示，當(dāng)高應(yīng)力區(qū)域的煤體應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度后，破壞形成耗能的塑性變形區(qū)，而其周圍煤巖體構(gòu)成蓄能的彈性變形區(qū)。煤體的變形破壞改變了煤體透氣性，局部區(qū)域形成高壓瓦斯集聚。當(dāng)煤巖體變形系統(tǒng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，遇到開采等擾動(dòng)后，煤巖變形系統(tǒng)失穩(wěn)，蓄能的彈性變形區(qū)煤巖體釋放能量，發(fā)生沖擊地壓；在煤巖體塑性變形區(qū)內(nèi)，裂紋裂隙孔隙空間被高壓瓦斯充滿，同時(shí)裂紋裂隙由此區(qū)域向周圍煤巖體延伸，當(dāng)塑性變形區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存的瓦斯及其周圍煤巖體裂隙孔隙大量解析瓦斯迅速噴出時(shí)，發(fā)生煤與瓦斯突出。當(dāng)蓄能的彈性變形區(qū)煤巖與儲(chǔ)存的瓦斯同時(shí)或先后釋放能量時(shí)，發(fā)生復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害。

圖1　復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害孕育發(fā)生過程Fig.1　Inoculation and occurrence process of compound dynamic disaster

煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生是煤巖介質(zhì)變形破壞，微裂紋發(fā)生發(fā)展，吸附瓦斯解吸，煤體瓦斯變形系統(tǒng)動(dòng)力失穩(wěn)并釋放能量的過程。據(jù)此提出通過消減瓦斯內(nèi)能、煤巖彈性能，提高塑性區(qū)耗能能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害一體化防治的科學(xué)思想。

1.2擾動(dòng)響應(yīng)判別準(zhǔn)則

對(duì)于含瓦斯煤巖變形控制系統(tǒng)，處于平衡狀態(tài)，假設(shè)在外載荷P作用下，產(chǎn)生的塑性軟化變形區(qū)特征深度為ρ，產(chǎn)生的特征位移為u(可以是頂板下沉量或巷道收斂位移)。這樣一個(gè)控制系統(tǒng)，擾動(dòng)量是巖體應(yīng)力，響應(yīng)量是塑性區(qū)半徑或頂板下沉量或巷道收斂位移。該控制系統(tǒng)的控制量是煤巖單軸抗壓強(qiáng)度σc、沖擊傾向性指數(shù)K、瓦斯壓力p。某一時(shí)刻，對(duì)于外載荷P的一個(gè)微小擾動(dòng)增量ΔP，這時(shí)響應(yīng)，煤巖體塑性軟化變形區(qū)由ρ增加到ρ+Δρ，位移由u增加到u+Δu。若響應(yīng)增量Δρ或Δu是有界的或有限的，則此時(shí)平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的，擾動(dòng)消失后又處于新的平衡狀態(tài)。

若煤巖變形系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則無論擾動(dòng)增量ΔP多么小，都會(huì)導(dǎo)致塑性軟化變形區(qū)或特征位移的無限增長(zhǎng)，即

根據(jù)擾動(dòng)響應(yīng)判別準(zhǔn)則，計(jì)算得到高瓦斯煤層圓形巷道圍巖失穩(wěn)條件為

式中，α為有效應(yīng)力系數(shù)；r為圓形巷道半徑；r*為臨界塑性區(qū)半徑；q=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ為煤巖材料內(nèi)摩擦角。

通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，建立了煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯壓力、瓦斯含量之間相互耦合的定量關(guān)系。其中孔隙率n與瓦斯壓力p的關(guān)系為

煤的峰值強(qiáng)度σc與瓦斯含量Q的關(guān)系為

彈性模量E和瓦斯含量Q的關(guān)系為

E=e1exp(-e2Qe3)

滲透系數(shù)為

K=aexp(-bΘ)-cp+dp2

式中，Θ表示體積應(yīng)力；a1,a2,a3,ζ,d1,d2,d3,e1,e2,e3,a,b,c,d均表示擬合系數(shù)。

2動(dòng)力災(zāi)害分類

2.1現(xiàn)有動(dòng)力災(zāi)害分類存在問題

現(xiàn)有部分沖擊地壓或煤與瓦斯突出事故發(fā)生前，僅按常規(guī)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，當(dāng)評(píng)價(jià)為安全不采取措施或發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出事故采取常規(guī)治理措施后，災(zāi)害仍舊發(fā)生。究其原因，主要存在3點(diǎn)問題：① 預(yù)測(cè)后已判定為安全的煤層，可能還發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害；② 采取常規(guī)防治措施后，可能還發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害；③ 災(zāi)害發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)破壞既包含煤與瓦斯突出部分特征，也包含沖擊地壓部分特征。

因此，進(jìn)入深部?jī)H僅依據(jù)常規(guī)評(píng)價(jià)方法對(duì)煤與瓦斯突出或沖擊地壓事故進(jìn)行評(píng)價(jià)是不完善的，在一種動(dòng)力災(zāi)害的助推作用下，另一種動(dòng)力災(zāi)害可在常規(guī)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)參數(shù)的“低指標(biāo)”情況下提前發(fā)生。針對(duì)一些事故現(xiàn)場(chǎng)既有煤與瓦斯突出的部分特征，又有沖擊地壓的部分特征，難以界定為單一災(zāi)害類型，本文提出煤與瓦斯突出-沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害類型。

2.2動(dòng)力災(zāi)害類型劃分

基于煤巖固體和瓦斯氣體組成的復(fù)合材料體失穩(wěn)破壞釋放能量，如圖2所示，將煤巖動(dòng)力災(zāi)害劃分為4種類型：瓦斯釋放能量超過動(dòng)力破壞所需總能量，則為煤與瓦斯突出；瓦斯助推煤巖釋放能量超過動(dòng)力破壞所需總能量，則為沖擊-突出復(fù)合；煤巖助推瓦斯釋放能量超過動(dòng)力破壞所需總能量，則為瓦斯-沖擊復(fù)合；煤巖釋放能量超過動(dòng)力破壞所需總能量，則為沖擊地壓。據(jù)此，提出瓦斯內(nèi)能、煤巖彈性能釋放所產(chǎn)生的信息都可作為動(dòng)力災(zāi)害類型及危險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)信息。

圖2　動(dòng)力災(zāi)害類型劃分Fig.2　Classifications of dynamic disasters

復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害是深部礦井開采時(shí)遇到的不同于通常的煤與瓦斯突出、沖擊地壓的礦山動(dòng)力災(zāi)害，復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害可以是沖擊地壓為主、煤與瓦斯突出為輔的沖擊-突出復(fù)合，也可以是煤與瓦斯突出為主、沖擊地壓為輔的突出-沖擊復(fù)合。表現(xiàn)為2種災(zāi)害互相影響、相互復(fù)合。深部礦井若發(fā)生沖擊地壓，可能誘發(fā)破壞性更大的煤與瓦斯突出，甚至引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸等次生災(zāi)害。

動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生后，可根據(jù)瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、煤體構(gòu)造、破壞形狀、破碎程度、拋出距離、搬運(yùn)特征、分選情況、動(dòng)力顯現(xiàn)、突出煤體、破壞地點(diǎn)、破壞能量、破壞持續(xù)時(shí)間、破壞范圍等十幾個(gè)不同特征區(qū)分災(zāi)害類型。見表1，當(dāng)瓦斯含量很大、破壞形狀呈口小腔大、煤體搬運(yùn)特征及分選明顯、突出煤體很多、破壞持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)等特征，屬于煤與瓦斯突出或突出-沖擊復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害；當(dāng)瓦斯含量較少、損壞支柱、破壞時(shí)間持續(xù)很短、破壞能量很大、破壞范圍很大等特征，屬于沖擊地壓或沖擊-突出復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害。

表1　4種類型動(dòng)力災(zāi)害特征

此外，根據(jù)瓦斯含量Q、能量釋放持續(xù)時(shí)間Δt可以判別動(dòng)力災(zāi)害的類型。定義tct1為沖擊地壓發(fā)生時(shí)能量釋放持續(xù)時(shí)間臨界值，tct2為煤與瓦斯突出發(fā)生時(shí)能量釋放持續(xù)時(shí)間臨界值，沖擊地壓發(fā)生時(shí)能量釋放持續(xù)時(shí)間比煤與瓦斯突出短，tct1

3復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化預(yù)測(cè)

針對(duì)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害，既要通過預(yù)測(cè)區(qū)分復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的類型，還要通過預(yù)測(cè)確定復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)等級(jí)，為此研發(fā)了鉆屑法多指標(biāo)一體化檢測(cè)及煤體溫度、電荷實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.1鉆屑法多指標(biāo)一體化檢測(cè)

向工作面煤壁垂直打直徑為42 mm鉆孔并取鉆屑，通過測(cè)量鉆屑量、鉆屑粒度的方法稱為鉆屑法。在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)新研制了鉆屑溫度測(cè)試裝置，圖3分別為裝置示意和實(shí)物圖。應(yīng)用該套裝置通過對(duì)井下巷道兩幫煤體打鉆，逐米測(cè)定鉆屑量、鉆屑粒度、相對(duì)鉆屑溫度及孔底溫度衰減等指標(biāo)值，現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)上述4種測(cè)試參量可以作為復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的敏感指標(biāo)，通過測(cè)試數(shù)據(jù)與敏感指標(biāo)對(duì)比確定復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)程度，初步實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化檢測(cè)預(yù)警。該項(xiàng)技術(shù)已在淮南、鶴崗、平頂山礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。

圖3　鉆屑溫度測(cè)試裝置Fig.3　Testing device of drillings temperature

對(duì)監(jiān)測(cè)的大量鉆孔溫度衰減與時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出鉆孔溫度與時(shí)間的關(guān)系大致為T=mtn，其中，m反映煤體應(yīng)力集中程度，n為負(fù)值，其絕對(duì)值大小反映瓦斯解吸速率。當(dāng)m值較大、絕對(duì)值n較小時(shí)易于發(fā)生沖擊地壓；當(dāng)m值較小、絕對(duì)值n值較大時(shí)易于發(fā)生煤與瓦斯突出，如圖4所示。

圖4　復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生前鉆孔溫度衰減擬合曲線Fig.4　Borehole temperature decay fitting curves before the compound dynamic disaster occureed

針對(duì)不同災(zāi)害類型，每種類型劃分為3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，通過長(zhǎng)期測(cè)試確定平頂山八礦動(dòng)力災(zāi)害的分類分級(jí)危險(xiǎn)指標(biāo)(對(duì)于不同礦井該指標(biāo)不唯一，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體環(huán)境確定)，見表2。

表2　平頂山八礦鉆屑法多參量分類分級(jí)危險(xiǎn)指標(biāo)

以上研究表明，通過改進(jìn)傳統(tǒng)鉆屑法測(cè)試鉆屑量、鉆屑粒度、相對(duì)鉆屑溫度及孔底溫度衰減指數(shù)四種指標(biāo)能夠較好地劃分復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害類型，采用鉆屑法多指標(biāo)一體化檢測(cè)方法預(yù)測(cè)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害類型及危險(xiǎn)等級(jí)是可行的。

3.2煤體溫度實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)

研發(fā)了煤巖體溫度監(jiān)測(cè)裝置，如圖5所示，該裝置由溫度探頭、連接桿、支架、溫度記錄儀組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在鉆進(jìn)一定孔深時(shí)撤出鉆桿，將溫度探頭放入孔底，由溫度記錄儀記錄鉆孔溫度，包括孔底溫度和孔壁溫度。

圖5　煤體溫度測(cè)量裝置Fig.5　Testing devices of coal temperature

煤體溫度變化主要包括煤體破裂輻射溫度和解吸瓦斯輻射溫度的變化，煤體破裂釋放熱量，煤體溫度升高；煤體解吸瓦斯吸收熱量，煤體溫度降低。在平頂山八礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，通過長(zhǎng)期井下監(jiān)測(cè)，如圖6所示，設(shè)置34 ℃為煤體溫度臨界值。在無外界干擾的情況下，當(dāng)超過34 ℃時(shí)認(rèn)為煤體沖擊傾向性增強(qiáng)，且升高值越大沖擊傾向性越大；當(dāng)?shù)陀?4 ℃時(shí)認(rèn)為煤體突出傾向性增強(qiáng)，且降低值越大突出傾向性越大。

圖6　平頂山八礦煤體溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6　Monitoring data of coal temperature in the eighth Mine of Pingdingshan

圖7　平頂山八礦煤體電荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7　Monitoring data of coal charge in the eighth Mine of Pingdingshan

3.3煤體電荷實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)

研究表明含瓦斯煤體受載破裂產(chǎn)生自由電荷[22]，為此研發(fā)了在線式煤體電荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)平頂山八礦進(jìn)行了煤體電荷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。由圖7中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，煤體電荷信號(hào)呈脈沖狀波動(dòng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示瓦斯突出發(fā)生前，煤體電荷最大值波動(dòng)幅度較大，最小值幾乎為0，瓦斯異常涌出攜帶電荷；而沖擊地壓發(fā)生前，煤體電荷最小值、平均值與最大值幾乎相同，電荷信號(hào)呈先上升后下降趨勢(shì)，煤體表面積聚電荷；復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí)，最大值波動(dòng)，最小值不波動(dòng)；復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí)電荷信號(hào)變化規(guī)律綜合了沖擊地壓與瓦斯突出特征。

以上3種一體化預(yù)測(cè)技術(shù)在平頂山等礦區(qū)的煤與瓦斯突出礦井推廣應(yīng)用，對(duì)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警效果顯著。

4復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化防治研究

針對(duì)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害，煤與瓦斯突出、沖擊地壓耦合在一起，防治了煤與瓦斯突出，有可能還發(fā)生沖擊地壓；防治了沖擊地壓，有可能還發(fā)生煤與瓦斯突出。為此通過一體化預(yù)測(cè)確定災(zāi)害類型，針對(duì)不同災(zāi)害類型，采取有針對(duì)性的消減瓦斯內(nèi)能和釋放煤巖彈性能措施，根本上實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的一體化防治。

4.1消減瓦斯內(nèi)能——瓦斯抽采

我國煤礦瓦斯抽采的發(fā)展先后經(jīng)歷了局部防突措施為主、先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)和區(qū)域防突措施先行4個(gè)階段，形成了采前、采中、采后抽采的系統(tǒng)瓦斯抽采方法和基本指標(biāo)[23]，通過瓦斯抽采消減了煤層中存儲(chǔ)的瓦斯能量，提高了煤體強(qiáng)度，降低了煤與瓦斯突出、突出-沖擊復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的概率。區(qū)域性瓦斯抽采技術(shù)在礦井復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害防治中廣泛應(yīng)用，袁亮等[24]通過理論研究和工程實(shí)踐，提出并研究了煤與瓦斯共采技術(shù)、極易離層煤巖支護(hù)工程技術(shù)、復(fù)雜地質(zhì)條件下采礦工程地質(zhì)保障技術(shù)以及高瓦斯礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)，解決高瓦斯礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件安全高效開采技術(shù)難題。該項(xiàng)技術(shù)在淮南、淮北等礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好的效果。

4.2釋放煤巖彈性能-深孔爆破斷頂-破煤-斷底卸壓技術(shù)

針對(duì)堅(jiān)硬頂?shù)装搴偷蜐B透煤層，研發(fā)了深孔爆破斷頂-破煤-斷底技術(shù)。在工作面巷道每隔20 m布置1組鉆孔，每組鉆孔布置3個(gè)斷頂孔、1個(gè)破煤孔、1個(gè)斷底孔?？讖?5 mm，每孔裝藥15 kg，反向裝藥，每孔2個(gè)炮頭。爆破后產(chǎn)生了相互貫通的孔隙裂隙網(wǎng)，超前釋放了頂板-煤體-底板組合結(jié)構(gòu)所積聚的大量彈性能，削弱了應(yīng)力集中程度，達(dá)到了解除沖擊危險(xiǎn)的目的，圖8為平頂山某礦井下回風(fēng)巷道鉆孔布置示意。深孔爆破斷頂-破煤-斷底技術(shù)是沖擊地壓、沖擊-突出復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害防治的重要手段之一。深孔爆破斷頂-破煤-斷底技術(shù)在平頂山等礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好地效果。

圖8　鉆孔布置示意Fig.8　Schematic diagram of drilling hole arranging

4.3煤層注水

煤層注水技術(shù)已成為實(shí)踐所檢驗(yàn)的預(yù)防煤與瓦斯突出和沖擊地壓的有效辦法之一[25-26]。煤層注水后，煤體顆粒間的黏結(jié)力減小，顆粒接觸面間摩擦力降低，降低了煤體沖擊傾向，同時(shí)水分驅(qū)替瓦斯等氣體，降低了瓦斯內(nèi)能，因而煤層注水不僅釋放了煤巖彈性能而且降低瓦斯內(nèi)能，減小了復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的概率。煤層注水技術(shù)在我國幾十個(gè)礦井使用，經(jīng)反復(fù)工業(yè)性試驗(yàn)、實(shí)踐與細(xì)化，不斷改進(jìn)預(yù)注水壓力、鉆孔深度、鉆孔間排距、單孔注水量、注水時(shí)間、注水泵選型等工藝和參數(shù)，使得該項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方便，取得了顯著效果。

此外，改善巷道支護(hù)方式，采用吸能讓位的支護(hù)理念對(duì)井下巷道進(jìn)行支護(hù)[27]，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)一體化防治，研發(fā)快速吸能讓位支護(hù)裝備，將是實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化支護(hù)技術(shù)裝備研發(fā)的重大突破。

5結(jié)論

(1) 隨著開采深度的增加，復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害將成為煤礦動(dòng)力災(zāi)害的重要形式，并呈愈演愈烈趨勢(shì)，對(duì)深部煤炭開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅，建議深部開采應(yīng)高度重視復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治。

(2) 深部礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害影響因素眾多，發(fā)生機(jī)理更加復(fù)雜，須進(jìn)行深入研究，建立完備的一體化理論體系，指導(dǎo)預(yù)測(cè)防治技術(shù)的研發(fā)與實(shí)踐。

(3) 深部礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害是可預(yù)測(cè)的，對(duì)鉆屑多指標(biāo)一體化檢測(cè)、煤體溫度監(jiān)測(cè)、煤體電荷監(jiān)測(cè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，劃分災(zāi)害類型，提高了災(zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。

(4) 深部礦井煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害是可防控的，瓦斯抽采、深孔爆破斷頂-破煤-斷底卸壓、煤層注水等一體化防治技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著，提高了災(zāi)害一體化防治的有效性。

(5) 高度認(rèn)識(shí)深部煤炭開采過程中復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的復(fù)雜性和危害性，采前、采中、采后的整個(gè)生產(chǎn)過程中，特別重視復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)控與治理，以確保煤炭資源的安全高效開采。

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Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst

PAN Yi-shan1,2

(1.LiaoningUniversity，Shenyang110136，China； 2.LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Abstract:With the mining depth increase,some mine dynamic disaster shows the characteristics of both coal and gas outburst and rockburst.The two dynamic disasters are mutual coexistence,mutual influence and mutual composite.They are difficult to be defined as a single type of disaster.Thus,in this study,the concept of compound dynamic disaster of coal and gas outburst and rockburst was put forward.The unified mechanism of compound dynamic disaster was revealed,through the integrated theoretical research of compound dynamic disaster.Therefore,the unified criterion of instability was established.The dynamic disasters were divided into four types based on the exiting problems of current dynamic disaster classification.On this basis,for the type of mine compound dynamic disaster,the multi-target integration testing equipment of drilling bits method and the real-time continuous monitoring equipment of coal temperature and coal charge were innovated and developed.Also,the integrated classification and grading prediction technology of compound dynamic disaster were developed.For the mine compound dynamic disaster,the integrated prevention technology of compound dynamic disaster was proposed on the basis of intrinsic gas energy reduction and coal rock elastic energy release,which includes gas extraction,the deep hole blasting pressure relief of roof-coal-bottom breaking,coal seam water injection,et al.

Key words:coal-gas outburst;rockburst;compound dynamic disaster;integration study;unified criterion of instability of disturbance response

中圖分類號(hào):TD712;TD324

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0105-08

作者簡(jiǎn)介:潘一山(1964—)，男,遼寧丹東人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:panyish_cn@sina.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目(11172121，51274114，51374123)

收稿日期:2015-11-29修回日期:2015-12-08責(zé)任編輯:韓晉平

潘一山.煤與瓦斯突出、沖擊地壓復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害一體化研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):105-112.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9034

Pan Yishan.Integrated study on compound dynamic disaster of coal-gas outburst and rockburst[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):105-112.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9034