馬金魁

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 撫順 113122)

我國煤礦的突出防治以區(qū)域防突措施為主、局部防突措施補(bǔ)充為原則，在工作面掘進(jìn)或回采時，均采用局部突出危險性預(yù)測和局部防突措施進(jìn)行煤與瓦斯突出的預(yù)防，其主要目的是提高煤體強(qiáng)度，降低煤體前方的瓦斯壓力梯度和增大煤體卸壓區(qū)寬度，增大工作面前方煤體抵御煤與瓦斯突出的能力[1-3]。卸壓區(qū)寬度與防治煤與瓦斯突出“兩個四位一體”中區(qū)域和局部預(yù)抽煤層瓦斯、局部防突措施鉆孔布置等鉆孔的合理參數(shù)密切相關(guān)，如合理的鉆孔長度和封孔深度、順煤層鉆孔或排放鉆孔等局部防突措施的鉆孔布置方式、鉆孔深度、工作面循環(huán)推進(jìn)度等參數(shù)確定的重要依據(jù)，也是工作面推進(jìn)過程中進(jìn)行防突指標(biāo)(鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值/Δh2或者瓦斯放散初速度)測定結(jié)果是否失真判斷的參考。卸壓區(qū)寬度的確定對于煤與瓦斯突出預(yù)測的準(zhǔn)確性及瓦斯抽采效果的好壞至關(guān)重要。

劉洋[4]通過拋物線型為煤巖體破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立了塑性區(qū)極限平衡力學(xué)模型，推導(dǎo)得出煤巖抗拉強(qiáng)度、側(cè)向壓力系數(shù)等條件下的塑性區(qū)寬度解析解，為掘進(jìn)面卸壓區(qū)寬度研究提供了參考依據(jù)。舒龍勇[5]利用FLAC3D計算分析了煤巷掘進(jìn)面的采動應(yīng)力和破壞區(qū)分布特征，認(rèn)為最大主應(yīng)力的方向控制著掘進(jìn)面前方卸壓區(qū)和塑性變形區(qū)的發(fā)育程度，當(dāng)掘進(jìn)面迎頭距軟煤區(qū)2～4m時，硬煤內(nèi)發(fā)生應(yīng)力集中，軟煤內(nèi)發(fā)生塑性破壞。許江[6]對掘進(jìn)工作面突出過程中的溫度-氣壓-應(yīng)力體系演化過程進(jìn)行了研究，認(rèn)為卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)在突出前期為定溫-定壓-定熵相互轉(zhuǎn)換的過程，突出過程中煤體彈性應(yīng)變能釋放主要來自于應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)，突出過程中越靠近工作面區(qū)域釋放的瓦斯膨脹能越大，在距離工作面較遠(yuǎn)的原巖應(yīng)力區(qū)，其釋放的膨脹能長期穩(wěn)定在較低水平。蔣力帥[7]等采用FLAC3D對煤巷掘進(jìn)面的采動應(yīng)力和破壞區(qū)分布特征進(jìn)行模擬，認(rèn)為煤巷掘進(jìn)面前方存在應(yīng)力分布區(qū)和滲透性分區(qū)現(xiàn)象，在卸壓區(qū)，煤體內(nèi)垂直于巷道軸向的應(yīng)力與距迎頭煤壁的水平距離近似呈線性關(guān)系，掘進(jìn)面沿巷道軸向的水平應(yīng)力及瓦斯壓力梯度越大，卸壓區(qū)越短，煤體強(qiáng)度越低，煤巷掘進(jìn)面的突出危險性越高。胡千庭[8]等通過煤與瓦斯突出的發(fā)展過程分析，極限平衡區(qū)的失穩(wěn)破壞會導(dǎo)致煤巷掘進(jìn)面的瓦斯彈性勢能、瓦斯內(nèi)能和失穩(wěn)煤體本身具有重力勢能，會導(dǎo)致媒體應(yīng)力三帶的不平衡變化。Paterson[9]提出了突出是在瓦斯壓力梯度作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的觀點(diǎn)，齊黎明等[10]研究煤巷掘進(jìn)過程的突出時指出，煤體的強(qiáng)度越低，暴露面前方的應(yīng)力釋放區(qū)寬度越寬。何學(xué)秋等[11]人通過測定鉆孔的電磁輻射強(qiáng)度確定了煤巖卸壓區(qū)的寬度范圍。張九零等[12]運(yùn)用現(xiàn)場統(tǒng)計方法，計算得到了掘進(jìn)面前方卸壓區(qū)寬度；葉青等[13]采用RFPA模擬，反演了動力現(xiàn)象發(fā)生時的地質(zhì)演化過程，得出了在動力現(xiàn)象前后掘進(jìn)面前方煤體的地應(yīng)力、瓦斯壓力及卸壓區(qū)寬度的變化規(guī)律。

雖然多數(shù)學(xué)者在卸壓區(qū)對防治煤與瓦斯突出防御能力方面的研究結(jié)論較為一致，對掘進(jìn)面前方煤體應(yīng)力三帶的應(yīng)力動態(tài)變化特征及演化規(guī)律達(dá)成共識，但不難發(fā)現(xiàn)，先前學(xué)者多是對卸壓區(qū)寬度的定性描述或卸壓區(qū)寬度與瓦斯、應(yīng)力的變化規(guī)律，對卸壓區(qū)寬度的影響因素及何種因素對卸壓區(qū)寬度更具控制作用的研究相對較少?；诖?，本文開展卸壓區(qū)寬度影響因素的考察，并進(jìn)行了現(xiàn)場驗證考察，對煤巷掘進(jìn)工作面的防突機(jī)理和防治技術(shù)研究提供參考。

1 卸壓區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律

1.1 應(yīng)力分布

采掘作業(yè)活動破壞了原始煤層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤體中的應(yīng)力重新分布。一般情況下，在采掘空間形成的較短時間內(nèi)，首先在采掘空間界面附近形成較高的集中應(yīng)力(又稱支承應(yīng)力)，當(dāng)集中應(yīng)力值達(dá)到煤體的強(qiáng)度極限后，該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，經(jīng)過一定時間后，形成卸壓區(qū)(應(yīng)力松弛區(qū))、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，如圖1所示，在這三個區(qū)中，煤體所受應(yīng)力和變形性質(zhì)各有差異。

圖1 工作面前方煤體中應(yīng)力分布

由于集中應(yīng)力(或支承壓力)的作用，使煤體邊緣首先被壓酥，形成裂隙，煤體強(qiáng)度顯著降低，只能承受低于原巖應(yīng)力的載荷，稱之為卸壓區(qū)。由于煤體被壓酥，使集中應(yīng)力的作用點(diǎn)向煤體深部轉(zhuǎn)移，稱之為集中應(yīng)力區(qū)。從峰值應(yīng)力再深向煤體，集中應(yīng)力隨遠(yuǎn)離煤壁而逐漸衰減，該階段煤體由于所受應(yīng)力未達(dá)到屈服值，基本上處于彈性變形階段，為彈性變形區(qū)[12]。由于塑性區(qū)和卸壓區(qū)中的煤體經(jīng)受了峰值應(yīng)力的作用，超過了煤體的最大承受能力，煤體通常呈現(xiàn)破碎和疏松的狀態(tài)。在含瓦斯煤體中，極限狀態(tài)區(qū)煤體中的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯量大小，尤其是卸壓區(qū)的長短及其承載能力，對煤與瓦斯動力現(xiàn)象有很大影響，集中應(yīng)力區(qū)寬度大小與煤層開采深度、煤層采高和煤質(zhì)軟硬有關(guān)，集中應(yīng)力越大、煤層越厚和煤質(zhì)越疏松，卸壓區(qū)寬度越大[13]。

1.2 研究意義

煤與瓦斯突出是瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中第一百零三條規(guī)定要求，煤巷掘進(jìn)工作面執(zhí)行的防突措施必須保留至少5m安全屏障。即考慮到掘進(jìn)工作面新鮮煤體被揭露后，煤層內(nèi)儲存的彈性潛能、煤巖體覆巖應(yīng)力及瓦斯內(nèi)能均處于平衡態(tài)向非平衡態(tài)的動態(tài)演化過程，當(dāng)工作面預(yù)留的安全屏障能夠克服非平衡態(tài)的峰值應(yīng)力時，煤體的綜合應(yīng)力將進(jìn)一步的由非平衡應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變化新的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)化過程中，掘進(jìn)面前方煤體所受的綜合應(yīng)力將向工作面前方未揭露的深部煤體轉(zhuǎn)移。相反，當(dāng)安全屏障不足以克服綜合應(yīng)力峰值時，煤體塑性將進(jìn)一步降低，裂縫產(chǎn)生并出現(xiàn)劈裂，煤體垮落等現(xiàn)象，最終在外部擾動應(yīng)力的疊加下，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

相關(guān)學(xué)者研究均認(rèn)為，掘進(jìn)工作面煤體在平衡-動態(tài)演變-新的平衡過程中，煤體應(yīng)力應(yīng)變會形成原始空隙壓密階段、線彈性階段、彈塑性變形階段、破壞階段和破壞發(fā)展階段。原始空隙壓密階段即處于原始應(yīng)力階段，在綜合應(yīng)力作用下煤體的彈性變形處于極限狀態(tài)，新彈性階段即煤體所受應(yīng)力小于極限應(yīng)力后，煤體處于彈塑性變形的觸發(fā)狀態(tài)，裂隙開始產(chǎn)生，達(dá)到彈塑性變形階段后，裂隙開始大量產(chǎn)生，并在橫縱方向上相互貫通，煤體膨脹變形加劇，當(dāng)膨脹變形達(dá)到煤體抗拉強(qiáng)度極限后，煤體即進(jìn)入破壞階段和破壞發(fā)展階段。在破壞和破壞發(fā)展階段，煤體的滲透率大幅增長，瓦斯內(nèi)能參與煤體膨脹變形。一般認(rèn)為，當(dāng)煤體所受的綜合應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力的0.95倍時，煤體裂隙、滲透率增長現(xiàn)象顯現(xiàn)，開始發(fā)生膨脹變形。卸壓區(qū)長度是煤體膨脹變形導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移最關(guān)鍵的參數(shù)，其組成了塑性極限應(yīng)力帶的一部分，也為瓦斯抽采和鉆孔自然排放創(chuàng)造了條件。

2 卸壓區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律

依據(jù)文獻(xiàn)[1]和[5]中關(guān)于卸壓帶寬度的計算公式：

由式(1)可知，卸壓區(qū)寬度X0與煤層界面的摩擦因數(shù)f、煤體抗拉強(qiáng)度σt成反比，與煤層(或軟分層)的厚度m、煤巖的容重γ、側(cè)壓系數(shù)(最大水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值)A0和煤層開采深度H值成正比。因此，對于煤層(或軟分層)厚度、開采深度一定的煤層，卸壓區(qū)寬度X0就取決于煤體抗拉強(qiáng)度σt和煤層界面摩擦因數(shù)σt，當(dāng)σt、f值越小，則X0值越大；對于σt、γ和f值一定的煤層，則m、H值越大，X0值也越大。

2.1 鉆屑煤粉量實測

為了探究掘進(jìn)面卸壓區(qū)的安全寬度，選取晉城礦區(qū)不同瓦斯等級類型的礦井進(jìn)行現(xiàn)場實測。坪上礦和寺河礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3#煤，最大瓦斯含量13～15m3/t。岳城礦(主采3#煤)和寺河煤礦二號井(主采9#煤)為高瓦斯礦井，鳳凰山礦(主采15#煤)為低瓦斯礦井，將表1中相關(guān)參數(shù)代入式(1)進(jìn)行計算，得到其理論計算值X02。同時，實測工作面煤體的鉆屑煤粉量，測定其鉆屑量的變化規(guī)律，進(jìn)而分析實測的卸壓區(qū)寬度，見表1。

表1 掘進(jìn)面煤體瓦斯相關(guān)參數(shù)表

鉆孔施工時的鉆屑煤粉量是煤體強(qiáng)度、煤體應(yīng)力和煤中瓦斯壓力的綜合反應(yīng)，對于同一鉆孔深度、鉆孔直徑的鉆孔而言，鉆屑煤粉量的變化間接反應(yīng)了煤體應(yīng)力的變化情況[20，21]。煤體在其他條件相同情況下，應(yīng)力狀態(tài)不同時，鉆孔的煤粉量也不同，可以根據(jù)鉆孔煤粉量的變化來判斷煤巖體中的應(yīng)力變化情況。通過向掘進(jìn)面前方煤體打鉆孔，測定每米鉆孔的鉆屑煤粉量變化，得出實體煤體前方地應(yīng)力變化規(guī)律，現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結(jié)果

通過表1中卸壓區(qū)寬度數(shù)值計算與實測的鉆屑煤粉量的變化對比，可以看出有三個明顯特點(diǎn)：①A直線為鉆孔鉆進(jìn)5m位置時的鉆屑煤粉量突變點(diǎn)，此處的卸壓區(qū)寬度7.5m左右，為坪上礦和寺河礦兩個突出礦井的曲線變化，且與表1中的卸壓區(qū)寬度計算值相接近；②B直線處于A線和C線之間，為高瓦斯岳城煤礦的鉆屑煤粉量變化應(yīng)力突變點(diǎn)，該突變點(diǎn)與表1中的卸壓區(qū)寬度計算值吻合度較高；③直線C為寺河煤礦二號井和鳳凰山礦兩個瓦斯含量均較低的礦井的瓦斯應(yīng)力曲線突變點(diǎn)，也較好證明了應(yīng)力變化和卸壓區(qū)寬度的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 鉆孔瓦斯流量實測

為了進(jìn)一步驗證卸壓區(qū)寬度計算是否正確，依據(jù)文獻(xiàn)[24]中介紹的鉆孔瓦斯流量測定方法，推測工作面應(yīng)力變化對鉆孔瓦斯流量的變化規(guī)律。與文獻(xiàn)[24]的采面鉆孔布置方式不同，采用底板巖巷穿層鉆孔布置方式，鉆孔間距和每組鉆孔距離均該文獻(xiàn)中參數(shù)相同，測定底板巖巷穿層鉆孔瓦斯流量與煤巷工作面推進(jìn)距離的關(guān)系，鉆孔流量變化如圖3所示。

圖3 鉆孔抽采量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

因礦井瓦斯治理實際，現(xiàn)場觀測實驗礦井僅在長平礦、成莊礦和寺河礦施工有底板巖巷穿層鉆孔抽采措施的礦井實施。長平礦選擇在5302底板巖巷進(jìn)行了為期近5個月的穿層鉆孔流量觀測，觀測煤巷推進(jìn)距離31m；寺河礦選擇在W23022底板巖巷進(jìn)行了為期近8個月的跟蹤測試，觀測煤巷推進(jìn)距離50m；成莊礦選擇在4321底板巷進(jìn)行了為期近7個月的現(xiàn)場觀測，觀測煤巷推進(jìn)距離55m。由圖3可以看出，鉆孔瓦斯流量變化規(guī)律基本保持較一致。瓦斯抽采隨煤巷推進(jìn)距離的遠(yuǎn)近基本可分為卸壓增透區(qū)、滲透系數(shù)降低區(qū)和滲透系數(shù)穩(wěn)定區(qū)。在滲透系數(shù)穩(wěn)定區(qū)，瓦斯流量基本保持在0.25～0.27m3/min，可以認(rèn)為鉆孔瓦斯流量基本不受煤巷采動影響，處于原始應(yīng)力區(qū)，其長度保持在煤巷前方大于40m的范圍；滲透系數(shù)降低區(qū)與穩(wěn)定區(qū)相比，鉆孔瓦斯流量降至0.12～0.17m3/min，降低幅度達(dá)到52%左右，可以判斷是由于受到煤巷掘進(jìn)面前方集中應(yīng)力影響的緣故，煤體受力集中導(dǎo)致瓦斯流動阻力增大，滲透率降低而導(dǎo)致鉆孔瓦斯流量明顯減小，其長度基本位于煤巷工作面前方15～40m范圍；卸壓增透區(qū)鉆孔瓦斯流量明顯增大，明顯是受到卸壓區(qū)應(yīng)力降低而導(dǎo)致的媒體孔隙率增大，裂隙由閉合轉(zhuǎn)為開放狀態(tài)，煤體中瓦斯的吸附-解吸平衡被打破，大量游離瓦斯由導(dǎo)通的裂隙空間被鉆孔抽走，其范圍基本保持在0～15m范圍。

從理論計算和兩種實測方法的現(xiàn)場驗證，可以確定卸壓區(qū)寬度計算公式的正確性，為瓦斯抽放鉆孔封孔長度、工作面局部綜合防突措施有效執(zhí)行提供理論計算依據(jù)。為探究何種指標(biāo)是卸壓區(qū)寬度的主控因素，進(jìn)行有針對性的煤巖體儲層改造提供指導(dǎo)，還需對其影響因素進(jìn)行分析。

3 卸壓區(qū)寬度主控因素分析

卸壓區(qū)寬度的影響因素主要與摩擦因數(shù)、煤體抗拉強(qiáng)度、煤層厚度、測壓系數(shù)和開采深度等因素有關(guān)，以表1中五個煤礦的掘進(jìn)面煤體的實測參數(shù)為例進(jìn)行分析，考察影響煤體卸壓區(qū)寬帶的主控影響因素。

3.1 灰色關(guān)聯(lián)模型的建立

以卸壓區(qū)寬度為母因素(Y0，參考序列)，其影響因素(摩擦因數(shù)、煤體抗拉強(qiáng)度、煤層厚度、測壓系數(shù)和開采深度)為子因素(Yi，比較序列)，以表1中各礦與煤巷掘進(jìn)面煤體影響因素相關(guān)的參數(shù)為研究對象，考察其對卸壓區(qū)寬度的影響大小。

母因素的實測值為：

Y0={y0(1)，y0(2)，y0(3)，…，y0(n)}

(2)

子因素的觀測值為：

Yi={yi(1)，yi(2)，yi(3)，…，yi(n)}

(3)

主要包括原始數(shù)據(jù)的均質(zhì)化處理、進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算并求出綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)，進(jìn)行不同影響因素的關(guān)聯(lián)相似性分析，確定出不同因素的影響程度。y0標(biāo)準(zhǔn)母序列為卸壓區(qū)寬度實測值，y1為摩擦因數(shù)，y2為煤體抗拉強(qiáng)度，y3為煤層平均厚度，y4側(cè)壓系數(shù)，y5為煤層開采深度。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的確定

鑒于以上影響因素指標(biāo)值的量綱不統(tǒng)一，不便于比較或在比較時難以得到正確的結(jié)論，因此在灰色關(guān)聯(lián)度分析時，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理。數(shù)據(jù)的均值化處理：均值化是指用每個數(shù)據(jù)除以該列數(shù)據(jù)的平均值，得到一個占平均值百分比的新序列，在一定程度上減少數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，對原始數(shù)據(jù)表1采用均值化處理后各數(shù)列為：

Y0=(4.02，5.17，5.97，8.05，8.06)

Y1=(0.87，0.76，0.72，0.54，0.57)

Y2=(1.64，1.64，1.71，1.03，1.12)

Y3=(5.4，5.66，5.5，4.22，4.16)

Y4=(0.21，0.23，0.25，0.32，0.34)

Y5=(580，520，660，480，552)

均值化后：

Y0=(0.64，0.82，0.95，1.28，1.28)

Y1=(1.25，1.09，1.04，0.78，0.82)

Y2=(1.14，1.14，1.19，0.72，0.78)

Y3=(1.08，1.13，1.1，0.84，0.83)

Y4=(0.77，0.85，0.92，1.18，1.25)

Y5=(1.03，0.93，1.18，0.85，0.98)

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)

采用式(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)序列關(guān)聯(lián)度系數(shù)的計算：

ξi(k)=

因為關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻的關(guān)聯(lián)程度值，故它的數(shù)不止一個，而訊息過于分散不便于進(jìn)行整體性比較。因此有必要將各個時刻(即曲線中的各點(diǎn))的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個值，也就是求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，關(guān)聯(lián)度ri公式：

計算得到的關(guān)聯(lián)度為：γ1=0.5289，γ2=0.4721，γ3=0.5241，γ4=0.9197，γ5=0.5878。

4 卸壓區(qū)寬度主控因素

經(jīng)關(guān)聯(lián)度比較得出，γ4>γ5>γ1>γ3>γ2，說明卸壓區(qū)瓦斯寬度與側(cè)壓系數(shù)最為密切，相比其他影響因素而言，關(guān)聯(lián)度數(shù)值最大；在煤層摩擦因素、煤層平均厚度和煤層埋藏深度關(guān)聯(lián)度較為接近，但相對而言，煤層埋藏深度關(guān)聯(lián)度最大，同時，分析結(jié)果表明，煤體抗拉強(qiáng)度對于卸壓區(qū)寬度而言，關(guān)聯(lián)度的密切程度最低。

在煤巷掘進(jìn)過程中，要施工邊掘邊抽、短孔臨時抽放、水力沖孔或水力壓裂、松動爆破等局部性防突措施，其主要目的是降低煤體瓦斯壓力梯度和瓦斯含量，提高煤體強(qiáng)度，增大煤巷前方的卸壓區(qū)寬度，達(dá)到局部消突的目的。側(cè)壓系數(shù)在煤巷卸壓區(qū)寬度中為主要控制因素，通過施工外部荷載來增大煤體的破碎疏松程度，可有效增大卸壓區(qū)寬度，達(dá)到抵御煤與瓦斯突出及提高煤巷掘進(jìn)進(jìn)度的目的。

5 結(jié) 論

1)應(yīng)用極限平衡原理，分析認(rèn)為掘進(jìn)工作面前方煤體的卸壓區(qū)寬度與煤層界面摩擦因數(shù)、煤體抗拉強(qiáng)度、煤層厚度、煤巖容重、側(cè)壓系數(shù)及煤層開采深度等多種因素相關(guān)。

2)通過測定掘進(jìn)面煤體煤粉量大小隨深度的變化關(guān)系，確定卸壓區(qū)寬度的實測值，驗證了理論計算方法的正確性。同時也證明，不同等級類型的礦井，卸壓區(qū)寬度不同，突出礦井的卸壓區(qū)寬度最小，高瓦斯礦井次之，低瓦斯礦井的煤巷卸壓區(qū)寬度最大。

3)采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對卸壓區(qū)寬度影響因子進(jìn)行了定量考察，確定了煤體側(cè)壓系數(shù)與卸壓區(qū)寬度范圍關(guān)聯(lián)度最為密切，是影響卸壓區(qū)寬度的關(guān)鍵因素。為工作面突出防治使用水力壓裂等增透措施借以提高煤體的側(cè)壓系數(shù)提高理論參考，為針對性開展工作面增透措施提高瓦斯抽采效率提供方向性指導(dǎo)。