蘇偉偉，田世祥，馬瑞帥，林華穎，余捷

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

煤與瓦斯突出是地應(yīng)力和瓦斯壓力作用在含瓦斯煤巖體的一種動力現(xiàn)象[1]。由于突出發(fā)生的突然性和破壞性，往往會帶來大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。隨著煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力與瓦斯應(yīng)力的加大，一些含瓦斯的巖石也發(fā)生了突出。如前蘇聯(lián)的頓巴斯煤田在 1955—1975年期間發(fā)生了3293次砂巖和瓦斯突出[3]。比利時艾格萊波礦發(fā)生巖石和瓦斯突出事故，造成121人死亡[4]。這些年我國也發(fā)生了多次煤、巖石與瓦斯的突出事故[5-9]。國內(nèi)永川煤礦（1991—1994年）、北票礦區(qū)的冠山二井和臺吉豎井（1970年）、吉林營城五井（1975年）、東梁二井（1983年）、甘肅窯街礦區(qū)海石灣風(fēng)井（1995年）、阜新礦區(qū)艾友礦（2007年）相繼在井下作業(yè)時發(fā)生過巖石和瓦斯突出。因此，在井下巖巷掘進(jìn)過程中無論是煤層還是含高瓦斯壓力的巖石構(gòu)造帶，都應(yīng)做好防突措施。炭質(zhì)泥巖具有吸附性，其揭露過程中如何做好防突措施值得探索。本文以石莊溝煤礦主斜井揭穿含高瓦斯壓力炭質(zhì)泥巖層為工程背景，開展針對性的防突措施研究，以期為相同工程應(yīng)用提供參考。

1 炭質(zhì)泥巖成因及吸附特性

挺水植物和沉水植物死亡后，殘體在湖底沉積，由于濱淺湖前沿斜坡上的大量泥質(zhì)塊體在暗流作用、重力作用下向湖底搬運(yùn)滑塌，并不斷沉積淹蓋這些植物遺體[10-11]。長期地質(zhì)活動中，這些混雜著大量植物遺體及碎屑雜質(zhì)的淤泥在埋藏過程中，經(jīng)過壓實(shí)、膠固作用后，形成炭質(zhì)泥巖。巖樣中含有大量的黏土礦物及非黏土礦物，非黏土礦物包括碎屑礦物、自生礦物、有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)在地層中經(jīng)過氧化還原反應(yīng)后生成瓦斯。炭質(zhì)泥巖層的成氣原理和煤層成氣原理有一定類似，但不完全相同，煤層瓦斯成因是經(jīng)過生物化學(xué)和煤化變質(zhì)作用成氣，而炭質(zhì)泥巖內(nèi)部瓦斯一般是在泥巖成巖過程中的生物化學(xué)階段由產(chǎn)生甲烷細(xì)菌在厭氧條件下降解形成的。在吸附性上炭質(zhì)泥巖與煤同屬物理吸附，但炭質(zhì)泥巖的吸附性能主要取決于其中的黏土礦物成分[12]。黏土礦物孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由納米孔組成，孔徑2 nm～50 nm的孔隙提供了主要的孔隙體積和比表面積，并且黏土礦物也具有I類等溫吸附曲線特征，符合 Langmuir單分子層吸附理論模型，最大瓦斯吸附量與其比表面積有較好的正相關(guān)性，比表面積越大，甲烷吸附量越大[13]。

2 井筒揭穿炭質(zhì)泥巖層防突實(shí)踐

2.1 工作面概況

石莊溝煤礦位于阜康市東 40 km的白楊河西岸，主井施工至882 m附近時，施工超前探鉆，發(fā)現(xiàn)在打鉆過程中出現(xiàn)頂鉆、卡鉆，以及瓦斯涌出量異常等現(xiàn)象。經(jīng)超前探鉆孔資料分析，該破碎帶的主要巖性為含炭量較高的泥巖，含炭量為28%，厚度大約2 m～3 m，其走向262°，傾角57°，巖層賦存穩(wěn)定，頂?shù)装寰鶠榧?xì)砂巖，破碎帶具體位置見圖1。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求，鉆孔過程中出現(xiàn)噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象，必須采取區(qū)域綜合防突措施。

圖1 井筒和破碎帶位置關(guān)系示意圖

2.2 突出危險性預(yù)測

針對炭質(zhì)泥巖吸附瓦斯的特征，采用初始釋放瓦斯膨脹能為預(yù)測指標(biāo)進(jìn)行突出危險性預(yù)測。初始釋放瓦斯膨脹能是從能量的角度反映煤巖體的突出危險性，其綜合反應(yīng)地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤巖體力學(xué)強(qiáng)度等因素在突出過程中的作用。它不但適用于煤與瓦斯突出的預(yù)測，同樣適用巖石與瓦斯突出。

2.2.1 原始瓦斯壓力測定

由于主井巖石破碎帶裂隙較為發(fā)育，測壓孔施工前對巖石破碎帶采用注漿法進(jìn)行封堵裂隙。封堵后施工2個下行測壓孔，測壓孔穿層布置，測定鉆孔參數(shù)見表1。

表1 瓦斯壓力測定鉆孔參數(shù)

實(shí)踐過程中，石莊溝主井炭質(zhì)泥巖破碎帶采用M-Ⅱ型瓦斯壓力測定儀測定瓦斯壓力，壓力測定結(jié)果如圖2所示。

圖2 主斜井測壓鉆孔瓦斯壓力

由圖2可知，1，2號孔壓力均在10 h后達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力分別為0.93 MPa（表壓力）、0.75 MPa（表壓力）。10 h～80 h期間，1，2號孔壓力均無變化，故主井掘進(jìn)至井筒長度882 m位置，破碎帶的瓦斯壓力為0.93 MPa。

2.2.2 初始釋放瓦斯膨脹能測定

初始釋放瓦斯膨脹能測定系統(tǒng)由甲烷氣瓶、2XZ-1型旋片真空泵、KF-5型低溫浴槽、煤樣罐、溫度計、計算機(jī)采集系統(tǒng)、高壓傳感器、低壓傳感器、閥門、壓力表等部分組成。實(shí)驗(yàn)原理見圖 3。實(shí)驗(yàn)過程中，取300 g炭質(zhì)泥巖放入煤樣罐中抽真空8 h，后續(xù)煤樣罐內(nèi)充入瓦斯至0.93 MPa，保持罐內(nèi)20℃恒定8 h；設(shè)定壓力傳感器的測定速度，打開高、低壓傳感器與電磁閥之間的閥門后，立刻打開漸縮噴口；計算機(jī)開始采集罐內(nèi)各時刻壓力和溫度，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；將罐內(nèi)巖樣換成同體積鐵塊，重復(fù)上述操作。

圖3 初始釋放瓦斯膨脹能測試原理

經(jīng)膨脹能計算軟件處理后得出，主斜井掘進(jìn)長度至882 m時，炭質(zhì)泥巖破碎帶的初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)為64.39 mJ/g，大于初始釋放瓦斯膨脹能的弱突出臨界值42.98 mJ/g，進(jìn)一步證明該炭質(zhì)泥巖層具有突出危險性。

2.3 主斜井揭穿炭質(zhì)泥巖防突措施

主斜井掘進(jìn)至距炭質(zhì)泥巖層法相距離7 m時，采用穿層鉆孔抽放炭質(zhì)泥巖層瓦斯。抽采過程中共施工70個瓦斯抽放鉆孔，采用直徑為90 mm的釬頭進(jìn)行鉆進(jìn)，抽放半徑為 1.5 m，鉆孔控制范圍為上幫12 m、下幫6 m、兩側(cè)5 m，鉆孔施工如圖4所示。

圖4 石莊溝主斜井抽放鉆孔開孔位置

在實(shí)驗(yàn)室條件下對炭質(zhì)泥巖進(jìn)行吸附常數(shù)測定和工業(yè)分析，結(jié)果見表 2，結(jié)合炭質(zhì)泥巖構(gòu)造帶參數(shù)（見表3），根據(jù)朗繆爾方程計算：

式中，X為瓦斯含量，m3/t；a、b為煤的吸附常數(shù)；P為瓦斯壓力，MPa；V為單位重量煤的孔隙容積，m3/t；T0為標(biāo)準(zhǔn)情況下的絕對溫度（273 K）；P0為絕對壓力（0.101 325 MPa）；T為瓦斯的絕對溫度，T=273+t；ξ為瓦斯的壓縮系數(shù)；e為自然對數(shù)的底，e=2.718；t0為實(shí)驗(yàn)室測定煤的吸附常數(shù)時的試驗(yàn)溫度，℃；t為煤層溫度，℃；n為系數(shù)；A為灰分，%；W為水分，%。

現(xiàn)場實(shí)測得出，鉆孔控制范圍內(nèi)巖體體積為12 220.5 m3，巖體相對密度為2.6 t/m3。故理論上鉆孔控制范圍內(nèi)儲存瓦斯為30 972.612 84 m3，但現(xiàn)場在抽放瓦斯68 101.5 m3后，仍能不斷地抽放出瓦斯。

2.4 防突措施效果檢驗(yàn)

同煤一樣，炭質(zhì)泥巖巖樣表面具有大量的孔隙，巖塊之間有大量裂隙。表面的孔隙是在炭質(zhì)泥巖形成過程中，由排出的液體和氣體形成的微小氣孔組成。裂隙則是伴隨著炭質(zhì)泥巖的形成而形成的。炭質(zhì)泥巖的力學(xué)強(qiáng)度較煤低，在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動中，受到同等構(gòu)造應(yīng)力時，形成的裂隙也比煤多。且現(xiàn)場測量可得，炭質(zhì)泥巖透氣性系數(shù)為 29.620 m2/(MPa2·d)，屬易抽放巖層。瓦斯的抽放效果主要取決于煤巖體的透氣性，以及煤巖體內(nèi)瓦斯和鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力梯度。石莊溝炭質(zhì)泥巖破碎帶透氣性好、瓦斯壓力大。這些特性致使在抽放時鉆孔控制范圍外的瓦斯流向抽放鉆孔，使得抽放瓦斯量大于瓦斯理論計算量。

表2 石莊溝煤礦炭質(zhì)泥巖工業(yè)分析及吸附常數(shù)參數(shù)

表3 石莊溝煤礦破碎帶巖層參數(shù)

為縮短工程周期，同時為驗(yàn)證消突措施的有效性，在瓦斯抽放11 d后，采用初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)法對主斜井前方炭質(zhì)泥巖破碎帶進(jìn)行效果檢驗(yàn)。由于煤巖體初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯壓力呈線性關(guān)系，且不同煤巖層斜率是不同的[15]，因此，選取石莊溝炭質(zhì)泥巖層巖樣對巖樣做不同壓力下的初始瓦斯膨脹能測定(數(shù)據(jù)見表4)。

表4 炭質(zhì)泥巖巖樣初始釋放瓦斯膨脹能測定結(jié)果

以初始釋放瓦斯膨脹能Wp為縱坐標(biāo)，瓦斯壓力P為橫坐標(biāo)，將表4中數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，運(yùn)用origin軟件對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到炭質(zhì)泥巖初始釋放瓦斯膨脹能Wp和瓦斯壓力P關(guān)系如圖5所示，由圖5中公式計算可得，石莊溝煤礦炭質(zhì)泥巖破碎帶對應(yīng)弱突出時的臨界瓦斯壓力為0.56 MPa。

由于施工抽放鉆孔后，鉆孔的卸壓使得炭質(zhì)泥巖層的透氣性增加，且?guī)r體破碎、裂隙發(fā)育，無法準(zhǔn)確測定炭質(zhì)泥巖破碎帶的殘余瓦斯壓力[16]。為了對炭質(zhì)泥巖破碎帶是否消除突出危險性進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證，在抽放鉆孔控制范圍內(nèi)取巖樣，采用直接法測定炭質(zhì)泥巖破碎帶殘余瓦斯含量，所測得的殘余瓦斯含量為0.4281 m3/t，把所測結(jié)果代入式（1），得到炭質(zhì)泥巖破碎帶殘余瓦斯壓力為0.4807 MPa。與炭質(zhì)泥巖破碎帶原始瓦斯參數(shù)相比（見表5），殘余瓦斯參數(shù)均小于弱突出時的臨界值。此時認(rèn)定炭質(zhì)泥巖層已不具備突出危險性。

圖5 石莊溝煤礦炭質(zhì)泥巖的P-Wp關(guān)系曲線

表5 工作面瓦斯參數(shù)對比

為確保消突檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在主斜井掘至構(gòu)造帶頂板5 m左右位置時，再次對炭質(zhì)泥巖層進(jìn)行瓦斯參數(shù)測定，測定的瓦斯壓力為0.18 MPa，殘余瓦斯含量為0.2663 m3/t，此時可以揭露炭質(zhì)泥巖層。目前石莊溝煤礦已安全穿越炭質(zhì)泥巖破碎帶，且揭露和穿越過程中無動力現(xiàn)象及瓦斯涌出異常現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）石莊溝炭質(zhì)泥巖破碎帶發(fā)生弱突出時的臨界瓦斯量為 0.4281 m3/t，臨界瓦斯壓力為 0.56 MPa，采取瓦斯抽采措施后，殘余瓦斯壓力、殘存瓦斯含量、初始瓦斯膨脹均低于弱突出臨界值，達(dá)到了消突目的，安全揭露了破碎帶，保障了安全生產(chǎn)。

（2）運(yùn)用瓦斯膨脹能指標(biāo)法對炭質(zhì)泥巖層破碎帶進(jìn)行突出預(yù)測與防突效果檢驗(yàn)，從揭露結(jié)果來看，針對高瓦斯炭質(zhì)泥巖破碎帶的突出預(yù)測和防突措施是有效的，也證實(shí)了膨脹能指標(biāo)法用于炭質(zhì)泥巖預(yù)測和消突效果檢驗(yàn)的合理性。

（3）地質(zhì)破碎、裂隙發(fā)育，特別是施工抽放鉆孔后無法準(zhǔn)確測定瓦斯壓力，可利用瓦斯含量間接得到初始釋放瓦斯膨脹能。