伍小沙，田世祥，馬瑞帥，許石青，林華穎，余 婕，蘇偉偉

(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(簡稱“突出”)是瓦斯壓力和地應(yīng)力作用在含瓦斯煤體的1種動(dòng)力現(xiàn)象[1]。突出煤層并非處處具有突出危險(xiǎn)性，突出往往只發(fā)生在局部地帶，突出危險(xiǎn)帶的面積占比通常不到整個(gè)突出煤層面積的10%[2]。隨著煤礦開采向深部進(jìn)行，煤巷掘進(jìn)時(shí)所發(fā)生的突出事故已占礦井突出事故總數(shù)的首位[3-4]。故準(zhǔn)確預(yù)測煤巷掘進(jìn)過程中前方煤體有無突出危險(xiǎn)性意義重大。

預(yù)測煤巷工作面前方煤體有無突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)較多，其中，文獻(xiàn)[5]在理論上對鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)[6-7]進(jìn)行討論，隨后文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步完善其理論，文獻(xiàn)[9]較早使用該指標(biāo)進(jìn)行煤巷突出危險(xiǎn)性預(yù)測，2009年該項(xiàng)指標(biāo)被列入《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中。其他鑒定煤巷是否具有突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)還包括R值指標(biāo)、鉆屑量和復(fù)合指標(biāo)等。但是上述預(yù)測指標(biāo)均屬于靜態(tài)預(yù)測指標(biāo)[10]，有關(guān)預(yù)測煤巷突出危險(xiǎn)性的動(dòng)態(tài)預(yù)測指標(biāo)[11]則鮮有報(bào)道。本文運(yùn)用理論分析和建立數(shù)值模型的方法，對煤巷突出發(fā)生條件以及鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力關(guān)系進(jìn)行研究。利用ZTL20/1000-Z型礦用隔爆型連續(xù)流量法煤層巷道突出預(yù)測裝置，以薛湖煤礦二煤層為試驗(yàn)對象，展開相應(yīng)試驗(yàn)研究，以期為煤巷突出危險(xiǎn)性預(yù)測提供參考。

1 理論研究與數(shù)值模擬

1.1 卸壓區(qū)煤體破壞判據(jù)

煤巷掘進(jìn)過程中煤體的破壞形式主要包括：壓縮破壞、拉伸破壞和剪切破壞[12]。大量研究表明，在一定圍壓的作用下煤體主要發(fā)生剪切破壞，卸壓區(qū)煤體受力分布示意如圖1所示。

圖1 煤體受力分布示意Fig.1 Schematic diagram of coal body force distribution

因此，假設(shè)卸壓區(qū)煤體的破壞方式為剪切破壞。物理判據(jù)可根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則得式(1)：

(1)

在平面應(yīng)力的條件下，可用主應(yīng)力σ1，σ3來表示，由于煤體的黏聚力c一般是常數(shù)，其計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：τ為平行于破壞面的剪應(yīng)力，MPa；f為摩擦系數(shù)；σ為垂直于破壞面的主應(yīng)力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；c為煤體的黏聚力，MPa；σ1為作用于煤體的軸壓，MPa；σ3為作用于煤體的圍壓，MPa。

對式(2)進(jìn)行整合得式(3)：

(3)

式中：β為破壞面與水平方向成的夾角，(°)。

將式(3)帶入式(2)得式(4)：

(4)

將式(4)進(jìn)行整理，令摩擦系數(shù)f=tgβ，代入(4)式得式(5)：

σ1[(1+f2)1/2-f]=σ3[(1+f2)1/2+f]+2c

(5)

當(dāng)σ3=0時(shí)，σ1=σc；當(dāng)σ1=0時(shí)，σ3=σT。其中σc為煤體單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；σT為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa；將上述2個(gè)條件帶入式(5)得式(6)：

(6)

在煤巷卸壓區(qū)中，令σ3=σx，σ1=σy得式(7)：

(7)

1.2 煤巷突出危險(xiǎn)性分析

煤巷掘進(jìn)過程中掘進(jìn)工作面前端會(huì)產(chǎn)生卸壓區(qū)、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶[13]，如圖2所示。卸壓區(qū)和應(yīng)力集中帶的塑性變形區(qū)的煤體應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)，煤體容易從頂板和底板巖石間或軟弱夾層處擠出，且在煤層界面上伴有剪應(yīng)力τxy生成。

圖2 工作面前方垂直應(yīng)力分布示意Fig.2 Schematic diagram of vertical stress distribution in front of working face

對卸壓區(qū)煤體進(jìn)行受力分析可得式(8)～(9)：

(8)

τxy=σxtgφ+c

(9)

式中：τxy為剪應(yīng)力，MPa；σx為x軸方向所承受的壓力，MPa；x0為卸壓區(qū)寬度，m；p為作用于工作面卸壓區(qū)方向煤體上的瓦斯壓力，MPa。

將式(7)帶入式(8)得式(10)：

(10)

式中：N=σT/σc；m為煤層厚度，m；σy為y軸方向所承受的壓力，MPa。

將式(9)帶入式(10)得式(11)：

(11)

式中：A為側(cè)壓系數(shù)。

因煤巷掘進(jìn)時(shí)突出發(fā)生條件如式(12)所示：

(12)

周世寧等[14]研究表明：煤體滲透率和地應(yīng)力的關(guān)系如式(13)所示：

K=K0e-bσy

(13)

式中：K為煤體滲透率，m2/(MPa2·d)；K0為地應(yīng)力為零時(shí)的煤體滲透率，m2/(MPa2·d)；b為待定系數(shù)。

將式(13)帶入式(12)化簡得式(14)：

(14)

考慮到卸壓區(qū)煤體穩(wěn)定性條件，卸壓區(qū)的安全寬度如式為(15)所示：

(15)

對式(14)分析可知，對于同一煤層，當(dāng)其卸壓帶寬度一定時(shí)，突出發(fā)生與否由煤體滲透率、抗拉強(qiáng)度和瓦斯壓力共同決定。根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，煤巷掘進(jìn)過程中突出多發(fā)生在由硬煤揭露軟分層時(shí)，這是因?yàn)檐浄謱拥拇嬖诓坏档兔后w的抗拉強(qiáng)度，且地應(yīng)力往往將軟分層壓密，導(dǎo)致煤體滲透率變小。煤體滲透率變小又引起大量瓦斯氣體聚集形成高壓瓦斯源，當(dāng)突然揭露軟分層時(shí)，由于壓差的存在，大量瓦斯氣體在短時(shí)間內(nèi)向掘進(jìn)空間釋放從而為突出發(fā)生創(chuàng)造條件。

1.3 數(shù)值模擬的運(yùn)用

大量工程實(shí)踐表明：當(dāng)鉆進(jìn)到具有高壓瓦斯源的軟分層時(shí)，由于大量瓦斯的釋放使鉆孔瓦斯涌出量急劇增加，且打鉆過程和煤巷掘進(jìn)過程相似?；诖?，運(yùn)用COMSOL Multiphysics模擬軟件進(jìn)一步探索瓦斯壓力和鉆孔瓦斯涌出量的關(guān)系，模型參數(shù)見表1。

模型的邊界條件：在模型底部為固定邊界，左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)為法向位移約束邊界，前部為自由空間，F(xiàn)為上覆巖層的自重，MPa，煤層滲透率為有效應(yīng)力的函數(shù)。數(shù)值模型圖如圖3所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

圖3 三維數(shù)值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

為研究在不同瓦斯壓力下的打鉆過程中，煤體瓦斯向鉆孔涌出的特性，在煤層埋深為900 m，打鉆長度為1 m，打鉆時(shí)間為3 min，煤體含水率為5.6%，瓦斯壓力分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3 MPa的條件下展開模擬研究，不同瓦斯壓力下的鉆孔初始瓦斯流量隨時(shí)間分布圖如圖4所示。

圖4 不同瓦斯壓力下的鉆孔初始瓦斯流量隨時(shí)間分布Fig.4 Distribution of initial gas flow of borehole with time under different gas pressures

為直觀表明鉆孔瓦斯涌出量和瓦斯壓力的關(guān)系，對圖4進(jìn)行積分得到不同瓦斯壓力條件下鉆孔瓦斯涌出量，并對其進(jìn)行擬合，如圖5所示。

圖5 鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力關(guān)系Fig.5 Relationship between gas emission amount of borehole and gas pressure

由圖5可知，鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力呈現(xiàn)線性關(guān)系。所以，鉆孔瓦斯涌出量可以線性表示瓦斯壓力作為敏感指標(biāo)判斷煤巷是否具有突出危險(xiǎn)性。陳松立等[16]研究表明，鉆孔總瓦斯涌出量可以被初始鉆孔瓦斯流量表征，且初始鉆孔瓦斯流量隨鉆進(jìn)深度動(dòng)態(tài)可測。因而，針對能否運(yùn)用初始鉆孔瓦斯流量這一指標(biāo)預(yù)測煤巷掘進(jìn)過程中前方煤體是否具有突出危險(xiǎn)性的問題展開試驗(yàn)研究。

2 工業(yè)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)煤層概況

二煤層為薛湖煤礦的主采煤層，煤層平均厚度為2.23 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單且較穩(wěn)定，頂板由砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖構(gòu)成，底板由細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖構(gòu)成。煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.22～0.41，相對瓦斯壓力為1.12～1.73 MPa，經(jīng)鑒定為突出煤層。

2.2 試驗(yàn)裝備

本文試驗(yàn)裝置為ZTL20/1000-Z型礦用隔爆型連續(xù)流量法煤層巷道突出預(yù)測裝置。裝置原理圖如圖6所示。

1-位移傳感器；2-煤鉆機(jī)；3-煤倉；4-流量計(jì)；5-篩網(wǎng)； 6-三通；7-手動(dòng)試壓泵；8-膠囊；9-鉆桿；10-鉆頭； 11-隔爆電源箱；12-隔爆數(shù)據(jù)采集器圖6 試驗(yàn)裝置原理Fig.6 Schematic diagram of testing device

2.3 試驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)室條件下試驗(yàn)裝置的封孔效果滿足工業(yè)需求，試驗(yàn)步驟如下：

1)在掘進(jìn)工作面接近中間位置施工1個(gè)Φ94 mm的鉆孔，鉆孔長度為1 m；

2)經(jīng)由手動(dòng)試壓泵以3 MPa壓力向膠囊內(nèi)注水封孔；

3)將傳感器固定在相應(yīng)位置，開啟主機(jī)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序；

4)用Φ42 mm的鉆頭經(jīng)由封孔設(shè)備向工作面前方鉆進(jìn)，施工至預(yù)定位置；

5)停止數(shù)據(jù)采集程序，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序；

6)處理輸出結(jié)果，保存原始數(shù)據(jù)，測定過程結(jié)束；

7)運(yùn)用鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度對煤巷突出危險(xiǎn)性進(jìn)行判定；

8)在采取防突措施條件下進(jìn)行煤巷掘進(jìn)，根據(jù)實(shí)際采掘情況判斷被掘煤巷是否具有突出危險(xiǎn)性。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)將流速傳感器、位移傳感器的電流值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的瓦斯流量值和位移值，并生成相應(yīng)的位移流量曲線圖。該裝置數(shù)據(jù)處理部分運(yùn)用曲線積分的方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體數(shù)據(jù)處理原理如式(16)～(17)所示：

(16)

M=S·L=S(K2-r)

(17)

式中：Si為流量曲線的任意微段的瓦斯流量面積，(L·m)/min；ro，re為i點(diǎn)流量微段兩端到工作面的長度，m；qi為i點(diǎn)所對應(yīng)瞬時(shí)瓦斯流量值，L/min；r為瓦斯流量面積的面心距工作面的距離，m；ri為i點(diǎn)所對應(yīng)微段的流量面積的面心距離工作面距離，m；M為最大流量峰面積，(L·m2)/min；S為單位長度最大位移流量曲線圖形面積，(L·m)/min；L為單位長度最大位移流量曲線圖形的重心距離預(yù)測鉆孔孔底的距離，m；K2為鉆孔總長度，m；n為鉆孔的個(gè)數(shù)。

由式(17)可知，最大流量峰面積與單位長度最大位移流量曲線圖形面積成正比，與單位鉆孔長度流量面積的面心距離工作面距離成反比，即最大流量峰面積越大發(fā)生突出的可能性越大。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)的預(yù)測鉆孔長度是10 m，在保證有足夠的安全距離的基礎(chǔ)上，滿足《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的要求，本文試驗(yàn)共采集到8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

8個(gè)鉆孔隨鉆孔深度的瓦斯涌出量的變化情況如圖7所示。

圖7 鉆孔位移-瓦斯流量柱形 Fig.7 Bar chart of borehole displacement and gas flow

由圖7可知，5號(hào)鉆孔的瓦斯涌出量在鉆孔深度6 m以內(nèi)是穩(wěn)定的，在7 m的位置突然增加，隨后迅速下降，之后再次變得穩(wěn)定。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)到6～7 m之間時(shí)，鉆孔瓦斯流量急劇增加并達(dá)到最大值。同時(shí)，由圖7可知，5號(hào)鉆孔柱形體積的最大值即最大流量峰面積值22.00 (L·m2)/min。7號(hào)鉆孔的瓦斯涌出量變化趨勢為先增大至最大值，即當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)到2～3 m之間時(shí)，瓦斯涌出量急劇增加并達(dá)到最大值，表明此處煤體吸附有大量瓦斯，當(dāng)煤體被瞬間揭露破壞時(shí)解析出大量瓦斯，由圖7可知，7號(hào)鉆孔柱形體積的最大值即最大流量峰面積值為59.30 (L·m2)/min。通過以上分析可知，同一鉆孔在不同鉆孔深度下，瓦斯涌出量變化明顯，不同鉆孔之間也存在明顯差異。3號(hào)鉆孔瓦斯涌出量的最小值為1 L/m，而7號(hào)鉆孔瓦斯涌出量的最大值接近60 L/m。造成這種差異的原因?yàn)椴煌@孔深度的地質(zhì)條件不同。為進(jìn)一步了解最大流量峰面積臨界值預(yù)測突出的可能性，結(jié)合現(xiàn)場動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，將最大流量峰面積臨界值與煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)K1進(jìn)行對比，見表2。

表2 5號(hào)鉆孔和7號(hào)鉆孔的流量測試數(shù)據(jù)Table 2 Flow test data of No.5 borehole and No.7 borehole

如表2可知，5號(hào)和7號(hào)鉆孔的K1值均低于0.5 (mL·min1/2)/g的閾值，在打鉆過程中沒有觀察到明顯的突出動(dòng)力現(xiàn)象，這可以說明K1指標(biāo)對工作面的突出危險(xiǎn)性不敏感。

由于鉆頭鉆進(jìn)到2～3 m之間時(shí)，瓦斯涌出量急劇增加并達(dá)到最大值，表明此處煤體吸附有大量瓦斯，當(dāng)煤體被瞬間揭露破壞時(shí)解析出大量瓦斯。因此，對2～3 m之間的煤體進(jìn)行煤樣采集，煤樣如圖8所示。后續(xù)通過試驗(yàn)運(yùn)用鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度進(jìn)行檢驗(yàn)判斷其有無突出危險(xiǎn)性，見表3，分別測得2.6 kg/m，2.2 L/min均不大于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中的臨界值6.0 kg/m與4.0 L/min。對該預(yù)測區(qū)段進(jìn)行掘進(jìn)，結(jié)果表明無突出發(fā)生，即最大流量峰面積為59.30 (L·m2)/min時(shí)煤巷沒有突出危險(xiǎn)性。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Testing results

由表3可知，最大流量峰面積、鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度變化趨勢基本相同，最大流量峰面積的最小值為7.50 (L·m2)/min，最大值為59.30 (L·m2)/min，其取值范圍較廣。當(dāng)最大流量峰面積是59.30 (L·m2)/min時(shí)，雖然煤層在掘進(jìn)過程中沒有突出發(fā)生，但是鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度在打鉆過程中存在卡鉆現(xiàn)象，因此，最大流量峰面積突出臨界值取值為59.30 (L·m2)/min。

4 結(jié)論

1)鉆孔瓦斯流涌出量與瓦斯壓力呈線性關(guān)系；初始鉆孔瓦斯流量可作為預(yù)測煤巷突出危險(xiǎn)性的敏感指標(biāo)。

2)最大流量峰面積、鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度變化趨勢基本相同。

3)最大流量峰面積指標(biāo)取值范圍較鉆屑量和鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)取值范圍廣；薛湖煤礦二煤層最大流量峰面積突出臨界值取值為59.30 (L·m2)/min。