周建斌，王曉東，趙 偉，徐 超，2，，何舒蕾，周 倩，劉晨熙

(1.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；2.陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司 博士后科研工作站，山西 陽泉 045000；3.中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京100083)

0 引 言

中國煤炭資源分布較廣，包括東北、華北、山西、內蒙和云貴川等眾多礦區(qū)；其中包括神東、晉北、晉西和晉東等多個億噸級煤炭生產(chǎn)基地。各個礦區(qū)由于煤層賦存條件和開采條件的不同，導致同一地區(qū)瓦斯災害同樣存在較大差異。同樣，對于陽泉礦區(qū)而言，煤礦瓦斯突出災害頻發(fā)，且同樣存在差異化特征[1-2]。

關于煤與瓦斯突出的控制機理，目前國內外文獻中主要有“瓦斯作用說”、“地應力作用說”、“化學本質說”以及“綜合作用說”4種假說。其中，“綜合作用說”考慮了瓦斯、地應力及煤體本身性質等因素，因此更為科學系統(tǒng)，逐漸被學界認可[3-9]。在突出準備及發(fā)動階段，瓦斯主要起降低煤體強度，形成高壓梯度的作用，而地應力則是破壞煤體能量的主要提供者。在突出發(fā)展階段，解吸形成的高速瓦斯流與地應力配合連續(xù)剝離突出煤體，并將前方煤體拋射到巷道中，形成逐步向深部發(fā)展的新突出面。這種剝離面或呈層狀，或呈球殼狀，因此形成了層裂理論及球殼失穩(wěn)理論[10-11]。而在突出終止階段，瓦斯則繼續(xù)長時間解吸，異常解吸的時間可持續(xù)長達幾小時甚至幾天。

煤與瓦斯突出是一個復雜多變的非線性過程，很難完整精確的定量化對其進行描述[12]。因此，對突出的過程研究多從能量角度進行闡述。蘇聯(lián)學者霍多特首先推導出了描述突出過程的瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能、破碎功等公式[13]。澳大利亞學者GRAY利用能量理論分析了澳大利亞三起突出事故[6]。我國學者鄭哲敏基于突出能量得出瓦斯在突出中起著主導作用[14]。文光才等基于破碎實驗給出了破碎功的經(jīng)驗模型[15]。安豐華等基于數(shù)值模擬對突出能量大小進行了探究，并給出了基于能量模型的突出激發(fā)判據(jù)[16-17]。趙偉從能量角度分析了有效做功瓦斯在突出瓦斯中所占的比重[3]。從上述研究現(xiàn)狀可以看出，以能量方程為基本手段去分析突出危險性，厘定突出激發(fā)的閾值是可行的。

陽泉礦區(qū)地質構造差異化大，突出危險性變化不一，如何利用合適方法對區(qū)域突出危險性進行劃分意義重大。文中利用陽泉礦區(qū)瓦斯突出事故資料，基于突出能量的基本方程，對陽泉礦區(qū)區(qū)域煤與瓦斯突出危險性分布規(guī)律進行了定量研究，并探究導致此差異化分布規(guī)律的內在原因，為陽泉礦區(qū)瓦斯災害差異化精準防控奠定基礎。

1 陽泉礦區(qū)突出事故統(tǒng)計

陽泉礦區(qū)位于山西省中東部，沁水盆地東北部，是中國重要的無煙煤基地。礦區(qū)現(xiàn)有新景礦、一礦、三礦、五礦、寺家莊礦、石港礦、永新、新元礦和平舒礦9對突出礦井。根據(jù)陽泉礦區(qū)歷年來各煤礦突出事故統(tǒng)計結果，將最大突出煤巖量和最大噴出瓦斯量與陽泉礦區(qū)各煤礦的地理位置統(tǒng)計對比分析，如圖1所示。從圖1可以看出，突出事故主要集中發(fā)生在陽泉礦區(qū)中部的東北區(qū)域，即在陽泉礦區(qū)一礦和三礦突出事故發(fā)生較為集中，其中1966—1989年之間發(fā)生近4 000次突出事故。而突出規(guī)模最大的事故發(fā)生在中部的陽泉三礦，共拋出525 t煤體，而最小的發(fā)生在北部的新元礦，突出大小為4 t。

圖1 陽泉礦區(qū)突出起數(shù)分布[18]

進一步對突出的發(fā)生年份進行對比，將突出事故發(fā)生的地點與突出事故的大小、次數(shù)與突出發(fā)生時間進行關聯(lián)，可以得到圖2和圖3的結果?？梢园l(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)突出發(fā)生在2000年之前。而在大規(guī)模采用瓦斯預抽、保護層開采等防突措施之后，突出事故發(fā)生的頻次得到了較大程度上的遏制。在2000年之后，只有約40起突出事故發(fā)生。而就最大突出量來講，有效的防突措施也使得2000年之后的突出量得到了顯著下降。

圖2 各礦突出起數(shù)對比

圖3 各礦最大突出量對比

綜上所述，若以陽泉礦區(qū)突出事故發(fā)生的頻次及規(guī)模作為參照，以此來定義陽泉礦區(qū)的突出危險性，則可得出各區(qū)域的突出危險性總體排序為：中部區(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域。其中在2000年之后，突出危險性排序變?yōu)椋耗喜繀^(qū)域>中部區(qū)域>北部區(qū)域。應當指出的是，基于突出事故的危險性排序，往往決定于其開采范圍以及開采方法等人為因素，故而存在一定的誤差，但對于宏觀的分布規(guī)律來講，仍有一定的統(tǒng)計意義。在下一節(jié)中，為了更加定量化地描述突出能量的危險性，采用能量指標對突出危險性進行更加精細化的評價。

2 陽泉礦區(qū)瓦斯突出能量分布特征

一般認為，在突出過程中涉及的能量主要有瓦斯膨脹能和煤體的彈性潛能2種，即[19]

W總=W1+W2

(1)

式中W總，W1和W2分別為總的突出能、瓦斯膨脹能和煤體彈性潛能。

2.1 瓦斯膨脹能

因為突出時間極短，常在瞬間發(fā)生，故而瓦斯膨脹過程常被近似為氣體的絕熱膨脹過程，即

(2)

式中P1，V1分別為突出前的瓦斯壓力及瓦斯體積；P2，V2分別為突出后的大氣壓和瓦斯在大氣壓下的體積；γg為甲烷的絕熱系數(shù)，通常取1.3。

根據(jù)上式，可得瓦斯膨脹功為[19]

(3)

2.2 煤體彈性潛能

煤體彈性潛能是由地應力壓縮煤體產(chǎn)生的。鄭哲敏[14]曾給出在地應力作用下突出煤體所含的彈性潛能為

(4)

式中δ為地應力；μ為煤的泊松比；E為煤的彈性模量；Vc為突出煤質量。

將式(3)和(4)代入式(1)便可得到瓦斯突出總能量的突出規(guī)律，即

(5)

2.3 能量分布特征

統(tǒng)計陽泉礦區(qū)2000年后發(fā)生的突出事故，將突出地點埋深、突出煤體質量以及突出瓦斯質量等參數(shù)帶入式(1)～式(5)，則可以得到瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能以及總激發(fā)能3種能量隨埋深的數(shù)學關系，如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)3種能量隨埋深均大致呈線性關系：煤體彈性能與埋深關系為y=0.20x-83，大小范圍在0.09～90.17 MJ；瓦斯膨脹能隨埋深變化關系為：y=9.02x-3 399，大小在14.7～3 638.52 MJ；總激發(fā)能隨埋深變化關系為y=9.22x-3 482，大小在15.03～3 667.81 MJ。因此，礦區(qū)的最小突出能量為15.03 MJ，其對應的其對應的事故為2007年5月21日發(fā)生在溫家莊礦南二正巷的突出事故，始突深度為328 m。

圖4 陽泉礦區(qū)突出能量隨埋深變化

3種關系中，煤體彈性潛能隨埋深的線性關系最好，而瓦斯膨脹能與總激發(fā)能的線性關系較弱。這主要是因為在統(tǒng)計突出瓦斯量時，往往從瓦斯?jié)舛乳_始變化到恢復初始濃度期間的所有瓦斯涌出量作為計算標準。對于沒有對突出煤體實際做功的低速瓦斯也考慮在內，高估了瓦斯的參與做功量，使得瓦斯膨脹能計算離散度過高[3]。

另外，從3種能量的數(shù)量級可以發(fā)現(xiàn)(圖5)，瓦斯膨脹能約比煤體彈性潛能大2個數(shù)量級，且瓦斯膨脹能和突出總激發(fā)能變化規(guī)律及數(shù)量級近似，因此可以推測該區(qū)域的突出事故由瓦斯膨脹能主控。對比瓦斯膨脹能與煤體彈性能之間的比值可以發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的升高2種能量比值會越來越低，表明在深部應力對突出的控制作用越來越強。這是因為煤體由淺部的水平應力主控(σ2和σ3)逐步發(fā)展為深部的三向應力環(huán)境(σ1,σ2和σ3)，地應力顯著增高。

圖5 陽泉礦區(qū)瓦斯膨脹能與煤體彈性能比值隨埋深變化

而在水平方向上，以陽泉礦區(qū)15煤層為例，依據(jù)陽泉礦區(qū)瓦斯含量等值線圖[18]以及瓦斯賦存規(guī)律[20]，并根據(jù)一般垂直地應力隨深度的變化公式[4，21]，即P=2.5 MPa/hm，便可以得到圖6的計算結果。圖中能量等值線密度越大，表示其突出能量變化值越大，突出危險性越大。因此可以發(fā)現(xiàn)，在陽泉礦區(qū)中部區(qū)域，即新景、五礦、以及寺家莊北部地區(qū)，突出危險性明顯增大。而在礦區(qū)南部的等值線密度稍微較北部稍密，說明礦區(qū)南部的突出危險性要稍高于礦區(qū)北部。這與第2小節(jié)中對突出事故的統(tǒng)計結果一致。因此，總體而言，突出危險性為中部>南部>北部。

圖6 陽泉礦區(qū)突出能量分布等值線

3 突出能量差異化分布地質成因分析

礦區(qū)宏觀突出分布特性往往與礦區(qū)的地質構造有關。陽泉礦區(qū)主要受到NNE向復向斜構造的影響，區(qū)域內主要以中生代NE向、EW向褶皺為主，其構造主要是受褶皺擠壓張拉作用。在水平方向上，陽泉礦區(qū)由于受古今多期構造影響，逐漸形成了“中間高、南北低”的應力分布特點。在印支期，其受到近NS向的擠壓應力，在礦區(qū)北部形成了近EW向的褶皺和斷層。在燕山期，其受到NWW—SEE至EW向的擠壓應力，在礦區(qū)大面積形成NNE—NE向的褶皺。在喜馬拉雅期，其又受到NNE—SSW向擠壓，對原有的構造又進行了疊加改造，在陽泉中部礦區(qū)形成了少數(shù)NWW向的褶皺[22]。因此，經(jīng)過三期作用，陽泉中部的構造狀況最為嚴重，南部和北部則次之。這就造成了中部礦區(qū)構造復雜且地應力高，褶曲軸部的壓縮拉伸，煤層頂?shù)装宓幕坪蛿鄬由舷卤P的錯動等地質運動形成大量的構造煤，如圖7所示。構造煤是煤層在構造應力作用下發(fā)生成分及結構變化的產(chǎn)物。由于在成煤過程中成煤條件的差異，使得構造煤自身結構以及外在的力學條件存在較大差異，故而破碎的程度不同。相較于原生結構煤而言，構造煤煤質松軟，滲透性較低，是突出發(fā)生的主要區(qū)域[23-25]。煤礦突出鑒定時，礦區(qū)構造煤的破壞程度是評價該區(qū)域突出危險型大小的重要考量因素。唐軍曾對陽泉礦區(qū)的地應力進行測定，發(fā)現(xiàn)中部礦區(qū)的地應力要顯著高于礦區(qū)南北兩極，這也從側面驗證了中部地區(qū)構造嚴重的特點[18]。而對于南北兩極，由于陽泉礦區(qū)西南部發(fā)育有幾條NE向的大型斷層，使得南部的構造復雜度要大于構造更為簡單的北部區(qū)域[22]，故而南部的突出危險性要大于北部。

圖7 陽泉礦區(qū)構造煤形成的幾種形式

4 結 論

1)陽泉礦區(qū)突出事故統(tǒng)計結果表明：礦區(qū)中部東北區(qū)域突出事故多發(fā)，在一礦和三礦區(qū)域甚至達到了近4 000次突出；區(qū)域突出危險性中部區(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域。

2)陽泉礦區(qū)瓦斯突出能量計算結果表明：瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能以及總激發(fā)能3種能量隨埋深呈線性關系。各突出事故中，煤體彈性能在0.09～90.17 MJ，瓦斯膨脹在14.7～3 638.52 MJ，總激發(fā)能在15.03～3 667.81 MJ。3種能量的數(shù)量級差異表明該區(qū)域的突出事故由瓦斯膨脹能主控。突出能量水平方向上呈中部>南部>北部的分布規(guī)律。

3)陽泉礦區(qū)地質演化史表明：陽泉礦區(qū)受到印支期、燕山期以及喜馬拉雅期多期構造應力影響，構造復雜程度呈現(xiàn)中部>南部>北部的特點，進而使得突出能量分布產(chǎn)生相應變化。