萬(wàn)明亮

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦， 山西 古交 030200）

煤層開(kāi)采期間，因工程誘發(fā)原因可能引起煤與瓦斯突出問(wèn)題，學(xué)者們?cè)谶@一方面也進(jìn)行了大量研究與試驗(yàn)，但是所提出的理論和得到的試驗(yàn)結(jié)論也都基于大量工程假設(shè)，與煤層開(kāi)采實(shí)踐仍存在一定差距。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合瓦斯?jié)B流理論及煤巖體形變實(shí)際，在綜合考慮煤巖介質(zhì)非均勻力學(xué)性質(zhì)和煤巖介質(zhì)變形破裂過(guò)程中透氣性非線(xiàn)性變化的趨勢(shì)特征后，對(duì)可壓縮瓦斯氣體和煤巖體變形作用進(jìn)行耦合處理，對(duì)煤層開(kāi)采引發(fā)含瓦斯煤巖形變、破裂、突出等全過(guò)程進(jìn)行模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果分析了掘進(jìn)煤巷煤與瓦斯突出防治的技術(shù)要點(diǎn)。

1 瓦斯管路巷概況

瓦斯管路巷位于+860 m 水平二采區(qū)，地表標(biāo)高1 190～1 260 m 之間，井下底板標(biāo)高為933～956 m，蓋山厚度為281～337 m，下覆未開(kāi)采8 號(hào)煤層。在該瓦斯管路巷施工過(guò)程中，瓦斯涌出量為2.3 m3/min。就所揭露的巖型來(lái)看，瓦斯管路巷開(kāi)口位置在砂巖中，且?guī)r石基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖層硬度系數(shù)達(dá)到4.0～5.0，所對(duì)應(yīng)采區(qū)內(nèi)的煤層主要表現(xiàn)為單斜構(gòu)造賦存條件，傾角均值在4°～5°之間，整體呈西高東低。出于施工安全及避免誤揭煤等方面的考慮，在瓦斯管路巷施工中必須采用區(qū)域超前鉆探與局部超前鉆探相結(jié)合的方案。

2 煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理

煤與瓦斯突出發(fā)生的必要條件是含瓦斯煤體的物理力學(xué)性質(zhì)受到影響，因其結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量Griffith 缺陷[1]，打破了其有效應(yīng)力的均衡性，引發(fā)煤體局部形變及宏觀(guān)裂隙，煤層也因此失去承載能力。在瓦斯管路巷施工過(guò)程中，在圍壓作用下，含瓦斯煤層破裂的過(guò)程可大致劃分為壓密、線(xiàn)彈性、局部破裂、塑性軟化、殘余應(yīng)力等階段。根據(jù)相關(guān)研究，隨著瓦斯突出壓力的增大，煤體應(yīng)力峰值、切線(xiàn)彈性模量、殘余強(qiáng)度等均呈降低趨勢(shì)。瓦斯管路巷施工必然會(huì)引發(fā)煤層擾動(dòng)及含瓦斯煤層瓦斯的滲流，在煤層所受的應(yīng)力值達(dá)到最大水平前，煤層彈性呈增大趨勢(shì)，并表現(xiàn)出塑性變形，同時(shí)承受應(yīng)力也與極限平衡狀態(tài)無(wú)限接近，進(jìn)而堵塞瓦斯流動(dòng)通道，顯著增大瓦斯內(nèi)能。隨著施工過(guò)程的持續(xù)推進(jìn)，可能會(huì)對(duì)含瓦斯煤層造成穩(wěn)定性破壞，這種破壞根據(jù)內(nèi)部位置所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，具體又分為Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)兩種[2]。其中Ⅰ類(lèi)破壞常出現(xiàn)在煤層受載超出峰值之后，且其變形過(guò)程基本穩(wěn)定，只有待進(jìn)一步加載后才會(huì)轉(zhuǎn)為嚴(yán)重破壞；而Ⅱ類(lèi)破壞變形過(guò)程并不穩(wěn)定，會(huì)引發(fā)煤層應(yīng)力下降以及裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生突出。

3 煤與瓦斯突出防治

3.1 煤與瓦斯突出數(shù)值模型

將該瓦斯管路巷頂板設(shè)置為L(zhǎng)agrangian 單元，通過(guò)SPH 單元進(jìn)行區(qū)域描述，具體如圖1 所示，所設(shè)計(jì)模型的長(zhǎng)×寬×高具體為20 m×15 m×0.3 m。由于瓦斯管路巷煤與瓦斯突出過(guò)程數(shù)值模擬對(duì)頂板和地板計(jì)算精度的要求沒(méi)有煤層單元數(shù)值模擬精度要求高，故此處瓦斯管路巷頂板和地板單元網(wǎng)格的設(shè)置比煤層單元要略粗，共設(shè)置2 762 個(gè)SPH 粒子單元。

圖1 煤與瓦斯突出數(shù)值模型

結(jié)合相關(guān)理論分析，在應(yīng)力波傳輸期間，如遭遇原生邊界、裂紋、弱面及損傷等后，便會(huì)在交界面位置表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中并放大的現(xiàn)象，當(dāng)這種集中或放大的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出煤體強(qiáng)度所能容忍的界限時(shí)，便會(huì)引發(fā)煤體破壞。然而，在具體模擬過(guò)程中，因建模水平及計(jì)算能力等方面的限制，構(gòu)建有限體積數(shù)值模型進(jìn)行實(shí)際瓦斯管路巷模擬分析時(shí)，必須充分考慮上下左右邊界處應(yīng)力波所產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，而本次分析所采取的應(yīng)對(duì)策略主要為在瓦斯管路巷邊界施加LS-DYNA無(wú)反射邊界[3]。在圖1 所構(gòu)建的模型中，通過(guò)海姆假設(shè)計(jì)算其上部邊界所承受的原巖應(yīng)力值，且瓦斯壓力取3.2 MPa。

3.2 煤與瓦斯突出數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)應(yīng)用LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件，可以對(duì)瓦斯管路巷從失穩(wěn)、形變到破裂、突出全過(guò)程進(jìn)行分析。從這一過(guò)程可以得知，瓦斯管路巷施工過(guò)程中煤與瓦斯在極短時(shí)間內(nèi)突出，且高壓瓦斯瞬間發(fā)生劇烈的理化反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)移。初始階段突出時(shí)間約1.23 s，此時(shí)能明顯觀(guān)測(cè)到在瓦斯管路巷施工脈沖動(dòng)荷載影響下，水平向地應(yīng)力及瓦斯壓力突然作用使得斷面瞬間喪失承載力，且地應(yīng)力峰值快速轉(zhuǎn)移至內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)成弧形應(yīng)力帶，并起到內(nèi)部瓦斯外泄的阻擋作用，從而增大了瓦斯壓力。然而，這種暫時(shí)形成的弧形應(yīng)力帶處于單向受力狀態(tài)，不具備較高且較持久的承載力，且會(huì)在內(nèi)部高壓瓦斯裹挾影響下而從巷道空間涌出，形成層狀剝離狀態(tài)。此外，地應(yīng)力峰值也會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)移至巷道內(nèi)部，進(jìn)一步形成全新的弧形應(yīng)力集中帶，以便使煤與瓦斯突出的過(guò)程持續(xù)下去。

在繼續(xù)誘發(fā)煤與瓦斯突出的過(guò)程中，新暴露面持續(xù)擴(kuò)大，在煤層賦存條件不連續(xù)因素的影響下，當(dāng)瓦斯管路巷施工時(shí)遇到一定寬度并具備一定承載力的突出煤壁時(shí)，煤壁抵抗地應(yīng)力壓碎的能力將持續(xù)降低，同時(shí)煤壁還起到支撐上部荷載的作用，從而使巷道內(nèi)高壓瓦斯持續(xù)泄漏，瓦斯壓力梯度呈降低趨勢(shì)，瓦斯裹挾煤粒的能力也不斷下降，煤與瓦斯突出強(qiáng)度持續(xù)降低，最終趨于零。

通過(guò)對(duì)瓦斯管路巷施工過(guò)程中煤與瓦斯突出的分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)突出過(guò)程中，弧形集中應(yīng)力帶始終存在，其誘因主要為上部頂板壓力瞬時(shí)間的作用。該應(yīng)力帶形成后，區(qū)域內(nèi)裂隙均變?yōu)殚]合狀態(tài)，高壓瓦斯也因此被阻擋于煤層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，起到了一定的穩(wěn)定瓦斯壓力的作用。隨著弧形應(yīng)力集中帶的破碎，煤層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的高壓瓦斯會(huì)裹挾破碎煤體瞬間涌出巷道，應(yīng)力集中帶也會(huì)持續(xù)向新暴露出的煤壁方向移動(dòng)，突出過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。

3.3 煤與瓦斯突出防治思路

在瓦斯管路巷施工過(guò)程中，應(yīng)力峰值與煤壁的距離約4.0 m，但煤壁附近煤體較硬時(shí)，在硬煤的支撐下，應(yīng)力峰值會(huì)逐漸向掘進(jìn)面煤壁移動(dòng)，使發(fā)揮有效抵抗作用的煤柱寬度大大減小，瓦斯壓力梯度隨之提升，在施工擾動(dòng)、高壓瓦斯及煤體結(jié)構(gòu)內(nèi)部彈性潛能等的綜合作用下，煤與瓦斯突出現(xiàn)象更容易發(fā)生。根據(jù)以上作用機(jī)理，出于防治角度考慮，應(yīng)保證瓦斯管路巷施工過(guò)程中掘進(jìn)頭前方煤體均質(zhì)化，以克服煤層內(nèi)軟硬分層分布不均、特殊構(gòu)造處地應(yīng)力集中等引發(fā)瓦斯突出現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。

在該瓦斯管路巷施工過(guò)程中，造成煤與瓦斯突出的主要原因在于內(nèi)部高壓瓦斯及對(duì)應(yīng)的壓力梯度，為此應(yīng)采取有效的煤層內(nèi)瓦斯抽采措施。結(jié)合類(lèi)似礦井建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，可以采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)增強(qiáng)煤層透氣性，并進(jìn)行瓦斯抽采，從而減小并消除煤與瓦斯突出發(fā)生的可能。

4 深孔預(yù)裂爆破防治試驗(yàn)

4.1 防治措施

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在該瓦斯管路巷以北+860 m 水平東翼軌道大巷，具體布置情況如圖2 所示。經(jīng)實(shí)地測(cè)量，該軌道大巷所在處的煤層瓦斯壓力達(dá)到1.12 MPa，瓦斯釋放速率為6 mL/s，突出危險(xiǎn)系數(shù)較高，且在瓦斯管路巷施工過(guò)程中，煤壁瓦斯釋放速度快。將1 組鉆場(chǎng)設(shè)置在巷道迎頭，且各個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)均設(shè)置6 個(gè)鉆孔，詳細(xì)鉆孔參數(shù)如表1 所示，1 號(hào)、2 號(hào)鉆場(chǎng)壓茬長(zhǎng)度均應(yīng)控制在5.0 cm 以?xún)?nèi)。煤與瓦斯突出防治過(guò)程中，應(yīng)先進(jìn)行抽采孔施工，結(jié)束后立即將瓦斯抽采系統(tǒng)接入，此后進(jìn)行2 個(gè)爆破孔施工，完成后按設(shè)計(jì)要求裝藥并封孔，藥管采用深空預(yù)裂爆破專(zhuān)用爆破藥管。在爆破開(kāi)挖后，借助在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)瓦斯抽采過(guò)程。

圖2 爆破孔和抽采孔布置情況

表1 深孔預(yù)裂爆破鉆孔參數(shù)

4.2 防治效果

對(duì)防治措施應(yīng)用前后的瓦斯管路巷瓦斯抽采濃度進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，深孔預(yù)裂爆破措施實(shí)施后，所抽采的瓦斯?jié)舛缺缺魄案叱?～6 倍，且預(yù)裂爆破后30 min內(nèi)，抽采的瓦斯純量達(dá)到0.045 m3/min，相比較而言，預(yù)裂爆破前所抽采的瓦斯純量?jī)H有5.0×10-5m3/min，預(yù)裂爆破處理后所抽采的瓦斯純量比處理前多出1 000 倍，在預(yù)裂爆破4 h 后所抽采的瓦斯純量開(kāi)始逐漸降低。該瓦斯管路巷經(jīng)過(guò)24 h 抽采，瓦斯預(yù)采率達(dá)到74.96%，巷道內(nèi)殘余瓦斯壓力降至0.15 MPa，也說(shuō)明了本次所采用的煤與瓦斯突出防治措施的有效性。試驗(yàn)表明，深孔預(yù)裂爆破瓦斯突出防治技術(shù)的應(yīng)用，能顯著提升煤層的均質(zhì)化程度以及瓦斯抽采效率，能快速有效消除煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)因素，保證瓦斯管路巷施工過(guò)程的安全。

5 結(jié)論

深孔預(yù)裂爆破防治措施能夠超前消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)因素，確保瓦斯管路巷施工順利進(jìn)行。為此，通過(guò)分析施工過(guò)程中各階段煤體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性，得到了煤與瓦斯突出過(guò)程中弧形應(yīng)力集中帶變化的趨勢(shì)特征及主要影響。采取煤與瓦斯突出的深孔預(yù)裂爆破防治措施后，煤體均質(zhì)化程度提升，瓦斯壓力及瓦斯壓力梯度得到較大程度地削弱和降低，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性也大大弱化。工程應(yīng)用效果也表明，深孔預(yù)裂爆破防治技術(shù)在瓦斯抽采過(guò)程中應(yīng)用效果十分顯著，可在礦井建設(shè)中推廣應(yīng)用。