劉國磊，王澤東，曲效成，崔 崳，尹永明

(1．山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 礦山安全技術(shù)研究所，北京 100012)

0 引 言

煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱“突出”)是低透氣性突出煤層開采最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。近年來隨著研究的深入[2-4]，突出災(zāi)害防治技術(shù)快速發(fā)展，事故率也呈下降趨勢(shì)，但由于影響因素復(fù)雜，突出機(jī)理未完全揭示，特別是低透氣性煤層，存在抽采效率低、監(jiān)測(cè)手段單一、防治工程量巨大等問題[5]，突出災(zāi)害仍是煤礦企業(yè)面臨的最大安全問題之一[6]。

當(dāng)前普遍認(rèn)為煤與瓦斯突出是在地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用下的結(jié)果[7]。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在突出機(jī)理、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面開展了大量研究工作。王漢鵬等[8]通過模擬不同強(qiáng)度型煤在瞬間揭露試驗(yàn)中的突出表現(xiàn)進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，吸附氣體含量越大，氣體突出時(shí)其膨脹能越大，從而導(dǎo)致突出強(qiáng)度也越大；李冬等[9]利用基于遺傳算法的支持向量機(jī)網(wǎng)絡(luò)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演等計(jì)算方法，綜合瓦斯含量、構(gòu)造煤分布及煤層頂板巖性3個(gè)因素，建立了瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域綜合預(yù)測(cè)方法；許江等[10]利用多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開展了不同應(yīng)力集中系數(shù)條件下的突出物理模擬試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了兩相流沖擊力、突出孔洞內(nèi)氣壓及煤體聲發(fā)射信號(hào)，得到了突出試驗(yàn)中脈動(dòng)式發(fā)展過程特征；彭守建等[11]利用突出模擬試驗(yàn)臺(tái)在不同瓦斯、應(yīng)力、煤體強(qiáng)度條件下進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在突出過程中的瓦斯壓力時(shí)空演化特征與煤體的破壞直接相關(guān)，而煤體的破壞又同時(shí)受到地應(yīng)力和瓦斯的雙重影響；唐巨鵬等[12]利用真3軸突出模擬試驗(yàn)裝置開展突出相似模擬試驗(yàn)，基于聲發(fā)射能量分析進(jìn)行了突出前兆特征研究，表明突出過程經(jīng)歷了孕育前期、孕育后期、激發(fā)-發(fā)展和終止4個(gè)階段；鄭仰峰等[13]基于應(yīng)力轉(zhuǎn)移目的提出了穿層注漿加固與水力沖孔強(qiáng)弱耦合防突方法，并采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法進(jìn)行了防突措施可行性研究。上述研究在突出機(jī)理等問題上進(jìn)行了積極探索，得到了有益成果，但上述研究過程中，一般將煤和瓦斯視為理想狀態(tài)，未充分重視開采活動(dòng)對(duì)突出的影響。雖有部分學(xué)者指出采掘擾動(dòng)對(duì)突出有重要影響，如朱權(quán)潔等[14]研究發(fā)現(xiàn)，采動(dòng)影響造成局部區(qū)域的應(yīng)力遷移向地質(zhì)異常區(qū)域，使這些區(qū)域更容易具備突出或沖擊的條件和可能性；文獻(xiàn)[15-17]也通過試驗(yàn)研究指出，采動(dòng)效應(yīng)是誘導(dǎo)突出的外在動(dòng)力源，是發(fā)生突出的必要條件，但上述研究未充分揭示開采擾動(dòng)的突出影響機(jī)理。

開采擾動(dòng)是誘發(fā)突出的一個(gè)關(guān)鍵因素，提出“突出災(zāi)害中心體”致災(zāi)假設(shè)，并重點(diǎn)分析開采活動(dòng)對(duì)突出的影響關(guān)系，采用理論分析、相似模擬試驗(yàn)與工程試驗(yàn)等方法對(duì)低透氣性煤層回采工作面的突出過程、特征和機(jī)理進(jìn)行研究，以期促進(jìn)煤與瓦斯突出理論、實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)步和發(fā)展，為防治突出災(zāi)害提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 突出災(zāi)害中心體致災(zāi)機(jī)理

1.1 提出假設(shè)

瓦斯在煤體內(nèi)分散分布，局部相對(duì)富集，特別是在低透氣性煤層中局部富集情況更加顯著，為方便研究，將易突出的瓦斯聚集區(qū)具象化為突出災(zāi)害中心體，進(jìn)而提出相應(yīng)突出機(jī)理假設(shè)。低透氣性煤層突出災(zāi)害中心體是在原始地應(yīng)力作用下，吸附瓦斯在節(jié)理、裂隙等非均質(zhì)性的孔洞中由于局部煤體破碎且滲透性升高而大量解吸，與煤粉形成的氣固兩相流體，其具有高瓦斯壓力的特征。

在綜合作用假說等理論基礎(chǔ)上，建立突出災(zāi)害中心體致災(zāi)模型(圖1)，從地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)3方面揭示低透氣性煤層回采工作面突出機(jī)理。

1—超前支承壓力；2—擾動(dòng)應(yīng)力；3—超前支承壓力與擾動(dòng)應(yīng)力疊加；4—突出災(zāi)害中心體；L1—中心體與煤壁間的突出阻礙區(qū)寬度；L2—中心體寬度；L11、L12、L13—根據(jù)突出阻礙區(qū)內(nèi)超前支承壓力分布特征，劃分卸壓阻礙區(qū)L11、峰值應(yīng)力阻礙區(qū)L12和原巖應(yīng)力阻礙區(qū)L13圖1 回采工作面突出災(zāi)害中心體力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of outburst disaster center in working face

1.2 突出災(zāi)害中心體的形成條件

1.2.1 地應(yīng)力

在當(dāng)前采深下，低透氣性煤層內(nèi)瓦斯以吸附態(tài)為主，游離態(tài)瓦斯僅占10%～20%[18]。但瓦斯在節(jié)理、裂隙等孔洞內(nèi)以游離態(tài)賦存，且在一定條件下，吸附瓦斯可解吸為游離瓦斯，瓦斯穿過基質(zhì)和微孔向外擴(kuò)散并通過孔隙滲透過程如圖2所示。

圖2 瓦斯由煤內(nèi)表面解吸穿過微孔、煤基質(zhì)到裂隙過程[14]Fig.2 Process of gas desorption from coal inner surface through micropores, coal matrix and fractures[14]

地應(yīng)力則是中心體形成的主導(dǎo)因素。在地應(yīng)力場(chǎng)的演化過程中，自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力等綜合作用，剪切破壞在煤體內(nèi)廣泛發(fā)生。在局部高地應(yīng)力作用下，突出中心煤體破碎，滲透性增大，吸附瓦斯大量解吸并向破壞區(qū)擴(kuò)散，形成了瓦斯富集區(qū)。這為中心體的形成提供了物質(zhì)和應(yīng)力條件。

1.2.2 煤體滲透性

一方面，煤體越破碎，孔隙率越大，其解吸放散瓦斯初速度增大[19]，裂隙內(nèi)游離瓦斯量越大，中心體越易形成。另一方面，地質(zhì)構(gòu)造在煤層中普遍存在，煤層應(yīng)力環(huán)境受其影響較大，由于煤的割理系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生變化，部分突出煤層通常有著一個(gè)顯著特征是其在原位條件下的低滲透性，低透氣性煤體會(huì)形成對(duì)瓦斯流動(dòng)的天然封堵，這使得局部區(qū)域易出現(xiàn)瓦斯富集，而隨著開采深度的增加，這種現(xiàn)象愈加明顯[20]。

由于低滲透性煤體的阻礙作用，瓦斯不能流出，只能在煤體破壞區(qū)積聚，而在瓦斯壓力作用下，破碎的煤粒間失去機(jī)械聯(lián)系，形成分散相，成為固氣混合相流體，在突出阻礙區(qū)的作用下，該流體內(nèi)能量不易釋放并在該區(qū)不斷累積，從而形成具有高能量的突出災(zāi)害中心體。

1.2.3 開采擾動(dòng)應(yīng)力

當(dāng)煤層開采時(shí)，工作面超前支承壓力與擾動(dòng)應(yīng)力疊加，在面前一定范圍煤層內(nèi)形成高應(yīng)力環(huán)境，這會(huì)誘導(dǎo)煤中瓦斯的解吸行為[21]，促進(jìn)游離瓦斯擴(kuò)散，而因低滲透性煤體的阻礙作用，突出中心體壓力升高，能量進(jìn)一步積累。同時(shí)開采擾動(dòng)產(chǎn)生作用于破壞區(qū)的非周期性循環(huán)擾動(dòng)載荷，煤體進(jìn)而拉伸破壞，并逐步分解為粉粒，這也促進(jìn)了更多中心體的形成或規(guī)模擴(kuò)大。

在開采擾動(dòng)下，動(dòng)靜載疊加影響也使得頂?shù)装甯浇拿簬r產(chǎn)生裂隙，煤層局部透氣性增加，游離瓦斯在破碎區(qū)積累，同樣受煤體阻礙，不易排放到采掘空間而不斷匯集，煤體破碎成煤粒后，在高瓦斯壓力作用下，其處于懸浮狀態(tài)，與瓦斯共同形成固氣混合突出災(zāi)害中心體，其具有對(duì)外的膨脹力。

開采擾動(dòng)改變煤體應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)，造成局部應(yīng)力集中，促進(jìn)中心體孕育和發(fā)展；采動(dòng)應(yīng)力改變煤體內(nèi)部平衡，煤體在采動(dòng)應(yīng)力與地應(yīng)力和中心體綜合作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)整，隨工作面持續(xù)推進(jìn)，突出阻礙區(qū)煤體在多因素綜合作用下承載能力逐漸下降，在某一臨界點(diǎn)煤體失穩(wěn)沖出，中心體發(fā)生突出。因此，采動(dòng)效應(yīng)是中心體突出的外在動(dòng)力源，理清開采擾動(dòng)誘發(fā)中心體突出的作用機(jī)理對(duì)災(zāi)害防治具有重要意義。

1.3 回采工作面煤與瓦斯突出災(zāi)害中心體致災(zāi)機(jī)理

如圖1所示，當(dāng)突出阻礙區(qū)L1很大時(shí)，一般情況下開采擾動(dòng)應(yīng)力還未傳輸至突出危險(xiǎn)區(qū)即已衰減耗盡，因此中心體不受開采擾動(dòng)應(yīng)力的影響。隨工作面推進(jìn)，L1越來越小，當(dāng)擾動(dòng)前移到達(dá)中心體時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)煤體在原巖應(yīng)力和擾動(dòng)應(yīng)力共同作用下逐漸破碎，擴(kuò)容膨脹，對(duì)其周邊產(chǎn)生膨脹力的作用，同時(shí)煤體內(nèi)瓦斯不斷解吸膨脹，由于支承壓力峰值區(qū)內(nèi)煤巖被壓縮，煤層透氣性差，瓦斯不能經(jīng)煤壁流出，高壓瓦斯與破碎煤體形成以固氣混合形式存在的突出災(zāi)害中心體。

工作面前方支承壓力峰值區(qū)煤體受到高集中應(yīng)力作用，而中心體由于似流體的性質(zhì)，其承載能力下降，部分載荷向四周轉(zhuǎn)移，使阻礙區(qū)煤體所受應(yīng)力變大，根據(jù)發(fā)生沖擊地壓強(qiáng)度理論，當(dāng)煤體所受應(yīng)力超過一定程度后將發(fā)生沖擊地壓，發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件是：

σ>σ*

(1)

即煤體所受應(yīng)力σ大于煤體與圍巖系統(tǒng)的綜合強(qiáng)度σ*。其中煤體所受應(yīng)力主要包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、因開采引起的附加應(yīng)力、煤體與圍巖交界處的應(yīng)力和其他條件(如水、溫度等)引起的應(yīng)力。

工作面前方支承壓力峰值區(qū)是煤體易發(fā)生沖擊的壓危險(xiǎn)區(qū)，當(dāng)峰值區(qū)煤體所受應(yīng)力大于煤體與圍巖系統(tǒng)綜合強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生沖擊地壓，阻礙區(qū)L1減小，即突出阻力減小。同時(shí)，煤體沖擊釋放的能量部分傳輸至中心體內(nèi)，使其膨脹能增大，當(dāng)膨脹能大于阻礙區(qū)阻力時(shí)，中心體發(fā)生突出。

突出發(fā)動(dòng)的必要條件之一是突出中心形成以固氣混合相流體形式存在的“突出災(zāi)害中心體”；另一不可缺少的條件是開采擾動(dòng)。中心體是地應(yīng)力、煤與瓦斯綜合作用而自然形成，在低透氣性煤層中客觀性存在的，其賦存于多個(gè)位置，開采活動(dòng)導(dǎo)致煤層應(yīng)力環(huán)境和瓦斯?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，引起部分中心體自身能量和周圍環(huán)境改變，進(jìn)而誘發(fā)突出。

2 相似模擬試驗(yàn)

以陽泉礦區(qū)新景煤礦8號(hào)煤回采工作面為背景，建立開采過程中的物理相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究采?dòng)過程中煤巖體應(yīng)力場(chǎng)與中心體壓力演變規(guī)律及突出機(jī)理。

2.1 相似模擬方案

2.1.1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示，模型規(guī)格為2.5 m×0.2 m×1.4 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型架有足夠大的剛度。模型兩端及底部均固定，在其上邊界安設(shè)加載油缸，施加應(yīng)力以模擬地應(yīng)力條件。

圖3 煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of coal and gas outburst simulation test system

在相似模擬試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，煤層中安設(shè)定制的人工仿制突出中心體(定制膠囊、瓦斯和煤粉)，并通過氣管與氣壓計(jì)連通。通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部油缸載荷模擬采場(chǎng)地應(yīng)力變化，通過開挖煤層模擬采動(dòng)影響，形成地應(yīng)力和瓦斯壓力可控的煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過調(diào)整地應(yīng)力和煤層開挖可以誘發(fā)中心體突出。

在該試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用YJZ-16型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀及DYB-1系列土式傳感器觀測(cè)上覆巖層應(yīng)力；采用YHD-30，YHD-50電阻式位移計(jì)觀測(cè)位移場(chǎng)；電子氣壓計(jì)測(cè)量突出中心體氣壓。

2.1.2 模擬參數(shù)的確定

相似模擬試驗(yàn)主要考慮以下參數(shù)：煤層厚度M，巖層厚度H，抗壓強(qiáng)度σc，抗拉強(qiáng)度σt，容重γ，彈性模量E，時(shí)間t，泊松比μ等，方程為

F(H，M，σc，σt，γ，E，μ，t)=0

(2)

故要使模型與原型相似，則需滿足下列方程：

(3)

式中:下標(biāo)m為模型的相應(yīng)參數(shù);下標(biāo)p為原型的相應(yīng)參數(shù)。

1)相似材料的選取，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及本試驗(yàn)所模擬的巖層性質(zhì)，確定以細(xì)河砂為骨料，以水泥和石膏為膠結(jié)材料，用四硼酸鈉(硼砂)作為緩凝劑，見表1。煤層采用煤粉與水混合攪拌壓制而成。

2)相似參數(shù)的確定，根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件及選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮，確定相似系數(shù)：長(zhǎng)度相似系數(shù)為0.01；時(shí)間相似系數(shù)為0.1；容重相似系數(shù)為0.6；強(qiáng)度比為0.006；外力比為6×107；彈性模量比為0.006；泊松比為1。初始條件及邊界條件相似，可以近似認(rèn)為是均質(zhì)重力場(chǎng)，所以初始應(yīng)力場(chǎng)是相似的。

3)相似材料配比及用量，計(jì)算得到模型各分層的各種材料用量見表1。

表1 模型相似材料配比

2.1.3 模擬試驗(yàn)過程

試驗(yàn)系統(tǒng)搭建完畢后，油缸加載模擬上覆巖層自重，在距開切眼140 cm的位置埋設(shè)用定制膠囊、瓦斯和煤粉模擬的突出中心體，即推采140 m時(shí)揭露該中心體，其由高壓氣泵充氣加壓，模型內(nèi)布設(shè)應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，中心體氣壓由電子氣壓計(jì)測(cè)量。

如圖4所示，模型每步模擬開挖15 m，隨工作面推進(jìn)，上覆巖層逐步垮落，同時(shí)也出現(xiàn)縱向和橫向裂隙，且裂隙隨工作面推進(jìn)越來越大，并出現(xiàn)明顯的離層；隨著推進(jìn)繼續(xù)深入，出現(xiàn)多次周期來壓，裂隙繼續(xù)向上發(fā)展，上部巖層之間出現(xiàn)明顯裂隙，裂隙的影響范圍也不斷擴(kuò)大，當(dāng)工作面推進(jìn)到150 m時(shí)，其中離層裂隙發(fā)育明顯；工作面推進(jìn)到160 m，頂板出現(xiàn)明顯下沉的范圍為62 m，卸壓角為63°。工作面推采130 m時(shí)臨近中心體，140 m位置推過中心體，此時(shí)后方采空區(qū)頂板出現(xiàn)明顯裂隙，后期工作面推采基本頂垮落程度大且出現(xiàn)明顯回轉(zhuǎn)，作用于采煤工作面。

圖4 工作面開采模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Simulation test results of working face mining

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)覆巖應(yīng)力分布特征，分別在頂板距離煤層0、10、20、30 m位置布置應(yīng)力測(cè)線，讀取數(shù)據(jù)并處理后得到工作面推進(jìn)15、25、90 m時(shí)的水平剖面覆巖垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 水平剖面覆巖垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of overburden in horizontal section

由應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，初采期間圍巖未發(fā)生大規(guī)模變形和破壞，受覆巖結(jié)構(gòu)影響，應(yīng)力向煤壁深部轉(zhuǎn)移，擾動(dòng)影響范圍大，且根據(jù)不同層位頂板應(yīng)力分布可知，煤層支承應(yīng)力升高明顯，因此，開采低透氣性突出煤層時(shí)，若開切眼鄰近區(qū)域存在斷層等易形成突出中心體的地質(zhì)構(gòu)造，工作面初采期間的突出危險(xiǎn)性增大。

隨開采規(guī)模擴(kuò)大，頂板垮落規(guī)模擴(kuò)大且充分，無明顯強(qiáng)動(dòng)載影響，相比初采期間，影響范圍減小，但煤壁前方應(yīng)力峰值升高，約為初采期間的2倍，且頂板各巖層支承應(yīng)力升高明顯，高靜載對(duì)煤體和中心體產(chǎn)生強(qiáng)烈壓縮作用，此時(shí)煤體破碎，中心體壓力升高，達(dá)到了突出的臨界狀態(tài)，開采擾動(dòng)可能會(huì)誘發(fā)中心體突出。

此外，工作面超前影響50～60 m，面前約20 m應(yīng)力升高明顯，應(yīng)力峰值約在10 m位置，說明在煤壁推采距離中心體60～20 m時(shí)中心體逐漸孕育和發(fā)展，其瓦斯壓力和濃度不斷升高，在20～10 m時(shí)中心體突出風(fēng)險(xiǎn)急劇升高，該范圍即宏觀的中心體突出臨界區(qū)域，是重點(diǎn)防治時(shí)期和位置。

2)瓦斯包(突出中心體)內(nèi)氣體壓力變化，圖6為距開切眼140 m處瓦斯包氣體壓力增量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系曲線。工作面推進(jìn)0～86 m時(shí)中心體測(cè)點(diǎn)應(yīng)力無明顯變化；在工作面推采過86 m位置時(shí)中心體測(cè)點(diǎn)壓力開始升高，說明此時(shí)工作面采動(dòng)對(duì)中心體產(chǎn)生影響，范圍是54 m；工作面推進(jìn)至126 m位置時(shí)中心體應(yīng)力變化率明顯增大，推進(jìn)至130 m位置時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值，此時(shí)工作面距中心體10 m，這與超前應(yīng)力峰值監(jiān)測(cè)情況相印證；期間測(cè)點(diǎn)壓力增量隨推進(jìn)距離增加呈線性增長(zhǎng)，經(jīng)回歸分析得到中心體壓力升高值P與推進(jìn)距離X的關(guān)系為

P=0.884 353X-70.701 8，R2=0.996

(4)

隨工作面推進(jìn)過130 m位置，中心體瓦斯包爆裂，中心體壓力迅速降低。

模擬試驗(yàn)中，超前應(yīng)力影響范圍隨工作面推采持續(xù)向中心體推移，中心體壓力逐漸升高，同時(shí)起約束作用的煤體寬度L1逐漸減小，當(dāng)其減至10 m時(shí)，原巖應(yīng)力阻礙區(qū)L13為0，卸壓阻礙區(qū)L11和峰值應(yīng)力阻礙區(qū)L12受超前支承應(yīng)力與中心體施加應(yīng)力疊加影響，煤體內(nèi)形成應(yīng)力集中并發(fā)生失穩(wěn)破壞，同時(shí)中心體能量瞬時(shí)釋放，誘發(fā)中心體突出。

圖6 瓦斯包氣體壓力變化曲線Fig.6 Gas pressure variation curve of gas package

根據(jù)試驗(yàn)條件可知，當(dāng)L13=0時(shí)：

P=53.107 62-0.884 353(L11+L12)

(5)

綜合上式分析可知，工作面推采鄰近中心體時(shí)，卸壓阻礙區(qū)L11和峰值應(yīng)力阻礙區(qū)L12寬度總和與中心體壓力值呈反比關(guān)系，當(dāng)前者減小到臨界值時(shí)承載能力也達(dá)到極限，而中心體壓力也升高至臨界值，當(dāng)開采擾動(dòng)破壞了這一平衡，此時(shí)中心體發(fā)生突出，中心體突出的臨界位置位于應(yīng)力峰值附近。

3 工程實(shí)踐

在陽泉礦區(qū)寺家莊礦15112回采工作面進(jìn)行基于K1值的驗(yàn)證性試驗(yàn)，在選定的開采時(shí)段內(nèi)，采用微震、應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析回采工作面頂板運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力變化情況，結(jié)合K1值變化情況，從現(xiàn)場(chǎng)開采實(shí)踐驗(yàn)證突出災(zāi)害中心體作用機(jī)理。

3.1 工程概況

陽泉礦區(qū)是全國瓦斯涌出量最大、自然災(zāi)害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一，選擇試驗(yàn)地點(diǎn)為該區(qū)寺家莊礦的15112回采工作面。

15112工作面走向長(zhǎng)度1 639 m，傾斜長(zhǎng)度200 m，煤厚3.0～6.6 m，平均5.63 m。煤層基本頂為細(xì)砂巖，厚8.5 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚4.3 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚3.0 m；基本底為砂質(zhì)泥巖，厚7.4 m。該工作面構(gòu)造發(fā)育，依據(jù)突出中心體自然存在于節(jié)理、裂隙等孔洞區(qū)域的特征，試驗(yàn)以工作面內(nèi)距開切眼約1 100 m和1 400 m的地質(zhì)構(gòu)造位置為中心體普遍賦存的區(qū)域。在工作面開采過程中布置高頻KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ550應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置：工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷內(nèi)共24個(gè)微震測(cè)點(diǎn)，兩巷各12個(gè)，其中WZi為探頭編號(hào)，WZ1、WZ2測(cè)點(diǎn)距離開切眼100 m(位于回采進(jìn)度牌50號(hào)處)，其他測(cè)點(diǎn)由工作面向外每間隔50 m依次布置WZ3—WZ24號(hào)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 15112工作面微震測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.7 Layout diagram of microseismic monitoring points in No.15112 working face

KJ550應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置：測(cè)點(diǎn)布置在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，共20組測(cè)點(diǎn)，組間距20 m，每組布置2個(gè)應(yīng)力傳感器，深度分別為10、20 m，傳感器間距1 m，如圖8所示，其中YLi為測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

圖8 15112工作面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.8 Schematic diagram of stress measuring point arrangement in No.15112 working face

整個(gè)試驗(yàn)期間工作面推采450 m，共采集到有效事件168個(gè)，大部分為小能量事件，有7次超過1 000 J，事件在假定的兩處中心體發(fā)育區(qū)內(nèi)集中分布，如圖9、圖10所示。

圖9 微震事件分布示意Fig.9 Microseismic event distribution diagram

圖10 微震事件分布剖面Fig.10 Profile of microseismic event distribution

從圖9、圖10可以看出事件集中區(qū)分布于開切眼前方1 000～1 250 m及1 350～1 450 m的區(qū)域。其中，前方1 000～1 250 m工作面位于地質(zhì)異常區(qū)內(nèi)，有多條斷層發(fā)育；開切眼前方1 350～1 450 m的區(qū)域內(nèi)微震事件主要分布于斷層附近。上述區(qū)域節(jié)理、裂隙發(fā)育，普遍存在突出中心體。同樣，在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，以上區(qū)域應(yīng)力測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力升高，開切眼前方1 140 m和1 440 m位置的應(yīng)力值最高達(dá)到14 MPa，增幅75%。以上監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，在假設(shè)的突出中心體發(fā)育區(qū)域應(yīng)力分布出現(xiàn)異常，在回采過程中該區(qū)煤體受到了高動(dòng)靜載疊加影響。

3.2 監(jiān)測(cè)分析

15112工作面在推進(jìn)過程中每天通過煤壁鉆孔獲取煤體瓦斯壓力、鉆孔瓦斯?jié)舛燃般@屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的參數(shù)，所得瓦斯含量、壓力及K1值隨工作面推進(jìn)的關(guān)系如圖11—圖14所示。

圖11 鉆孔瓦斯含量隨推進(jìn)距離變化Fig.11 Variation of gas content in borehole with advancing distance

圖12 鉆孔瓦斯壓力隨推進(jìn)距離變化Fig.12 Variation of borehole gas pressure with advancing distance

圖13 K1值隨推進(jìn)距離變化Fig.13 K1 value changing with advancing distance

瓦斯壓力、瓦斯?jié)舛群蚄1值隨工作面推進(jìn)不斷變化，其中瓦斯含量為6.25～7.89 m3/t，瓦斯壓力為0.121～0.169 MPa，K1值為0.13～0.68，以上指標(biāo)均在1 100 m及1 400 m前后出現(xiàn)峰值；根據(jù)假定的中心體位置K1值與推采距離的關(guān)系可以看出，隨工作面推進(jìn)，中心體受開采擾動(dòng)影響，K1值明顯上升，隨后突降，表明中心體能量發(fā)生突變，并引起周邊瓦斯和應(yīng)力環(huán)境變化，此時(shí)工作面的突出危險(xiǎn)較大。

圖14 中心體位置K1值隨推進(jìn)距離變化Fig.14 K1 value of center position with advancing distance

3.3 支承壓力與瓦斯涌出關(guān)系

對(duì)比微震事件、應(yīng)力監(jiān)測(cè)值、瓦斯壓力、瓦斯?jié)舛群蚄1值的變化，應(yīng)力和瓦斯監(jiān)測(cè)參數(shù)出現(xiàn)峰值的位置位于前述開切眼前方1 000～1 250 m及1 350～1 450 m假定的中心體位置。中心體瓦斯參數(shù)突變與監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力升高異?；疚呛?，工作面推采引起支承壓力升高，開采活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域附近中心體發(fā)生了變化，瓦斯和煤的賦存狀態(tài)發(fā)生改變，中心體能量發(fā)生突變，兩相流壓力向周圍環(huán)境中釋放，使得K1值升高，此時(shí)工作面前方煤體處于高突出風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)采取治理措施。

通過在寺家莊礦15112工作面的實(shí)踐，驗(yàn)證了開采活動(dòng)、突出災(zāi)害中心體和突出3者之間的聯(lián)系，從突出災(zāi)害中心體和開采活動(dòng)的角度揭示了突出災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理，并且建立了微震、應(yīng)力與突出危險(xiǎn)(K1值)間的關(guān)系，可有效彌補(bǔ)K1值無法連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的不足，為進(jìn)一步提高突出監(jiān)測(cè)和防治的針對(duì)性和有效性提供了方向。

4 結(jié) 論

1)在原始地應(yīng)力作用下，吸附瓦斯在節(jié)理、裂隙等非均質(zhì)性的孔洞中由于局部煤體破碎且滲透性升高而大量解吸，與煤粉混合成具有高能量的氣固兩相流體，形成突出災(zāi)害中心體。

2)突出發(fā)動(dòng)的必要條件之一是突出中心形成以固氣混合相流體形式存在的“突出災(zāi)害中心體”；另一不可缺少的條件是開采擾動(dòng)。突出災(zāi)害中心體是地應(yīng)力、煤與瓦斯綜合作用而自然形成，在低透氣性煤層中客觀性存在的，其賦存于多個(gè)位置，開采活動(dòng)導(dǎo)致煤層應(yīng)力環(huán)境和瓦斯?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，引起部分中心體自身能量和周圍環(huán)境改變，進(jìn)而誘發(fā)突出。

3)工作面前方支承壓力峰值區(qū)是煤體易發(fā)生沖擊的危險(xiǎn)區(qū)，當(dāng)峰值區(qū)煤體所受應(yīng)力大于煤體與圍巖系統(tǒng)綜合強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生沖擊，突出阻力減?。煌怀鲋行捏w膨脹能增大，當(dāng)其大于阻礙區(qū)阻力時(shí)，中心體發(fā)生突出。初始突出阻礙區(qū)寬度L1和突出危險(xiǎn)區(qū)寬度L2均為固定數(shù)值。突出災(zāi)害體形成過程中，災(zāi)害體內(nèi)應(yīng)力均化，承載能力下降，煤體將承受更高支承壓力的作用，發(fā)生突出的危險(xiǎn)性增大，特別是當(dāng)災(zāi)害體再受到工作面超前支承壓力影響時(shí)，突出危險(xiǎn)性更大。

4)通過相似模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了突出災(zāi)害中心體致災(zāi)的假設(shè)，開采活動(dòng)引起中心體應(yīng)力升高，固氣混合相膨脹力增大，中心體位于超前應(yīng)力峰值位置時(shí)突出危險(xiǎn)較大。

5)通過工程實(shí)踐，驗(yàn)證了開采活動(dòng)、突出災(zāi)害中心體和突出3者之間的聯(lián)系，從突出災(zāi)害中心體和開采擾動(dòng)的角度揭示了突出災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理，并且建立了微震、應(yīng)力與突出危險(xiǎn)(K1值)間的關(guān)系，可有效彌補(bǔ)K1值無法連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的不足，為進(jìn)一步提高突出監(jiān)測(cè)和防治的針對(duì)性和有效性提供了方向。

當(dāng)前煤與瓦斯突出機(jī)理尚未完全揭示，暫無統(tǒng)一定論，以當(dāng)前被普遍認(rèn)可的理論為基礎(chǔ)開展突出機(jī)理的探索性研究，仍具有一定的局限性。同時(shí)，微震與突出危險(xiǎn)具有較好關(guān)聯(lián)性，但當(dāng)前其量化關(guān)聯(lián)關(guān)系及預(yù)警指標(biāo)尚不確定，是突出危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向和重點(diǎn)研究方向。