疊加采掘集中應力對煤與瓦斯突出的影響

張明杰

(鶴壁煤業集團公司通風部,河南鶴壁458010)

摘　要:總結了鶴壁十礦疊加采掘集中應力影響下發生的3次煤與瓦斯突出特點,通過與其它多次突出的對比分析,指出了疊加集中應力對煤與瓦斯突出的影響:在疊加集中應力影響下煤與瓦斯突出的危險性、突出規模、突出頻度存在顯著增加趨勢。同時提出了在疊加采掘集中應力影響下進行采掘活動需采取的防治煤與瓦斯突出措施。

關鍵詞:煤與瓦斯突出;疊加采掘集中應力;突出原因;防治措施

中圖分類號:TD713　　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)05-0044-04

　　鶴壁礦區西依太行山新華夏系隆起帶,東鄰華北平原新華夏系沉降帶。礦區整體為一單斜構造,區內次一級構造復雜,以斷層、褶曲為主。十礦位于礦區最南端,單水平上、下山開拓方式。井田內唯一開采煤層為二1煤層,煤厚1.86~10.06 m,平均厚7.14 m,變異系數0.20,中下部含穩定夾矸一層,平均厚度0.32 m。煤層的直接頂板一般為深灰色砂質泥巖,厚0~19.7 m,平均厚度5.69 m。局部地區老頂直接壓煤。直接底板為深灰色—黑色砂質泥巖和泥巖,一般厚0.7~17 m,平均厚度4.33 m。煤層走向大致近南北,傾向東,煤層傾角變化范圍20°~45°,一般為32°左右。井田內有褶曲4個,斷層(斷距≥10 m)有24條,均為正斷層。

十礦井田內煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯及構造煤共同作用的結果,受地質構造控制,主要通過構造煤的發育程度及分布范圍表現出來。井田內斷層相互切割穿插較多,井田內構造煤發育非常明顯普遍,以層間滑動和斷層滑動2種方式出現。采用四類構造煤分類法,在斷層附近及向、背斜軸部整個煤層都是Ⅲ、Ⅳ煤構造煤且發育范圍較大。Ⅰ類(非構造煤)至Ⅳ類煤的堅固性系數f為0.44~0.15。井田內最大瓦斯壓力2.0 MPa,瓦斯含量約15 m3/t,瓦斯放散初速度最大值26。迄今為止,十礦共發生8次突出,以典型突出為主要方式。最大突出煤量264 t,最大突出瓦斯量11 900 m3,見表1。

1　疊加采掘集中應力影響下突出基本情況

十礦發生的8次突出中有3次是在疊加采掘集中應力影響下發生的,基本情況如下。

1.1　1113工作面補掘下順槽突出情況

1113工作面埋深-575~-505 m,走向長230m,傾斜長115 m。根據礦井突出危險性區域劃分,

屬突出危險區。在工作面中部發育斜交正斷層F1113-2,斷層最大落差6 m,在工作面終采線落差約4.5 m。工作面推進130 m后受斷層影響,回采困難,利用沿空留上風巷的方法采完了斷層下降盤、走向長約100 m的長條工作面。為回采工作面上部,斷層上升盤的煤炭,決定沿斷層補掘下順槽,見圖

1。巷道斷面為梯形,“礦工”鋼支護。位于下降盤內的巷道沿煤層頂板,過斷層后進入煤層底板,轉向掘進改造下順槽。巷道坡度約28°。防突措施采用超前排放鉆孔,防突措施效果檢驗采用q及△h2。

當巷道已掘進29 m,進入斷層上升盤,沿煤層底板,準備轉向掘進改造下順槽時,測定效果檢驗參數q及△h2均不超標,施工人員開始架棚。在架棚過程中出現煤炮頻繁,瓦斯忽大忽小的突出預兆。

施工人員及時撤出后,發生了突出事故,改造下順槽被迫停止施工。

圖1　十礦1113工作面補掘下順槽示意圖

1.2　-575 m主巷突出情況

　　-575 m主巷是十礦水平大巷的一部分。根據設計,主巷南段在煤層底板,北段在煤層頂板,需揭煤才能貫通。為提前貫通,十礦采取了南北對掘施工。南段掘進到與煤層垂直距離5 m后停掘,等待北段揭煤貫通。北段嚴格采取揭煤措施,安全揭開煤層。在掘進到與南段相距15 m時,北段除下幫頂部還余高0.2 m,寬0.4 m,面積不到0.05 m2的三角煤外,已基本掘過煤層。施工人員按規定放炮,炮后約5 min,發生了突出事故。

1.3　1107工作面突出情況

十礦1107工作面埋深-381~-320 m,走向長340 m,傾斜長130 m。根據礦井突出危險性區域劃分,屬突出威脅區。在工作面北部發育兩條斜交正斷層F107-1、DF9。F107-1斷層最大落差5 m,在工作面內部。DF9斷層最大落差16 m,在工作面北部為尖滅帶。工作面推進240 m后遇F107-1斷層影響,回采困難。利用沿空留上風巷的方法,沿斷層帶向前推進40 m。為回采剩余的走向長60 m的下部工作面,決定從外切眼開口,沿斷層補掘上順槽,見圖2。

圖2十礦1107工作面補掘上順槽示意圖

巷道斷面為梯形,“礦工”鋼支護。沿煤層底板掘進。巷道坡度約8°~10°。防突措施采用超前排放鉆孔,防突措施效果檢驗采用q及△h2。因在斷層帶附近掘進,為有效防止突出,采用超前排放鉆孔,防突措施效果檢驗采用q及△h2。

　　當巷道已掘進32 m,距采面切眼64 m,剩余超前排放鉆孔5 m時,測定措施效果檢驗參數q及△h2后,兩者均不超標,施工人員開始施工超前排放鉆孔。在打鉆過程中出現煤炮頻繁、頂煤掉渣的突出預兆。施工人員及時撤出后,發生了煤與瓦斯突出事故。事故后到現場觀察,突出煤量是從棚梁上部壓出。

2　疊加采掘集中應力對突出的影響

2.1　疊加采掘集中應力影響下煤與瓦斯突出特點煤與瓦斯突出的本質是煤體變形潛能和瓦斯內能的突然釋放。激發、發動突出的因素不同,突出的特點也存在相應差別。因此,需對疊加采掘集中應力影響下3次煤與瓦斯突出的特點認真分析,為防治疊加集中應力影響突出提供依據。

(1)增加了突出危險性。根據礦井突出危險性區域劃分,1107工作面屬突出威脅區。這一結論在采準巷道的掘進過程中得到驗證。在該面上、下順槽、切眼、外切眼共1 200 m掘進過程中,只在構造帶、部分產狀變化較大的上山掘進出現過突出預測(效檢)參數超限,采取防突措施后即可消除突出危險性。整個掘進過程中沒發生過一次突出事故,沒有明顯的突出預兆。但是,在補掘上順槽時,只掘進了32 m,除發生了突出事故外,還出現了一次q嚴重超限,達6.8 L/m3(臨界值為4.0 L/m3)。說明回采工作面超前集中應力與掘進工作面的集中應力疊加,增加了突出危險性。

(2)提高了突出級別。根據十礦突出情況統計,前5次突出沒有受到疊加采掘集中應力影響,突出煤量2.5~57 t,平均為25.5 t,屬小型突出。而2次(第六次、第七次)受疊加采掘集中應力影響的突出,突出煤量分別為264 t、245 t,屬次大型突出,分別是前5次平均突出煤量的10.3倍、9.6倍,最大突出煤量的4.6倍,4.3倍。突出級別提高了兩級。

值得注意的是,與1113工作面補掘下順槽突出地點相距只有22 m的一次突出,屬原始煤體煤巷掘進過程中突出,煤量只有21 t,兩者相差達12倍。

(3)改變了突出因素作用方式。在鶴壁礦區,包括十礦,正常采掘集中應力影響下的突出,尤其是典型突出,沒有一種因素占主導地位。這一點從突出瓦斯量與突出煤量的比值(以下稱噸煤突出瓦斯量),與噸煤瓦斯含量的比值可以證明。典型的突出,噸煤突出瓦斯量都達到噸煤瓦斯含量5倍以上,高的可達20倍。這時的瓦斯明顯地發揮著協助地應力破壞煤體、搬運破碎的煤體作用。但是,兩次(第六次、第七次)受疊加采掘集中應力影響的突出,噸煤突出瓦斯量與噸煤瓦斯含量的比分別為2.2、3.2,與壓出相當,說明瓦斯只發揮搬運破碎的煤體作用。

(4)改變了效檢指標的測定結果。目前使用的預測或措施效果檢驗參數q及△h2通常適合原始煤體的突出危險性預測。從現場實際情況分析,受疊加采掘集中應力影響,煤體集中應力分布狀態相應改變,卸壓帶內煤體已發生擴容變形。吸附瓦斯已部分解吸成游離瓦斯,在采掘工作面達到之前已有部分涌出。測定參數q及△h2時,測定的都不是原始情況,而是偏低的值。三次受疊加采掘集中應力影響的突出都是在參數不超限的情況下發生的。

因此,疊加采掘集中應力改變了效檢指標的測定結果。參數q及△h2在疊加采掘集中應力影響下是否適應,如果適應臨界值如何確定,還需要進一步研究。

2.2　疊加采掘集中應力對突出因素的影響分析

采掘活動破壞了煤體的三維應力狀態,轉化為二維狀態。由此產生的采掘支承壓力引起煤體變形,產生潛能。煤體變形潛能、游離瓦斯內能、頂底板的變形能成為煤與瓦斯突出的動力;煤體與煤層頂底板的摩擦力、煤體內部分層間粘結力、煤體強度成為突出的阻力。當突出的總動力小于總阻力時,煤體處于穩定狀態;當二者基本相等時煤體處于脆弱的平衡狀態。若總動力繼續增加,就可打破平衡,激發突出。下面重點分析疊加采掘集中應力對煤體變形潛能、瓦斯內能的影響,以及由此誘發的煤與瓦斯突出。

2.2.1　對煤體變形潛能的影響

處于單向應力壓縮狀態下的煤體,彈性變形潛能可簡單表示為:

W=K2σ2/2E

式中　W———煤體的彈性變形潛能,MJ/m3;

　K———應力集中系數;

　σ———煤體承受的壓應力;

　E———煤體的彈性模量。

在具體的采掘地區,只有應力集中系數是影響煤體彈性變形潛能的變量。采掘活動時將形成應力集中,正常為原始應力狀態的2~3倍;而疊加采掘集中應力又在正常集中應力的基礎上繼續增加,可達原始應力狀態的4~6倍。因此,受疊加采掘集中應力影響,煤體的彈性變形潛能是正常變形潛能的4倍,原巖應力狀態下16倍。

回采工作面的超前集中應力可傳遞到工作面前方100 m甚至更遠,而受集中應力影響嚴重的一般只在工作面前方約40 m的范圍內。1113工作面補掘下順槽突出地點與前一次突出地點相距22 m,與采面相距35 m,兩者都是造成疊加采掘集中應力的因素。

-575 m主巷是南段掘進到與煤層垂直距離5m后停掘時,已在掘進工作面周圍形成應力集中帶,一般為巷道輪廓半徑的5倍,這里約為10 m。北段掘進到與南段相距15 m時,又在工作面周圍形成半徑約為10 m應力集中帶。兩者相互疊加。此外,由于巷道基本都是巖石,而頂部以上是煤,裝藥量較大,崩落頂煤后空頂造成集中應力進一步疊加。

2.2.2　對瓦斯內能的影響

研究表明,瓦斯在參與突出的全過程中接近于絕熱狀態,可用下式近似表示瓦斯內能。

Wg=0.4V1(1.585p0.2-1)

式中　Wg———煤體中參與突出的瓦斯內能,MJ/m3;

　V1———煤體中參與突出做功的瓦斯涌出量,2.4 m3/t;

　p———突出前煤層瓦斯壓力,MPa。

瓦斯含量決定瓦斯涌出量,瓦斯含量與瓦斯壓力的變化都將引起瓦斯內能的變化,而瓦斯含量與瓦斯壓力是對數正比關系。因此,瓦斯內能的變化以參與突出做功的瓦斯涌出量為主,煤層瓦斯壓力影響較小。

在疊加采掘集中應力影響下,煤體集中應力分布狀態相應改變,卸壓帶內煤體已發生擴容變形,吸附瓦斯解吸已部分解吸成游離瓦斯,在采掘工作面達到之前已有部分涌出,降低了煤層瓦斯壓力,同時降低了煤體中參與突出的瓦斯內能。根據噸煤突出瓦斯量與噸煤瓦斯含量的比值約為典型突出的一半,可以大致認為煤體中參與突出的瓦斯內能也減少了一半。

2.2.3　對瓦斯突出的綜合影響

綜上所述,受疊加采掘集中應力影響,煤體的彈性變形潛能將是正常變形潛能的4倍,煤體中參與突出的瓦斯內能約減少了一半,是一增一減的關系。

研究表明,鶴壁礦區煤與瓦斯突出過程中煤體的彈性變形潛能約為釋放的瓦斯內能的6~7倍。因此,受疊加采掘集中應力影響,煤體的彈性變形潛能的增加量遠大于煤體中參與突出的瓦斯內能減少量,使突出的總動力迅速增加,遠大于總阻力,快速破碎煤體,激發突出,造成突出級由小型上升到次大型。

1107工作面突出的突出煤量不大,原因在于補掘上順槽剛進入采面的應力集中影響區,還沒有進入嚴重應力集中區。認識到突出嚴重性后,礦方及時停止了改造上順槽的掘進。如果繼續掘進,突出的次數,突出的級別都將上升。此類案例在國內已多次報導。

需要說明,2004年1月十礦在補掘1113上順槽過程中沒有發生突出。補掘上順槽長約50 m,目的是避開F1113-2斷層影響,見圖1。分析其原因,有以下四方面:一是此段巷道為下山掘進,坡度約26°,煤體的自重成為突出阻力;二是掘進工作面存在較多的頂板水聚集,濕潤了煤體,增加了煤體的粘性和塑性,增加了突出阻力;三是因巷道較短,掘進前已有20個鉆孔與采面煤墻打透,使煤體進一步釋放,進一步失去了搬運煤體的能;四是只在巷道開口處于斷層帶,向下掘進離斷層越來越遠。

3　防止疊加采掘集中應力影響突出的措施根據上述分析結果,防止疊加采掘集中應力影響突出需采取以下措施:

(1)盡可能避免疊加采掘集中應力影響下的采掘活動。如果采面必需改造,應在采面超前集中應力影響到之前改造完畢。否則,應調整采掘計劃,等到采掘集中應力穩定后再進行改造。

(2)對于工作量小的改造巷道,制定有針對性的綜合防突措施,努力增加突出的阻力,減少突出的動力,有效地防治突出。

(3)改造巷道應避開構造帶,目的是避開構造軟煤和殘余構造應力。

(4)需要相向掘進貫通的巖巷,需提前有計劃地停止一個掘進工作面,使兩個掘進工作面的疊加集中應力避開煤巷段。

參考文獻:

〔1〕　焦作工學院瓦斯地質研究室.瓦斯地質概論〔M〕.北京:煤炭工業出版社,1990.

〔2〕　張明杰,馬　耕.鶴壁礦區煤與瓦斯突出力能因素分析

〔J〕,煤礦安全,2002(1) .

〔3〕　錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制〔M〕.北京:煤炭工業出版社,1991.

　　作者簡介:張明杰(1967-),男,河南平輿人,高級工程師,注冊安全工程師,全國煤炭生產許可證資格審查專家,1990年畢業于焦作礦業學院,現任鶴壁煤業(集團)公司通風部主任工程師,發表論文10多篇。