沖擊地壓后瓦斯異常涌出條件及致災(zāi)原因分析

王 濤，王曌華,劉華博，關(guān)云鵬，詹紹建

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

沖擊地壓后瓦斯異常涌出條件及致災(zāi)原因分析

王 濤1,2，王曌華3,劉華博3，關(guān)云鵬3，詹紹建3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

針對沖擊發(fā)生后瓦斯異常涌出的現(xiàn)象，分析了煤巖微裂隙狀態(tài)、溫度等因素在沖擊地壓發(fā)生前后的變化以及沖擊地壓引起礦體震動對瓦斯吸附能力的影響，從多角度分析了沖擊地壓發(fā)生后導(dǎo)致瓦斯異常涌出的條件和原因。通過理論計(jì)算，瓦斯?jié)B透試驗(yàn)等手段，研究了煤體受載過程中孔隙度和滲透性的變化規(guī)律；在含氣煤本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，利用三軸加載條件下應(yīng)力-滲透率關(guān)系計(jì)算得到了煤樣加載過程中的滲透率的變化曲線。結(jié)果表明:沖擊地壓的發(fā)生確實(shí)存在導(dǎo)致瓦斯異常涌出的條件，而瓦斯對煤體存在力學(xué)和非力學(xué)的作用，可以導(dǎo)致煤體強(qiáng)度下降，脆性增強(qiáng)，并能夠加速煤體的失穩(wěn)破壞；煤體孔隙度和滲透率在三軸加載條件下會有先降低后增大的趨勢，在應(yīng)力達(dá)到破壞載荷的70%左右時(shí)，孔隙度和滲透率急劇增長；煤巖體內(nèi)裂紋擴(kuò)展，滲透性能增加是高瓦斯礦井沖擊地壓發(fā)生后瓦斯大量涌出的最直接的原因，礦體震動、煤巖體溫度升高等沖擊地壓的伴生現(xiàn)象在一定程度上會促進(jìn)瓦斯解吸和逸出。

沖擊地壓；瓦斯；次生災(zāi)害；吸附解吸；滲透率

沖擊地壓[1]是指煤巖力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，聚積在煤巖體內(nèi)的彈性能以突然、急劇、猛烈的形式釋放，將煤巖體沖擊性的拋向井巷的動力現(xiàn)象，通常伴隨巨大震動，造成巷道、設(shè)備的破壞和人員的傷亡。隨著煤礦開采深度和開采范圍的加大，沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生的頻度和強(qiáng)度日益增強(qiáng)，同時(shí)，更容易引發(fā)其他礦井災(zāi)害，尤其是沖擊地壓發(fā)生后次生的瓦斯災(zāi)害。國內(nèi)外已有很多關(guān)于沖擊地壓發(fā)生后瓦斯異常涌出現(xiàn)象的相關(guān)報(bào)道和記錄:遼寧阜新礦區(qū)和北票礦區(qū)的多個礦井、黑龍江鶴崗煤礦都有沖擊地壓發(fā)生后的瓦斯大量涌出現(xiàn)象[2-4]；德國的萊茵-維斯特法爾礦區(qū)(1926)、哈烏斯克礦井(1955)和魯爾礦區(qū)(1981)曾報(bào)道過礦震伴隨瓦斯異常涌出的事件[5-6]。2005年阜新孫家灣煤礦發(fā)生“2·14”瓦斯爆炸事故，造成214人死亡，事故的直接原因是沖擊地壓造成3316風(fēng)道大量瓦斯異常涌出，通風(fēng)不暢造成瓦斯積聚而引發(fā)。2003年蘆嶺煤礦發(fā)生的“5·13”瓦斯爆炸事故，86人死亡，事故原因是由于1046回采工作面老采空區(qū)頂板的礦山壓力突然增大，使小煤柱承受沖擊，瓦斯從煤柱破壞處快速涌出，進(jìn)而爆炸形成惡性事故。這類事故有一個共同點(diǎn)，即沖擊地壓發(fā)生后一段時(shí)間瓦斯異常涌出并快速積聚，遇火源發(fā)生爆炸。對于預(yù)防此類事故，不僅要開展瓦斯問題的相關(guān)研究，更要研究事故源頭沖擊地壓與瓦斯的關(guān)系。研究煤巖沖擊失穩(wěn)過程中的瓦斯流動運(yùn)移規(guī)律，煤與瓦斯相互作用機(jī)理，對于降低事故損失，保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

沖擊地壓發(fā)生后瓦斯涌出和煤與瓦斯突出現(xiàn)象容易被混淆，前者的實(shí)質(zhì)是沖擊地壓及其誘發(fā)的次生災(zāi)害，兩者有著本質(zhì)的區(qū)別。沖擊地壓和煤與瓦斯突出現(xiàn)象的相似點(diǎn)體現(xiàn)在二者的表現(xiàn)形式上，即都有煤巖體破壞，并且破壞過程迅速、猛烈；區(qū)別在于破壞需要的能量來源不同，沖擊地壓的能量來源于煤巖系統(tǒng)儲存的彈性能，而煤與瓦斯突出的能量來源于系統(tǒng)內(nèi)的瓦斯內(nèi)能。目前，對于礦井動力災(zāi)害的研究主要集中在沖擊地壓和煤與瓦斯突出各自發(fā)生的機(jī)理和防治措施方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作[7-8]。20世紀(jì)60年代中期，南非的庫克和蘇聯(lián)的霍多特分別提出了沖擊地壓和突出的能量理論，認(rèn)為沖擊地壓和突出的發(fā)生是由于煤巖體破壞而導(dǎo)致礦體與圍巖系統(tǒng)失衡，破壞釋放的變形能大于破壞過程所消耗的能量，多余的能量轉(zhuǎn)化為煤巖拋出、圍巖震動的動能，不同的是煤與瓦斯突出有瓦斯作用?；谶@種考慮，有學(xué)者將沖擊地壓和突出放在一起統(tǒng)一研究[9]，認(rèn)為沖擊地壓是沒有瓦斯作用的突出，突出是有瓦斯作用的沖擊地壓，并從能量角度建立了統(tǒng)一的失穩(wěn)判別準(zhǔn)則。在高瓦斯礦井沖擊地壓和瓦斯突出往往存在一定關(guān)聯(lián)，在沖擊地壓的孕育演化階段瓦斯可能參與其中，并且在一定條件下兩者可以互相轉(zhuǎn)化。亦有學(xué)者，利用微震、瓦斯監(jiān)測和事故調(diào)查等手段證實(shí)了沖擊地壓與瓦斯災(zāi)害的相關(guān)性[10-12]，從煤與瓦斯相互作用、煤巖體裂紋損傷演化等角度解釋了這一現(xiàn)象。然而，由于沖擊地壓和瓦斯突出這2種動力現(xiàn)象本身的復(fù)雜性，對于沖擊地壓和瓦斯災(zāi)害相關(guān)性的研究工作僅停留在對這一現(xiàn)象的直觀解釋，缺乏理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。本文通過解析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室瓦斯?jié)B透試驗(yàn)，分析煤巖體破裂對瓦斯運(yùn)移、解吸的影響機(jī)制，在工程尺度上解釋沖擊地壓致瓦斯涌出的機(jī)理。

1 沖擊地壓中的瓦斯作用

1.1 伴生瓦斯災(zāi)害的必要條件

發(fā)生過沖擊地壓和瓦斯伴生災(zāi)害的礦井無一例外都是高瓦斯礦井，這些礦井本身存在瓦斯大量涌出的物質(zhì)條件，沖擊地壓是誘因，為高壓瓦斯的大量、快速涌出創(chuàng)造了條件。以阜新礦區(qū)孫家灣礦為例，其海州立井為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量23.01 m3/min，相對瓦斯涌出量13.70 m3/t，煤塵爆炸指數(shù)40.88%，自然發(fā)火期3個月。受地質(zhì)構(gòu)造和采掘關(guān)系影響，該礦發(fā)生過多次沖擊地壓，2005-02-14T14:49再次發(fā)生沖擊地壓，遼寧省地震臺網(wǎng)監(jiān)測到震級為2.0級，之后瓦斯?jié)舛瓤焖偕仙?5:03由于電工的誤操作，引燃瓦斯導(dǎo)致爆炸。

高瓦斯礦井一方面存在瓦斯大量涌出的物質(zhì)基礎(chǔ)，另一方面存在的高瓦斯壓力也構(gòu)成了沖擊地壓發(fā)生和瓦斯涌出的動力條件。沖擊地壓與瓦斯相關(guān)性的研究顯示，瓦斯解吸膨脹的能量與瓦斯吸附壓力有關(guān)，在開采擾動條件下，一定壓力的解吸膨脹能會對沖擊地壓的孕育和發(fā)生產(chǎn)生積極作用[10]，存在高壓瓦斯成為沖擊地壓孕育原動力和助推力的可能。因此，高瓦斯吸附壓力是沖擊地壓伴生瓦斯災(zāi)害的一個重要動力條件。

1.2 瓦斯對煤體力學(xué)性質(zhì)的影響

國內(nèi)外學(xué)者曾對含瓦斯煤的力學(xué)變形特性展開研究[13-15]，通過實(shí)驗(yàn)證明了煤層中的游離瓦斯和吸附瓦斯的共同作用會使煤體物理力學(xué)性質(zhì)及力學(xué)響應(yīng)特性發(fā)生一定變化。煤是一種多孔介質(zhì)，吸附瓦斯后煤體表面自由能降低，從而導(dǎo)致煤體黏聚力和彈性模量減小，強(qiáng)度下降，脆性增強(qiáng)。

瓦斯對煤體的力學(xué)作用體現(xiàn)在沖擊地壓過程的孕育和發(fā)展階段，在沖擊地壓孕育階段，游離瓦斯主要以體積力的形式作用于煤體；在沖擊地壓的發(fā)生、發(fā)展階段，瓦斯壓力促進(jìn)了煤體孔、裂隙的擴(kuò)展。游離瓦斯和吸附瓦斯的共同作用下，加速了煤體的失穩(wěn)破壞過程。

2 含瓦斯煤體的失穩(wěn)過程

2.1 含氣煤本構(gòu)方程

基于含氣煤飽和混合物的基本假設(shè)，含氣煤本構(gòu)方程[15-16]為

(1)

各組分的體積分?jǐn)?shù)為

(2)

2.2 三軸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-滲透率關(guān)系

在含氣煤本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，按照煤樣三軸實(shí)驗(yàn)過程，推導(dǎo)在依次施加均勻圍壓、孔隙壓力和軸向應(yīng)力時(shí)的煤樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到考慮吸附作用的各向應(yīng)變關(guān)系式，并結(jié)合煤樣三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到加載過程中煤樣孔隙度變化曲線，依據(jù)滲透率與孔隙度的關(guān)系[17](式(3))，可進(jìn)一步計(jì)算得到煤樣滲透率變化規(guī)律。

(3)

其中，K為滲透率，μm2；k為Kozeny常數(shù)；Ss為以巖石骨架體積為基準(zhǔn)的比面，cm2/cm3;n為孔隙度。

由孔隙度-應(yīng)力變化曲線(圖1(a))，計(jì)算得到三軸加載過程中的應(yīng)力-滲透率關(guān)系，如圖1(b)所示。在加載初期煤樣滲透率較低，并隨應(yīng)力增加而呈降低趨勢；在應(yīng)力達(dá)到破壞載荷的70%左右，試件中逐步產(chǎn)生新的微裂紋，滲透率轉(zhuǎn)而趨向增長；越接近峰值應(yīng)力，產(chǎn)生的微裂隙越多，部分裂隙互相交割而貫通，滲透率急劇增長。

圖1 軸向應(yīng)力與孔隙度和滲透率的關(guān)系[17](羊渠河礦2號煤)Fig.1 Variation of the coal sample porosity and perme-ability with the axial stress(No.2 Coal in Yangquhe Coal Mine)

2.3 煤樣加卸載下的滲透實(shí)驗(yàn)

井下煤層的開采和巷道的開掘伴隨著煤巖軸向加載和側(cè)向卸荷的力學(xué)過程，這一過程中煤巖體內(nèi)的裂紋經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致煤巖體變形破壞，同時(shí)也伴隨著瓦斯的吸附、解吸和運(yùn)移。沖擊地壓發(fā)生后，煤體滲透性的變化是影響瓦斯涌出最主要和直接的因素。為研究沖擊地壓發(fā)生前后瓦斯?jié)B透性的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)考慮加卸載同時(shí)作用下的煤樣滲透率實(shí)驗(yàn)。

煤樣規(guī)格為直徑2.5 cm、高度5.0 cm的圓柱，氣體選用高純的氮?dú)?，測量采用排水法和氣體流量計(jì)。首先將煤樣進(jìn)行氮?dú)獾奈狡胶猓缓髮γ簶邮┘虞S向和徑向壓力，待回氣流量穩(wěn)定后，進(jìn)行下一級載荷下的滲流測試。進(jìn)氣和回氣壓力分別為2.1和0.1 MPa，軸向應(yīng)力的加載等級為:12 MPa→14 MPa→16 MPa→18 MPa→19 MPa→20 MPa，徑向應(yīng)力加載等級為:12 MPa→10 MPa→8 MPa→6 MPa→5 MPa→4 MPa。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。測得滲透率與主應(yīng)力差的關(guān)系如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Sketch of the experimental system

圖3 煤樣滲透率隨主應(yīng)力差變化曲線Fig.3 Variation curves of the coal sample permeability with the primary stress difference

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:由于煤樣樣本個體差異，其內(nèi)部微裂紋的演化、裂紋擴(kuò)展具有個體性，在相同主應(yīng)力差的條件下，3個樣本的滲透具有一定差異；但隨著主應(yīng)力差的增大(軸向壓力增大和徑向壓力減小)，煤樣滲透率逐步增大，這也符合煤樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展規(guī)律:煤樣內(nèi)部具有初始微孔洞，具有一定滲透性，隨著加卸載的進(jìn)行，微裂紋伸長、分叉，并有新的微裂紋萌生，煤樣滲透率隨之增加；繼續(xù)加卸載，貫通裂紋出現(xiàn)，并進(jìn)入加速擴(kuò)展階段，隨著主裂紋的增多、變寬，煤樣滲透率快速增加；加卸載后期，樣本出現(xiàn)破壞，滲透率達(dá)到極大值。

沖擊地壓是煤巖沖擊失穩(wěn)的過程，這一過程中煤巖體從裂紋產(chǎn)生、發(fā)展、集中，直至破壞，瓦斯?jié)B透性不斷增加，瓦斯由初始的平衡狀態(tài)逐步演化為少量逸出、吸附瓦斯解吸、遠(yuǎn)場瓦斯運(yùn)移和瓦斯大量快速涌出幾個階段，而后達(dá)到新的平衡。煤巖體內(nèi)裂紋擴(kuò)展，滲透性能增加是高瓦斯礦井沖擊地壓發(fā)生后瓦斯大量涌出的最直接的原因。

3 沖擊地壓伴生現(xiàn)象的致災(zāi)原因

3.1 震動導(dǎo)致瓦斯解吸及煤巖結(jié)構(gòu)劣化

沖擊地壓發(fā)生時(shí)，煤巖體內(nèi)所儲存的巨大彈性能突然釋放，往往伴隨礦山巖體的劇烈震動。目前監(jiān)測到的沖擊地壓最大震級為5.6級，震級大且埋深淺的沖擊地壓會引起地表的劇烈震動，甚至造成建筑物的巨大破壞。

礦山震動對于瓦斯涌出存在一定作用，這一現(xiàn)象已被一些礦井的瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所證實(shí)[18]，震動作用下煤對瓦斯的吸附能力降低，吸附量減少[19]。沖擊地壓引起的礦體震動同樣會使部分吸附瓦斯解吸，從而有更多的游離瓦斯通過裂隙涌出。另一方面，沖擊地壓發(fā)生前，煤巖體內(nèi)的微裂紋產(chǎn)生在局部的有限范圍內(nèi)，而沖擊地壓發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的震動可以使微裂紋在距離沖擊地點(diǎn)更遠(yuǎn)的部位產(chǎn)生，從而使煤巖體失穩(wěn)波及的范圍更廣，破壞了更遠(yuǎn)場瓦斯的平衡狀態(tài)，促使原場瓦斯解吸并向沖擊地點(diǎn)滲透、涌出。也就是說，沖擊地壓釋放的巨大能量可分為兩部分：一部分是煤巖體拋出的動能，另一部分轉(zhuǎn)化為礦體的震動，這兩部分能量都參與了礦山巖體的損傷演化，為瓦斯的解吸、運(yùn)移提供了條件。

3.2 溫度升高導(dǎo)致瓦斯解吸

煤巖體應(yīng)力狀態(tài)的不同，反映在其溫度的變化上，高應(yīng)力區(qū)的煤巖體溫度高于低應(yīng)力區(qū)的煤巖體溫度，在地下采煤工作面，周期來壓前后煤體溫度差最大曾到達(dá)10 ℃以上[20]?；谶@種煤巖體溫度隨加卸載過程的變化規(guī)律，有學(xué)者利用紅外熱像技術(shù)開展了煤巖失穩(wěn)前兆的研究[21-23]。研究表明，沖擊地壓發(fā)生前，煤巖體結(jié)構(gòu)已處于能量加速累積狀態(tài)，這種條件下煤巖體溫度迅速升高，瓦斯氣體分子的熱運(yùn)動加劇，從而擺脫煤體吸附成為自由氣體分子的概率增大，部分吸附瓦斯解吸為游離態(tài)瓦斯，進(jìn)一步增加了瓦斯孔隙壓力，在煤巖體破裂失穩(wěn)后，這部分氣體同樣會參與整個瓦斯場的運(yùn)移和涌出。

3.3 沖擊地壓導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)紊亂

沖擊地壓發(fā)生后，突出的煤巖體堵塞巷道，巷道有效截面減小，使通風(fēng)系統(tǒng)的阻力增加，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)不能正常向沖擊地壓發(fā)生區(qū)域供風(fēng)。與此同時(shí)，沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生可能造成瓦斯抽放系統(tǒng)和抽風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)施的破壞，造成風(fēng)流紊亂或短時(shí)間的逆轉(zhuǎn)。上述兩個原因可導(dǎo)致風(fēng)流短路、逆推或其它風(fēng)流紊亂情況的發(fā)生，通風(fēng)系統(tǒng)原有的平衡被打破，煤體中釋放的瓦斯在沖擊地壓發(fā)生的采掘工作面或井巷中不斷積聚，造成瓦斯超限，產(chǎn)生人員窒息和瓦斯、煤塵爆炸的條件。

4 結(jié) 論

(1)瓦斯作用會使煤體發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性加大。吸附瓦斯會使煤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致煤體黏聚力和彈模減小，脆性增強(qiáng)；游離瓦斯以體積力的形式作用于煤體，促進(jìn)煤體裂隙的擴(kuò)展。

(2)滲透性能增加是高瓦斯礦井沖擊地壓發(fā)生后瓦斯大量涌出的最直接的原因。在加卸載滲透試驗(yàn)中，煤樣滲透率隨著主應(yīng)力差的增大而增長，并符合煤樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展過程，含氣煤的應(yīng)力-滲透率關(guān)系曲線反映了同樣的規(guī)律。

(3)煤巖體溫度升高和礦體震動加大了沖擊地壓發(fā)生后的瓦斯涌出能量。沖擊地壓引發(fā)的礦體震動可以促進(jìn)遠(yuǎn)場微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并導(dǎo)致部分瓦斯解吸；儲存彈性能的煤巖體溫度升高同樣使部分瓦斯解吸，進(jìn)一步增加了瓦斯孔隙壓力。

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Discussionaboutthemechanismofgasdisasterinducedbycoalbump

WANG Tao1,2，WANG Zhao-hua3,LIU Hua-bo3，GUAN Yun-peng3，ZHAN Shao-jian3

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China;2.FacultyofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China;3.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

To explain the phenomenon that the gas spurt which emerged after the coal bump,the variation before and after the coal bump including the microfractures in the coal and rock mass,the temperature,etc.were analyzed,also the influence of the mine seismic induced by the coal bump to gas adsorptive ability was analyzed,and gave the reasons why the phenomenon exists from multi-angle.The variation of the porosity and permeability of the coal under loading were researched by theoretical calculation and test of the gas permeability.Based on the constitutive equation of the gas coal,obtained the permeability curve of the coal under loading by using the relationship of stress-permeability under triaxial compression tests.The results show that the coal bump makes it possible for the gas to spurt,and the mechanical or non-mechanical effects given by the gas cause the descend of the strengthen but the ascent of the fragility of the coal and accelerate the deformation of the coal at the same time.The coal’s triaxial compression tests show that its porosity and permeability have a tendency to reduce first and then to increase,and they will raise shapely when the stress is up to 70% of the failure load.The expand of the microfractures in the coal and rock mass and the increase of the permeability are the most direct causes for the numerous gas spurt after the coal bump in the coal mine with massive gas.The associated phenomenon with the coal bump like mine seismic and the temperature of the rock mass increasing stimulate the desorption and release of the gas.

coal bump；gas；secondary disaster；absorption and desorption；permeability

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2021

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226801)；煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SKLCRSM11KFB08)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M530770)

王 濤(1983—)，男，河北定州人，博士。E-mail:tao.w@139.com

TD712;TD324

A

0253-9993(2014)02-0371-06

王 濤，王曌華,劉華博,等.沖擊地壓后瓦斯異常涌出條件及致災(zāi)原因分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):371-376.

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