成莊煤礦區(qū)域瓦斯地質(zhì)及瓦斯涌出特征與突出危險關(guān)系研究

和樹棟

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引 言

以突出為主導(dǎo)的煤礦動力災(zāi)害嚴重威脅著煤礦日常安全生產(chǎn)與礦井的高產(chǎn)高效。煤與瓦斯突出是常見的礦井六大類災(zāi)害之一，國內(nèi)外諸多專家學者開展了大量富有成效的基礎(chǔ)機理研究工作。胡千庭[1]研究了炮掘工作面的瓦斯涌出規(guī)律，并結(jié)合煤礦井下實際運用瓦斯含量指標進行快速測定，達到了工作面突出危險性的預(yù)測預(yù)報。梁冰等[2]對地應(yīng)力、瓦斯及煤體之間的相互作用所導(dǎo)致的突出進行了闡述，并提出了固流耦合理論。胡泊等[3]和黃政祥等[4]認為構(gòu)造煤、軟煤的物理力學特性為瓦斯高效貯存、快速解吸釋放提供了條件，是災(zāi)害由孕育、潛存直至發(fā)生發(fā)展的鏈式演化的基礎(chǔ)。國外一些研究機構(gòu)在大量實踐的基礎(chǔ)上也確定了適合自身需求的突出預(yù)測指標，如解吸速率、解吸量等[5]。相關(guān)研究機構(gòu)在此方面開展的儀器設(shè)備研制成果也非常多，國內(nèi)科研機構(gòu)沈陽煤科院、重慶煤科院更是依靠自身優(yōu)勢長期攻關(guān)，研制了用于測定突出參數(shù)的成套系列設(shè)備[6]。

瓦斯涌出特征在井下采掘空間內(nèi)、實驗室環(huán)境、數(shù)值模擬三個不同分析條件下的表征是極為相似的，本文正是基于瓦斯涌出特征在三種條件下的相似表征，從區(qū)域宏觀瓦斯地質(zhì)特征分析入手，再結(jié)合實驗分析、數(shù)值模擬的方法，從微觀角度深入發(fā)掘了煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存對瓦斯涌出的影響，并最終得到了與突出危險之間的關(guān)系。

1 井田區(qū)域瓦斯地質(zhì)分析

山西晉城成莊煤礦位于沁水煤田南翼，井田內(nèi)小斷層較為發(fā)育。 近年來隨著礦井開采水平向深部的逐漸轉(zhuǎn)移，由此帶來的煤層瓦斯賦存條件變差，3號煤層瓦斯含量增長梯度為每百米2.04 m3/t，潛在的突出災(zāi)害危險日漸增大。為了更好地研究瓦斯涌出特征與突出危險性之間的關(guān)系，應(yīng)首先從宏觀上對成莊煤礦及周邊區(qū)域瓦斯地質(zhì)背景、瓦斯動力災(zāi)害特征進行總結(jié)、分析。

1.1 井田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布

成莊煤礦所在山西晉城礦區(qū)構(gòu)造分布綱要圖如圖1所示。結(jié)合以往地質(zhì)探測結(jié)果，分析認為該礦井田范圍內(nèi)3號煤層瓦斯賦存主要受到背斜、向斜等地質(zhì)構(gòu)造帶的逐級控制。井田內(nèi)地發(fā)育著軸向多為北西-南東向褶曲構(gòu)造，使地層呈波狀起伏。斷層走向多為北東向，傾向多為北西，所見斷層最大落差均未超過22 m，落差小于5 m的斷層和小型陷落柱較為發(fā)育。井田北部及中部褶曲構(gòu)造較集中，煤層埋藏深度大，且與其他地質(zhì)構(gòu)造交互影響，造成此區(qū)域內(nèi)瓦斯含量逐步過渡到12 m3/t以上，明顯高于井田南部，給礦方瓦斯防治從人員配備、防治裝備、鉆孔工程等方面提出了更高的要求。井田范圍內(nèi)的瓦斯整體賦存情況與鄰近區(qū)域的瓦斯賦存情況基本一致，主要原因在于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造所帶來的逐級控制效果，礦井范圍內(nèi)乃至區(qū)域范圍內(nèi)煤層的開采深度在增加，瓦斯賦存條件在惡化，由此帶來的突出風險相應(yīng)的增大。

圖1 山西晉城礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Jincheng mining area ofShanxi province

1.2 井田瓦斯動力現(xiàn)象特征

在區(qū)域瓦斯地質(zhì)背景分析的基礎(chǔ)上，對山西晉城成莊煤礦礦區(qū)及周邊鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)生的有資料記載的煤礦井下煤與瓦斯突出事故或者動力現(xiàn)象進行收集整理，通過分析資料內(nèi)容從宏觀層面定性確定導(dǎo)致瓦斯事故或者動力現(xiàn)象發(fā)生的主控因素。山西晉城成莊煤礦礦區(qū)及周邊鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)生的有資料記載的煤礦井下瓦斯動力現(xiàn)象情況統(tǒng)計見表1。

通過對表1事故統(tǒng)計情況的分析，得到該區(qū)域瓦斯動力災(zāi)害具備以下特征：①區(qū)域內(nèi)瓦斯動力災(zāi)害類型以突出為主，其他類型伴以動力現(xiàn)象或者突出征兆顯現(xiàn)；②區(qū)域內(nèi)瓦斯動力現(xiàn)象絕大多數(shù)受斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的控制作用影響，僅有一處是受軟煤分層單獨作用；③區(qū)域內(nèi)瓦斯動力現(xiàn)象多發(fā)生在掘進工作面，作業(yè)環(huán)節(jié)為割煤、放炮時極易形成擾動誘發(fā)的情況發(fā)生；④區(qū)域內(nèi)瓦斯動力現(xiàn)象的發(fā)生絕大多數(shù)是由于地質(zhì)構(gòu)造的存在所造成的煤體結(jié)構(gòu)異常以及瓦斯賦存變化而導(dǎo)致。

表1 成莊礦區(qū)及周邊鄰近區(qū)域瓦斯動力現(xiàn)象情況Table 1 Gas dynamic phenomena in adjacent areas

通過對區(qū)域內(nèi)瓦斯地質(zhì)特征的分析，可以確定該區(qū)域內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)(構(gòu)造軟媒)、瓦斯賦存(含量、壓力)是影響瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生的主控因素。地質(zhì)構(gòu)造帶附近煤體結(jié)構(gòu)已發(fā)生改變，地質(zhì)構(gòu)造形成的密閉空間更容易貯存高壓瓦斯，因此該區(qū)域內(nèi)瓦斯動力災(zāi)害多與其相關(guān)。宏觀層面的溯源分析為后續(xù)實驗分析、數(shù)值模擬明確了分析對象，也能夠為區(qū)域煤礦瓦斯災(zāi)害隱患排查及災(zāi)害防控確定重點關(guān)注對象。

2 瓦斯解吸特征與突出危險關(guān)系實驗研究

瓦斯解吸特征在井下采掘空間內(nèi)、實驗室環(huán)境下的表征是極為相似的，剝落煤體解吸總量、解吸速度影響到井下采掘空間瓦斯的釋放，甚至直接導(dǎo)致瓦斯超限等事故的發(fā)生[7-8]。實驗室條件下對瓦斯解吸特征與突出危險的關(guān)系研究過程中，煤體結(jié)構(gòu)因素的影響主要通過采集同一位置軟煤、硬煤進行區(qū)分；瓦斯賦存因素的影響主要是通過吸附平衡壓力的大小進行體現(xiàn)。

2.1 煤體結(jié)構(gòu)對瓦斯解吸特征的影響

按照實驗相關(guān)標準要求，在成莊煤礦井下同一位置采取軟煤、硬煤，實驗室篩分獲得0.20～0.25 mm試驗煤樣，分別在2.00 MPa和1.50 MPa壓力下進行吸附，達到吸附平衡后將煤樣做解吸擴散實驗，記錄30 min解吸過程數(shù)據(jù)，擬合得到實驗結(jié)果曲線如圖2和圖3所示。

圖2 30 min瓦斯解吸曲線(吸附壓力2.00 MPa)Fig.2 30 min gas desorption curve(adsorptionpressure 2.00 MPa)

圖3 30 min瓦斯解吸曲線(吸附壓力1.50 MPa)Fig.3 30 min gas desorption curve(adsorptionpressure 1.50 MPa)

分析實驗結(jié)果可得到：①在特定吸附平衡壓力條件下，軟煤初始階段的解吸速度、解吸量都要大于同期硬煤的解吸速度、解吸量，但是兩者的解吸總量是趨于一致的；②相同煤體結(jié)構(gòu)的煤樣解吸的瓦斯總量隨吸附平衡壓力增大而增大。

2.2 瓦斯壓力對瓦斯解吸特征的影響

實驗室條件下重新選取粒徑在0.25～0.50 mm之間的煤樣進行吸附解吸實驗，煤樣的吸附平衡壓力分別為0.50 MPa、1.00 MPa、1.50 MPa、2.00 MPa，同樣記錄煤樣30 min內(nèi)解吸數(shù)據(jù)并進行擬合，得到煤樣不同吸附平衡壓力時的解吸量與時間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同吸附平衡壓力時煤樣30 min解吸量Fig.4 30 min desorption capacity of coal sample underdifferent adsorption equilibrium pressure

分析實驗數(shù)據(jù)得到以下幾點規(guī)律：①吸附平衡壓力越大，煤樣的瓦斯解吸量就越大，兩者滿足正相關(guān)的乘冪關(guān)系；②吸附平衡壓力不同時，煤樣解吸曲線前10 min的斜率要大于后20 min曲線斜率，表明前期解吸速度快，且前10 min解吸量占解吸全過程總量的53.6%。

結(jié)合實驗分析結(jié)果，類比推廣到煤礦井下采掘空間內(nèi)，煤體結(jié)構(gòu)的變化、瓦斯賦存的變化對采掘空間瓦斯涌出也將會呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，兩者直接影響采掘空間瓦斯量、瓦斯?jié)舛鹊拇笮?，甚至是?dǎo)致瓦斯超限等事故的發(fā)生。

3 瓦斯涌出量特征與突出危險性關(guān)系模擬研究

3.1 模擬簡介

煤巖體中瓦斯的運移屬于流固耦合的多場研究范疇，研究選用COMSOL-Multiphysics是可有效求解流固耦合的多場問題[9-10]。為進一步完善并驗證研究成果，以晉城成莊煤礦掘進工作面實際參數(shù)為實例，采用數(shù)值模擬的方法對煤體結(jié)構(gòu)(軟分層厚度)、瓦斯賦存(瓦斯壓力)兩個因素互相組合的12種工況下的瓦斯涌出量進行分析。

3.2 模型的建立

模擬選取煤體內(nèi)瓦斯流動的固-氣耦合模型進行研究，采用二維模型運算求解達到簡化模型、提高運算效率的目的。 模型邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格自由劃分如圖5和圖6所示，求解模型所用部分參數(shù)見表2。

表2 模型部分參數(shù)Table 2 Parameters of the model

圖5 邊界條件設(shè)置圖Fig.5 Boundary condition setting

圖6 網(wǎng)格自由化劃分Fig.6 Mesh liberalization

3.3 模擬結(jié)果分析

模擬選取三組瓦斯壓力(分別為0.50 MPa、0.74 MPa、0.90 MPa)與四組軟分層厚度(分別為0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m)并在特定掘進速度下獲取對應(yīng)工況4個月的瓦斯涌出量，不同模擬工況下瓦斯涌出量結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同模擬工況下瓦斯涌出量模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of gas emission underdifferent simulation conditions

分析模擬數(shù)據(jù)得到以下幾點規(guī)律：①瓦斯壓力對掘進過程中瓦斯涌出量的影響是絕對的，瓦斯壓力越大，巷道空間瓦斯涌出量就越大，其對軟分層造成的分化程度也越明顯；②瓦斯壓力相同時，單純的軟分層對涌出量的影響不明顯，但同樣存在涌出量隨著軟分層厚度增大而增大的現(xiàn)象；③整個模擬過程中，瓦斯涌出量與掘進時間均呈現(xiàn)正相關(guān)的乘冪關(guān)系，即(均為常數(shù)，且b<1)，與實驗分析結(jié)果一致。

數(shù)值模擬真實還原了煤礦井下掘進工作面煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存變化對采掘空間內(nèi)瓦斯涌出量的影響，模擬結(jié)果與實驗分析結(jié)果一致。煤體結(jié)構(gòu)的變化、瓦斯賦存的變化直接影響采掘空間瓦斯量、瓦斯?jié)舛鹊拇笮?，甚至是?dǎo)致瓦斯超限等事故的發(fā)生，進而帶來的突出危險性增大。

4 結(jié) 論

1) 在宏觀層面區(qū)域瓦斯地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，定性分析確定了煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存是影響區(qū)域內(nèi)瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生的主控因素。

2) 實驗結(jié)果表明：在特定吸附平衡壓力條件下，軟煤初始階段的解吸速度、解吸量都要大于同期硬煤的解吸速度、解吸量，但是兩者的解吸總量是趨于一致的；相同煤體結(jié)構(gòu)的煤樣解吸的瓦斯總量隨吸附平衡壓力增大而增大。

3) 模擬結(jié)果表明：瓦斯壓力對掘進過程中瓦斯涌出量的影響是絕對的，瓦斯壓力越大，巷道空間瓦斯涌出量就越大；瓦斯壓力相同時，瓦斯涌出量隨著軟分層厚度增大而增大。

煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存對煤礦井下瓦斯涌出的影響是直接的， 煤炭企業(yè)在組織井下生產(chǎn)時要重點關(guān)注由

兩者及其伴生而來的安全隱患。本文的研究思路與結(jié)果能夠?qū)Τ汕f煤礦井下日常瓦斯災(zāi)害隱患及災(zāi)害防控起到積極作用，更能夠?qū)Σ捎猛咚褂砍鎏卣鬟M行突出危險性預(yù)測預(yù)報的研究起到指導(dǎo)作用。