论文部分内容阅读
【摘 要】为解决千米深采煤工作面煤岩瓦斯动力灾害煤岩瓦斯动力灾害的这一难题、采用现场观测与测试和对多场耦合复杂瓦斯地质条件与深部开采条件下煤岩瓦斯动力灾害机理的认识，建立了十矿条件下耦合型煤岩瓦斯动力灾害的综合防治技术体系，研究采煤工作的耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性评价和回采过程局部危险性预测技术，并进行区域危险性预测。在十矿己15-16-24110工作面为厚层坚硬顶板大跨距破断、戊9-20180工作面为超近距离保护层开采进行实施，应用效果良好。
【关键词】综采工作面；煤岩；耦合型；动力灾害
平顶山天安煤业股份有限公司十矿为高瓦斯突出矿井，自1988年4月在-320m水平戊组煤层（埋深420m，标高247m）发生首次煤与瓦斯突出以来，已发生各类煤与瓦斯突出50次，目前矿井采煤工作面已达超千米深度，高原岩地应力、高采动应力、高瓦斯含量及压力与煤岩的低渗透性等煤岩瓦斯动力灾害，地应力和外部动力在煤与瓦斯突出中的作用凸显，成为继煤与瓦斯突出单一灾种后又耦合了冲击地压的复杂煤岩瓦斯动力灾害。十矿的深部煤炭开采条件和瓦斯地质条件进入了一个新的更加复杂阶段，煤岩瓦斯动力灾害由单一型的煤与瓦斯突出演变为瓦斯、地应力、采动应力和冲击地压等多动力场耦合的复杂动力灾害，灾害的危险性和危害性更甚以往。
一、耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性预测技术
将开采前工作面范围的耦合型煤岩瓦斯动力灾害危险性称为耦合型动力灾害区域危险性。
1.耦合型动力灾害区域危险性预测指标体系。将发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的物质条件、环境应力强度条件、触发动力条件和瓦斯地质条件，综合作为耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性的指标体系。
2.发生耦合型动力灾害的物质条件指标。存在多动力场耦合型煤岩瓦斯动力灾害危险性，必要的物质条件之一是含瓦斯煤层具备基本的煤与瓦斯突出属性。含瓦斯煤层具有煤与瓦斯突出属性，一般需要一定量的瓦斯含量和瓦斯压力，才能具备冲破煤体约束的内能。而煤的较低坚固性系数和高破坏类型，是发挥瓦斯内能作用的有利条件。近源冲击地压或矿震可直接破坏煤体，使发生煤与瓦斯突出的煤体强度条件降低，根据目前的认识，煤的破坏类型临界值可降低到Ⅱ类、坚固性系数可增加20%以上。这些因素的有机组合，一般情况下需达到表1的组合条件。
冲击地压危险性煤层和围岩，一般是高强度硬质煤岩，需要表2、表3所列冲击能指数、弹性能指数、动态破坏时间、弯曲能几项指标的有机组合。
顶板的周期来压，很多情况在底板显现，十矿己15-16、戊9砂质泥岩底板，在未浸水条件下，曾发生过冲击地压，据此判断，十矿己15-16和戊9砂质泥岩底板具有冲击倾向性。
3.发生耦合型动力灾害的触发应力条件指标。地应力强度分布不均匀和产生突然加卸载，是产生煤岩瓦斯动力灾害的重要诱发因素，这种诱发因素在深部高应力环境或岩体非线性系统变的越发显著。采动应力是多发因素，甚至大部分冲击地压也是采动应力所致，根据目前的认识程度，基本可以超前预测采动应力，应成为重点防范的对象。顶板周期破断是采动应力的最大变量，直接顶与基本顶破断、初次破断与周期破断的步距不同，工作面两侧巷道埋深和复杂程度不同，均造成采动应力集中系数存在差异。这些是评价触发应力强度的主要根据。
4.发生耦合型动力灾害的瓦斯地质条件指标。煤层中存在断层构造、局部构造软煤、煤层赋存剧变等不利的瓦斯地质条件，可以提高同等条件的耦合型煤岩瓦斯动力灾害的危险性，暂可按提高一个危险性等级对待。
首先进行发生耦合型煤岩瓦斯动力灾害的物质条件指标和环境应力条件指标判断，如果两者同时具备，则存在发生耦合型煤岩瓦斯动力灾害的威胁，继续进行下道工序判断；如不同时具备此两个条件，则判定为无耦合型煤岩瓦斯动力灾害的威胁，终止判断。在判断具有发生耦合型煤岩瓦斯动力灾害威胁的条件下，进行触发动力强度和频度判断。根据采动应力集中系数和顶板破断周期，判断顶板破断的触发动力强度和频度；如果具备地震、矿震和冲击地压观测和分析条件，则可进行地震、矿震和冲击地压的触发动力强度和频度概率判断。断层和构造煤是发生耦合型灾害的不利瓦斯地质条件。断层附近应力集中，是发生冲击地压和煤与瓦斯突出的重要诱因；构造软煤层或区段是发生煤与瓦斯突出的主要固体介质。
二、耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性预测
1.发生耦合型动力灾害的物质条件。实测十矿己组己15-16-24110工作面，750m以深原始状态煤层全部超过煤层突出危险性单项指标的临界值标准，原始煤层具备发生耦合型煤与瓦斯突出的基本煤与瓦斯条件。在深部采煤工作面，煤层软、透气性差、区域瓦斯预抽效果受限甚至存在空白带条件下，局部抽采残量如达不到表1的安全指标，则具备发生耦合型煤与瓦斯突出的基本煤与瓦斯物质条件。经测定，己15-16煤层顶板之上30m内的石英砂岩顶板属强烈冲击倾向性岩石。目前埋藏深度均大于750m，具有冲击危险性。底板岩石的冲击倾向性目前虽尚无实验判定指标，但根据实际发生的底板冲击地压判断，底板砂质泥岩具有中等冲击倾向性和危险性。
2.发生耦合型动力灾害的环境动力条件。己15-16-24110工作面采深880m～1039m，全部超过十矿具有发生耦合型灾害威胁的特征深度（750m），90%面积超过具有发生耦合型灾害危险的特征深度（900m）。因此，该工作面具备发生耦合型灾害的环境动力条件。
3.工作面顶板破断触发动力强度与频度。根据采动岩层移动数值试验和现场调查，煤层上覆50m内基本顶砂岩坚硬、完整，单层厚度大于24m，初次破断和周期破断距80m左右，是本工作面的主要矿压问题，回采全程较强矿压将显现10次左右。风巷一侧存在上个工作面采空区、偏Y巷和2条煤柱，采动应力集中系数是机巷一侧的1.7倍。因此，基本顶破断时，风巷一侧及相邻工作面内的煤壁将是采动应力系数最大的时空位置，为顶板破断采动应力1级（最强）触发动力条件。 三、超近距离保护层开采，被保护层突出危险性预测
在戊9-20180工作面，戊9-戊10砂质泥岩夹矸层分布范围内，戊9-戊10层间距0～7.7m，戊9煤层埋深670～800m，戊10煤层原始瓦斯最大含量13m3/t，瓦斯压力2.0MPa。在机巷一侧，沿工作面走向分布长度550m，约占整个工作面长度和面积的60%。开采戊9煤层时，戊10煤层的卸压瓦斯涌出和煤与瓦斯突出是威胁戊9煤层开采的重要安全问题。根据煤层开挖过程中裂隙发展的数值试验，绘出竖向拉张裂隙发育包络图（为方便观察，深度方向的比例扩大10倍），图中斜线部分为夹矸层竖向拉张裂隙分布范围，夹矸层竖向拉张裂隙发育的最大深度约2.5m。
根据数值试验结果，戊9煤层开采后，下伏夹矸层和戊10煤层在底板以下2.0～2.5m范围产生竖向拉张裂隙带，该带以下为横向剪切裂隙层间运动带，再向下过渡为原生破坏带。为避免戊9煤层开采后，戊10煤层卸压瓦斯沿竖向裂隙涌向戊9采空区甚至突出，需在竖向拉张裂隙带下保留一定宽度的保护带。根据掘进期间的开采实践和数值分析，在戊10煤层瓦斯基础参数条件下，保护带宽度可取1.0m，即夹矸层厚度大于等于3.0～3.5m时，可在戊10煤层采取瓦斯治理措施，当夹矸层厚度小于3.0～3.5m时，须对戊9和戊10煤层同时采取瓦斯治理措施。
四、结论
基于对耦合型煤岩瓦斯动力灾害发生机理的认识，提出并建立了以发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的物质条件、环境应力强度条件、触发动力条件和瓦斯地质条件为主要指标的耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性预测体系及流程。埋深大于750m采区或工作面，采掘前应开展耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性评价。经评价存在区域耦合型煤岩瓦斯动力灾害威胁以上等级的采、掘工作面，采、掘过程需开展局部危险性预测。在采、掘过程中发生了耦合型煤岩瓦斯动力灾害，应立即补充区域危险性评价，并开展局部危险性预测。
参 考 文 献
[1]于不凡等.煤矿瓦斯防治技术[M].1987
[2]卢文波，陶振宇.预裂爆破中炮孔压力变化历程的理论分析[J].爆炸与冲击.1994，14（2）
[3]张福旺，张国枢.矿井瓦斯灾害防控体系[J].2009（8）
[4]赵本均、膝学军.冲击地压及其防治[M].北京：煤炭工业出版社，1995
【关键词】综采工作面；煤岩；耦合型；动力灾害
平顶山天安煤业股份有限公司十矿为高瓦斯突出矿井，自1988年4月在-320m水平戊组煤层（埋深420m，标高247m）发生首次煤与瓦斯突出以来，已发生各类煤与瓦斯突出50次，目前矿井采煤工作面已达超千米深度，高原岩地应力、高采动应力、高瓦斯含量及压力与煤岩的低渗透性等煤岩瓦斯动力灾害，地应力和外部动力在煤与瓦斯突出中的作用凸显，成为继煤与瓦斯突出单一灾种后又耦合了冲击地压的复杂煤岩瓦斯动力灾害。十矿的深部煤炭开采条件和瓦斯地质条件进入了一个新的更加复杂阶段，煤岩瓦斯动力灾害由单一型的煤与瓦斯突出演变为瓦斯、地应力、采动应力和冲击地压等多动力场耦合的复杂动力灾害，灾害的危险性和危害性更甚以往。
一、耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性预测技术
将开采前工作面范围的耦合型煤岩瓦斯动力灾害危险性称为耦合型动力灾害区域危险性。
1.耦合型动力灾害区域危险性预测指标体系。将发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的物质条件、环境应力强度条件、触发动力条件和瓦斯地质条件，综合作为耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性的指标体系。
2.发生耦合型动力灾害的物质条件指标。存在多动力场耦合型煤岩瓦斯动力灾害危险性，必要的物质条件之一是含瓦斯煤层具备基本的煤与瓦斯突出属性。含瓦斯煤层具有煤与瓦斯突出属性，一般需要一定量的瓦斯含量和瓦斯压力，才能具备冲破煤体约束的内能。而煤的较低坚固性系数和高破坏类型，是发挥瓦斯内能作用的有利条件。近源冲击地压或矿震可直接破坏煤体，使发生煤与瓦斯突出的煤体强度条件降低，根据目前的认识，煤的破坏类型临界值可降低到Ⅱ类、坚固性系数可增加20%以上。这些因素的有机组合，一般情况下需达到表1的组合条件。
冲击地压危险性煤层和围岩，一般是高强度硬质煤岩，需要表2、表3所列冲击能指数、弹性能指数、动态破坏时间、弯曲能几项指标的有机组合。
顶板的周期来压，很多情况在底板显现，十矿己15-16、戊9砂质泥岩底板，在未浸水条件下，曾发生过冲击地压，据此判断，十矿己15-16和戊9砂质泥岩底板具有冲击倾向性。
3.发生耦合型动力灾害的触发应力条件指标。地应力强度分布不均匀和产生突然加卸载，是产生煤岩瓦斯动力灾害的重要诱发因素，这种诱发因素在深部高应力环境或岩体非线性系统变的越发显著。采动应力是多发因素，甚至大部分冲击地压也是采动应力所致，根据目前的认识程度，基本可以超前预测采动应力，应成为重点防范的对象。顶板周期破断是采动应力的最大变量，直接顶与基本顶破断、初次破断与周期破断的步距不同，工作面两侧巷道埋深和复杂程度不同，均造成采动应力集中系数存在差异。这些是评价触发应力强度的主要根据。
4.发生耦合型动力灾害的瓦斯地质条件指标。煤层中存在断层构造、局部构造软煤、煤层赋存剧变等不利的瓦斯地质条件，可以提高同等条件的耦合型煤岩瓦斯动力灾害的危险性，暂可按提高一个危险性等级对待。
首先进行发生耦合型煤岩瓦斯动力灾害的物质条件指标和环境应力条件指标判断，如果两者同时具备，则存在发生耦合型煤岩瓦斯动力灾害的威胁，继续进行下道工序判断；如不同时具备此两个条件，则判定为无耦合型煤岩瓦斯动力灾害的威胁，终止判断。在判断具有发生耦合型煤岩瓦斯动力灾害威胁的条件下，进行触发动力强度和频度判断。根据采动应力集中系数和顶板破断周期，判断顶板破断的触发动力强度和频度；如果具备地震、矿震和冲击地压观测和分析条件，则可进行地震、矿震和冲击地压的触发动力强度和频度概率判断。断层和构造煤是发生耦合型灾害的不利瓦斯地质条件。断层附近应力集中，是发生冲击地压和煤与瓦斯突出的重要诱因；构造软煤层或区段是发生煤与瓦斯突出的主要固体介质。
二、耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性预测
1.发生耦合型动力灾害的物质条件。实测十矿己组己15-16-24110工作面，750m以深原始状态煤层全部超过煤层突出危险性单项指标的临界值标准，原始煤层具备发生耦合型煤与瓦斯突出的基本煤与瓦斯条件。在深部采煤工作面，煤层软、透气性差、区域瓦斯预抽效果受限甚至存在空白带条件下，局部抽采残量如达不到表1的安全指标，则具备发生耦合型煤与瓦斯突出的基本煤与瓦斯物质条件。经测定，己15-16煤层顶板之上30m内的石英砂岩顶板属强烈冲击倾向性岩石。目前埋藏深度均大于750m，具有冲击危险性。底板岩石的冲击倾向性目前虽尚无实验判定指标，但根据实际发生的底板冲击地压判断，底板砂质泥岩具有中等冲击倾向性和危险性。
2.发生耦合型动力灾害的环境动力条件。己15-16-24110工作面采深880m～1039m，全部超过十矿具有发生耦合型灾害威胁的特征深度（750m），90%面积超过具有发生耦合型灾害危险的特征深度（900m）。因此，该工作面具备发生耦合型灾害的环境动力条件。
3.工作面顶板破断触发动力强度与频度。根据采动岩层移动数值试验和现场调查，煤层上覆50m内基本顶砂岩坚硬、完整，单层厚度大于24m，初次破断和周期破断距80m左右，是本工作面的主要矿压问题，回采全程较强矿压将显现10次左右。风巷一侧存在上个工作面采空区、偏Y巷和2条煤柱，采动应力集中系数是机巷一侧的1.7倍。因此，基本顶破断时，风巷一侧及相邻工作面内的煤壁将是采动应力系数最大的时空位置，为顶板破断采动应力1级（最强）触发动力条件。 三、超近距离保护层开采，被保护层突出危险性预测
在戊9-20180工作面，戊9-戊10砂质泥岩夹矸层分布范围内，戊9-戊10层间距0～7.7m，戊9煤层埋深670～800m，戊10煤层原始瓦斯最大含量13m3/t，瓦斯压力2.0MPa。在机巷一侧，沿工作面走向分布长度550m，约占整个工作面长度和面积的60%。开采戊9煤层时，戊10煤层的卸压瓦斯涌出和煤与瓦斯突出是威胁戊9煤层开采的重要安全问题。根据煤层开挖过程中裂隙发展的数值试验，绘出竖向拉张裂隙发育包络图（为方便观察，深度方向的比例扩大10倍），图中斜线部分为夹矸层竖向拉张裂隙分布范围，夹矸层竖向拉张裂隙发育的最大深度约2.5m。
根据数值试验结果，戊9煤层开采后，下伏夹矸层和戊10煤层在底板以下2.0～2.5m范围产生竖向拉张裂隙带，该带以下为横向剪切裂隙层间运动带，再向下过渡为原生破坏带。为避免戊9煤层开采后，戊10煤层卸压瓦斯沿竖向裂隙涌向戊9采空区甚至突出，需在竖向拉张裂隙带下保留一定宽度的保护带。根据掘进期间的开采实践和数值分析，在戊10煤层瓦斯基础参数条件下，保护带宽度可取1.0m，即夹矸层厚度大于等于3.0～3.5m时，可在戊10煤层采取瓦斯治理措施，当夹矸层厚度小于3.0～3.5m时，须对戊9和戊10煤层同时采取瓦斯治理措施。
四、结论
基于对耦合型煤岩瓦斯动力灾害发生机理的认识，提出并建立了以发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的物质条件、环境应力强度条件、触发动力条件和瓦斯地质条件为主要指标的耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性预测体系及流程。埋深大于750m采区或工作面，采掘前应开展耦合型煤岩瓦斯动力灾害区域危险性评价。经评价存在区域耦合型煤岩瓦斯动力灾害威胁以上等级的采、掘工作面，采、掘过程需开展局部危险性预测。在采、掘过程中发生了耦合型煤岩瓦斯动力灾害，应立即补充区域危险性评价，并开展局部危险性预测。
参 考 文 献
[1]于不凡等.煤矿瓦斯防治技术[M].1987
[2]卢文波，陶振宇.预裂爆破中炮孔压力变化历程的理论分析[J].爆炸与冲击.1994，14（2）
[3]张福旺，张国枢.矿井瓦斯灾害防控体系[J].2009（8）
[4]赵本均、膝学军.冲击地压及其防治[M].北京：煤炭工业出版社，1995