施曉亮，韓飛宇

((1.潞安化工集團 山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400；2.山西壽陽段王集團 平安煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

自新中國成立以來及未來較長的一段時期，煤炭都是我國的主體能源[1]。煤炭的安全采出對于保障我國能源安全，推動國民經濟發(fā)展，推進“碳中和”、“碳達峰”等具有重要意義。

煤炭是古代植物的殘骸在漫長的地質過程中經過一系列的物理化學變化后形成的[2]，在此過程中，煤體中的有機質會分解成甲烷(CH4)等氣體，是礦井瓦斯的主要組成部分。瓦斯?jié)舛冗^高會令人窒息，同時又具有爆炸風險，嚴重危害井下的安全生產。

對于煤與瓦斯突出事故的發(fā)生機理，目前專家學者普遍提出的是“綜合作用假說”，認為煤與瓦斯突出或瓦斯突出是由地應力、瓦斯壓力及煤的力學性質等因素綜合作用的結果，而在井下進行煤炭生產、采掘活動會引起地應力和瓦斯壓力的變化。

地下的煤體相對封閉，且又是一種多微觀孔隙的結構，部分甲烷氣體會吸附在孔隙表面，賦存在煤體中，在礦井開采時受采動影響，煤體結構受到破壞，瓦斯壓力降低，吸附態(tài)的甲烷等氣體便會涌出，成為礦井瓦斯。當掘進工作面通風受到限制，瓦斯大量涌出后會造成安全隱患。為保證煤與瓦斯突出礦井煤巷工作面的安全掘進，以新元公司9106回風巷掘進工作面的地質資料為背景，分析煤層瓦斯含量與掘進工作面前方應力分布狀態(tài)之間的關系，提出“超前抽放+局部防突”的瓦斯抽采方案，并用鉆屑法進行效果檢驗。

1 瓦斯釋放與應力場的關系

煤體內瓦斯的涌出是個復雜的力學過程，受地應力場變化、瓦斯壓力變化以及煤層的物理力學性質等多種因素的綜合作用。其中，煤層的物理力學性質是煤層的固有屬性，在對煤層進行開采時難以改變，可以用作不同礦井間的對比研究。由于煤體在地下相對封閉和煤體多孔隙、裂隙的結構特點，使得煤體中的瓦斯氣體有兩種基本存在形態(tài)：游離態(tài)和吸附態(tài)。瓦斯壓力是游離態(tài)與吸附態(tài)相互轉化的關鍵所在。瓦斯壓力由游離態(tài)的瓦斯氣體提供，當瓦斯壓力增大時游離態(tài)瓦斯會向吸附態(tài)瓦斯轉化，瓦斯壓力減小時，吸附態(tài)瓦斯會補充游離態(tài)瓦斯。地應力會通過影響煤體的孔隙裂隙變化來間接影響瓦斯壓力，同時破壞煤體的原生結構，改變煤巖體的力學性質，更為關鍵的是，地應力的變化與采掘活動關系最為密切，采掘活動直接破壞了原有的應力平衡狀態(tài)。

巷道掘進過程，在掘進工作面前方，工作面剛開挖后的應力分布情況如圖1所示，工作面開挖一段時間后應力狀態(tài)趨于平衡時的地應力分布情況如圖2所示。當工作面開掘的瞬間，工作面的前方靠近工作面的一側，率先出現(xiàn)應力集中，過高的地應力會使得煤體發(fā)生變形，從而釋放能量，轉變?yōu)樾秹簬?，與此同時，應力集中區(qū)會向工作面前方轉移[3]。沿工作面向前，應力集中程度會逐漸增大，達到峰值后會逐漸降低恢復至原始應力狀態(tài)。煤體的狀態(tài)也是由塑性破壞狀態(tài)、極限平衡狀態(tài)變?yōu)樵紡椥誀顟B(tài)，而后隨著工作面的推進，地應力場也跟隨著移動，煤體不斷重復由原巖應力到極限平衡，由彈性到極限平衡再到塑性破壞的這一過程。

圖1 掘進工作面剛開挖后的應力分布圖

圖2 平衡后的應力分布與瓦斯壓力、滲透率的分布情況圖

如圖2所示，在極限平衡區(qū)的煤體由于應力增大，其孔隙、裂隙被壓實壓密到最小，瓦斯的滲透性降低，會對后方彈性區(qū)的瓦斯起到阻隔作用，同時也是瓦斯應力升高的區(qū)域。在卸壓區(qū)，煤體被破壞，且存在瓦斯氣體釋放的自由面，造成瓦斯的快速釋放。因此，瓦斯治理必須充分考慮掘進工作面煤體前方應力分布狀態(tài)。

2 掘進工作面煤體應力狀態(tài)變化的數(shù)值模擬

為進一步揭示掘進工作面前方的應力場分布規(guī)律，以3DEC數(shù)值模擬軟件對掘進工作面的開挖進行數(shù)值模擬研究。

借助3DEC建立數(shù)值計算模型，對巷道掘進進行模擬，巷道開挖后的垂向地應力分布如圖3所示。

圖3 煤巷開挖后的垂向地應力分布圖

從圖3中可以清晰地看出，在煤巷開挖一定距離后，沿工作面向前，煤巷上方的地應力先增大后減小而后逐漸恢復為原巖應力水平，峰值應力出現(xiàn)在距掘進頭30 m的位置，應力峰值為26.5 MPa。

3 瓦斯抽放的造穴卸壓技術

井下常用的解決瓦斯問題的方法是抽放[4]，抽放可以降低瓦斯壓力，同時又可以回收瓦斯作為能源利用。煤巷工作面作業(yè)之前需要將煤層瓦斯含量降低到安全范圍以內，因此，瓦斯抽放速率是限制工作面掘進速度的關鍵所在。

瓦斯抽放速率與煤體的瓦斯?jié)B透率、瓦斯壓力密切相關。瓦斯的滲透率與地應力等因素有關，但更是煤體所固有的物理性質。煤體是一種天然的多孔隙、裂隙的結構。Warrant和Root提出了Warrant-Root模型(煤孔隙、裂隙模型)，用以描述煤體的這種特殊結構[5]，煤孔隙、裂隙模型如圖4所示。

圖4 Warrant-Root模型示意

通過對現(xiàn)場所取煤樣的電鏡掃描，更加證實了煤體的微觀結構，可以簡單概述為遍布微觀裂隙、孔隙的結構[5]。煤體裂隙的電鏡掃描圖如圖5(a)所示，煤體孔隙的電鏡掃描成像如圖5(b)所示。

圖5 煤體的電鏡掃描結果圖

從煤層中抽取瓦斯，抽取速率與煤體的孔隙度密切相關，煤體中的孔隙、裂隙越發(fā)育，則瓦斯抽取效率越高。普通抽放鉆孔的有效抽放范圍有限，而造穴卸壓鉆孔則不同，在鉆孔打成后利用水力將孔壁裂隙進一步擴展，增加鉆孔周圍煤體的破碎程度，使得瓦斯的滲透率升高，同時擴大有效抽取半徑[6]。

在煤層巷道掘進后的地應力影響下，在應力集中區(qū)的煤體被壓實，孔隙度降低，瓦斯積聚，瓦斯應力升高。在鉆孔過程中進行水力擴孔，人為降低瓦斯壓力，同時增加煤體裂隙開度和延展長度，增強孔隙的連通性，可以極大地提高鉆孔的有效抽取半徑，造穴卸壓鉆孔有效抽取范圍，如圖6所示。

圖6 造穴卸壓鉆孔有效抽取范圍示意

4 現(xiàn)場應用

新元公司9106回風巷設計斷面為矩形，斷面毛尺寸為寬5.2 m、高3.5 m，凈尺寸為寬5.07 m、高3.3 m。

9106回風巷掘進工作面的原始瓦斯含量9.2 m3/t，為保證工作面安全掘進，根據(jù)巷道開挖后的應力分布規(guī)律，選用“造穴卸壓鉆孔+局部普通鉆孔”相結合的方式進行煤巷掘進工作面瓦斯治理。

用2個造穴卸壓鉆孔進行超前疏放，孔深120 m。鉆孔布置示意如圖7所示。水力造穴鉆孔施工期間，從25～120 m每間隔5 m造穴1次，造穴壓力20 MPa,每個造穴段出煤量不得小于0.7 t/m。

圖7 造穴卸壓鉆孔示意

在工作面密布35個局部防突鉆孔，孔深15 m，快速排放工作面前方塑性破壞區(qū)煤體中的瓦斯，鉆孔布置示意如圖8所示。正前布置15個排放孔，分3排布置，第一排距頂板往下0.5 m，排距0.8 m，每排5個孔，設計深度15 m，孔徑75 mm，兩幫各布置10個角度與深度不同的排放孔，保護巷道兩側5 m輪廓線，掘進過程中正前排放孔超前預留12.5 m。

5 效果檢驗

采用鉆屑法[7]對造穴卸壓鉆孔的效果及施工局部防突鉆孔后的瓦斯抽放效果進行檢驗。

首先對造穴卸壓鉆孔的抽放效果進行檢驗。在掘進工作面將前方長120 m、寬35 m的鉆孔有效覆蓋范圍劃分為一個評判單元，利用DGC型瓦斯含量測定裝置進行測定，檢驗結果顯示抽放后W=6.5 m3/t，較抽放前的9.2 m3/t相比明顯下降，抽放效果顯著，且鉆孔施工期間無噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象。

圖8 局部防突鉆孔示意

對局部防突鉆孔效果進行檢驗。在軟分層中部利用防突鉆施工3個驗證孔。中間鉆孔布置在工作面正中，深度10 m；左、右鉆孔距幫0.5 m，方位角18°，深度10 m，孔徑42 mm。鉆孔從2 m開始，每鉆進1 m測定1 m段的鉆屑量S，測定范圍2～10 m；每鉆進2 m，測定一次K1值，測定范圍2～10 m。抽放后鉆屑量由8.0 kg/m降低至5.0 kg/m，小于標準6.0 kg/m；K1由0.5 mL/(g·min1/2)降至0.2 mL/(g·min1/2)，小于標準0.4 mL/(g·min1/2)且無其他異常，無突出危險。同時較造穴工藝實施前，煤頭預抽時間由60 d縮短至45 d，治理效果顯著。

6 結 語

1) 在卸壓區(qū)，煤體較為破碎，孔隙裂隙增多，瓦斯?jié)B透率增加，瓦斯壓力減?。辉趹袇^(qū)，煤體裂隙、孔隙被壓實、壓密，瓦斯壓力升高。

2) 基于地應力分布規(guī)律及其對瓦斯壓力和瓦斯?jié)B透率的影響關系，提出“超前抽放+局部防突”的瓦斯治理方案，瓦斯抽采效果明顯，保證了掘進工作面的安全生產。