劉淑紅，侯建軍，李美晨，楊治國，

(1.新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450007；2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 101601；3.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

受山地壓力、孔隙、裂隙等因素影響的煤巖沖擊性、滲透率，對煤層氣賦存，煤層氣開發(fā)利用，煤炭資源安全開采具有重要意義。山地壓覆作用對煤層受力特征、滲透率的影響鮮有研究。煤層受力是表征山地壓力大小重要參數(shù)，滲透率是表征瓦斯在煤巖體中流動能力的重要參數(shù)。山地壓力越大，對煤層受力越大，煤巖層滲透率越低，瓦斯流動能力越差。煤巖沖擊、滲透率變化與其應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)[1-3]。在彈性變形階段，隨著壓力增加，沖擊性增強(qiáng)、滲透率一般會出現(xiàn)降低現(xiàn)象[4-6]，煤層沖擊地壓增強(qiáng)、阻礙著瓦斯的流動[7-9]。

在山地地形條件下，地表標(biāo)高經(jīng)常發(fā)生劇烈變化，致使煤層的埋深發(fā)生劇烈變化。同一層煤，其埋深、應(yīng)力、滲透率同時發(fā)生變化，使得煤層沖擊地壓、瓦斯賦存表現(xiàn)出較大差別[10-12]。這種差異會在工作面回采期間能量事件大??；煤層瓦斯含量和煤巷掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)瓦斯涌出量中明顯地體現(xiàn)出來[13-16]。受山地地形的影響，煤層瓦斯壓力及滲透率復(fù)雜多變[17-20]，嚴(yán)重威脅礦山安全、高效開采。目前對該現(xiàn)象研究較少，需要進(jìn)行分析研究。鑒于此，筆者基于現(xiàn)場統(tǒng)計、理論分析和工程試驗(yàn)，研究了山地壓覆煤層沖擊地壓、滲透率變化規(guī)律、瓦斯富集規(guī)律、采掘過程中瓦斯涌出規(guī)律及沖擊地壓與瓦斯協(xié)同防治技術(shù)[21]。

1 工程背景

1.1 山地壓覆煤層瓦斯涌出

寬溝煤礦為高瓦斯礦井，井田范圍內(nèi)有一起伏較為平緩的北北東向向斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)地層出露較好，斷裂構(gòu)造不太發(fā)育；該礦地貌為山地，地表標(biāo)高為+1670～+1440 m，最大相對高差230 m。該礦掘進(jìn)期間絕對瓦斯涌出量如圖1所示。隨著工作面的掘進(jìn)，工作面瓦斯涌出極不均衡，主要表現(xiàn)為：①區(qū)域一，地表標(biāo)高由1540 m增加到1550 m時，絕對瓦斯涌出量表現(xiàn)出增大現(xiàn)象；區(qū)域二，地表標(biāo)高逐漸由1550 m增大到1570 m，絕對瓦斯涌出量也漸進(jìn)增大；區(qū)域三，工作面標(biāo)高保持在1570 m，埋深達(dá)到最大值，相應(yīng)的絕對瓦斯涌出量也保持大值；區(qū)域四，地表標(biāo)高迅速下降，絕對瓦斯涌出量也表現(xiàn)出同樣趨勢。②絕對瓦斯涌出量平均值為2.82 m3/min，區(qū)域一絕對瓦斯涌出量為1.17 m3/min，相應(yīng)的區(qū)域二為3 m3/min，區(qū)域三為3.3 m3/min，區(qū)域四為2.3 m3/min，其與埋深變化表現(xiàn)出較好的一致性。

圖1 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間絕對瓦斯涌出量變化曲線

分析可知，沿巷道走向，煤層瓦斯賦存表現(xiàn)出顯著的非均衡現(xiàn)象，山地誘發(fā)埋深變化是影響該工作面瓦斯異常涌出的主要因素。

1.2 山地壓覆煤層沖擊地壓與瓦斯涌出關(guān)系

為確保研究的可靠性，針對工作面瓦斯涌出量與沖擊地壓能量之間映射規(guī)律的研究，將工作面的日推進(jìn)進(jìn)尺L定義為自變量x，工作面監(jiān)測的沖擊地壓能量E定義為自變量y，工作面瓦斯涌出量Q定義為因變量z。而后，在大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)的擬合，獲得瓦斯涌出量Q與日推進(jìn)度L、沖擊地壓日總能量E之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，表明山地壓覆煤層沖擊地壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出關(guān)系，為進(jìn)一步研究山地壓覆條件下沖擊地壓顯現(xiàn)是否與該條件下瓦斯賦存存在正相關(guān)關(guān)系?；A(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，擬合關(guān)系如圖2所示。

表1 測試數(shù)據(jù)匯總

圖2 瓦斯涌出量擬合關(guān)系

由圖2可知，隨著自變量x在0～14 m之間和自變量y在0～3×105J之間變化，因變量z在4～14 m3/min之間變化；說明在工作面開采推進(jìn)的過程中，由于高強(qiáng)度開采，以及山地壓覆作用，其工作面區(qū)域的沖擊地壓日總能量增加的同時，工作面瓦斯涌出量也隨之增加；瓦斯涌出量Q與日推進(jìn)度L、沖擊地壓日總能量E之間較好的服從函數(shù)關(guān)系：

Q=6.90681-0.17987L+1.30546×10-6E+

0.02309L2-2.5443×10-11E2+1.79328×10-6L×E

(1)

式中，Q為工作面瓦斯涌出量，m3/min；L為工作面的日推進(jìn)進(jìn)尺，m；E為工作面監(jiān)測的沖擊地壓能量，J。

2 山地壓覆煤層力學(xué)模型

2.1 力學(xué)模型的建立

采礦工程中，和覆巖厚度相比，煤層厚度極薄，可以簡化為梁。為了研究山地壓覆煤層的相關(guān)特征，建立單一山峰作用下的力學(xué)模型，將煤層簡化為無限長梁。具體模型及受力分析如圖3所示。需要說明的是：①山峰外其他上覆巖層自重等效為均布載荷q=γh，γ為巖體容重，h為煤層至地表距離；②將山峰對煤層的作用等效為一梯形分布載荷m=bx+c+γh，其中b為斜率，c+γh為O點(diǎn)處上覆巖層和山的重力；③不考慮構(gòu)造應(yīng)力作用。

圖3 山地壓覆煤層力學(xué)模型概化

2.2 力學(xué)模型理論解

設(shè)梁的寬度為1，建立直角坐標(biāo)系如圖2所示，根據(jù)Winkler彈性地基梁理論，該模型撓曲線可以用式(2)表示[14]。

w=eax(Acosax+Bsinax)+e-ax(Ccosax+

Dsinax)+w0(x)

(2)

式中：e為自然對數(shù)底；a為特征系數(shù)且a4=K/4EI，K為地基剛度，EI為抗彎截面剛度；A、B、C和D為待求系數(shù)；w0(x)為方程的特解。

該模型為軸對稱模型，僅對模型w軸右側(cè)部分進(jìn)行研究，煤層受力可用分段函數(shù)為：

取任意微段dx，由力學(xué)平衡關(guān)系可知，該模型撓度微分方程如下：

式(4)為四階常系數(shù)非齊次線性微分方程，其解由齊次方程的通解和非齊次方程的特解組成。式(4)的非齊次項(xiàng)有兩項(xiàng)，可分別求解該式右端第一項(xiàng)特解w01(x)和第二項(xiàng)特解w02(x)，然后利用疊加原理求得w0(x)。求得w01(x)和w02(x)見式(5)，w0(x)為w01(x)與w02(x)之和。

因此煤層撓度方程可以表示為：

w=eax(Acosax+Bsinax)+e-ax(Ccosax+

煤層所受名義應(yīng)力：

σ=Kw

(7)

將式(7)代入式(6)可得：

σ=K[eax(Acosax+Bsinax)+e-ax(Ccosax+

Dsinax)]+bx+c+γH

(8)

式(8)為含名義應(yīng)力、瓦斯壓力及滲透率的方程。與其他研究成果相比，式(8)消除了未知變量有效應(yīng)力的影響，而直接采用名義應(yīng)力作為變量。且綜合考慮了多孔介質(zhì)基質(zhì)收縮效應(yīng)和有效應(yīng)力對滲透率的影響機(jī)制，具有一定實(shí)用價值。

3 山地壓覆煤層沖擊地壓顯現(xiàn)與瓦斯賦存規(guī)律

3.1 沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律

3.1.1 山地壓覆煤層應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)上述力學(xué)研究，下面采用算例分析方法研究山地壓覆煤層名義應(yīng)力特征。煤層厚度取8 m，煤層彈性模量E=3.38 GPa，則EI=144.21×109N·m2；煤系地基剛度K在0.25～1.00 GPa之間，此處取K=0.5 GPa；l=50 m；巖層容重取γ=20 kN/m3，煤層埋深取h=260 m，則γh=5.2 MPa，c=7.2 MPa，b=-0.1。根據(jù)上述取值及式(8)，研究山地壓覆條件下煤層受力特征。

不同均布載荷γh和不同參數(shù)c時煤層所受名義應(yīng)力曲線如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：①山地壓覆條件下，煤層所受名義應(yīng)力呈現(xiàn)出顯著非線性特征，這直接導(dǎo)致相同標(biāo)高處煤層受力不均；②相同均布載荷γh條件下，隨著參數(shù)c的數(shù)值的增大，煤層所受名義應(yīng)力不斷增加，且c的數(shù)值越大，非線性程度越明顯；③相同參數(shù)c條件下，隨著均布載荷γh的增加，煤層受沖擊力等比例地增大；④原點(diǎn)位置出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象。與原點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中程度越低。應(yīng)力集中現(xiàn)象一直延續(xù)到山峰影響邊緣。

圖4 不同均布載荷條件下煤層所受名義應(yīng)力變化曲線

圖5 不同峰值載荷條件下煤層所受名義應(yīng)力變化曲線

3.1.2 山地壓覆煤層沖擊地壓顯現(xiàn)異常分布規(guī)律

根據(jù)井上下對照，將山地壓覆區(qū)域作用下的工作面區(qū)域劃分如圖6所示。山地壓覆區(qū)域2018年2月21日至2019年12月26日期間工作面頂板的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。該時段內(nèi)，共監(jiān)測到331個圍巖自發(fā)事件。通過對這些微震事件的分布進(jìn)行分析，了解山地壓覆區(qū)域工作面頂板破斷及活動情況。

圖6 山地壓覆區(qū)域

圖7 I010202工作面微震事件活動分布

根據(jù)工作面微震事件的分布情況可以觀察到，在山地壓覆工作面的中部區(qū)域上部直接頂(老頂)巖層發(fā)生的活動頻率較其他區(qū)域更加頻繁。表明山地壓覆工作面上部和中部的煤層沖擊地壓比其他區(qū)域更為強(qiáng)烈。隨著巖層破裂的進(jìn)展，工作面下部區(qū)域的頂板逐漸發(fā)生斷裂。而上部區(qū)域的破裂主要集中在煤層中，表明工作面上部的山地壓覆壓力較下部更加巨大。通過分析每天微震事件發(fā)生起數(shù)及其能量可知，山地壓覆下工藝巷的堅硬頂板事件呈現(xiàn)增多的趨勢。這是由于工作面不斷推進(jìn)，在山地壓覆的影響下，頂板發(fā)生斷裂，并出現(xiàn)了移動和滑落的現(xiàn)象，對煤礦安全構(gòu)成潛在威脅，因此需要加強(qiáng)對山地壓覆下工藝巷頂板穩(wěn)定性的監(jiān)測和防護(hù)措施。

3.2 山地壓覆煤層瓦斯富集規(guī)律

3.2.1 山地壓覆煤層滲透率變化規(guī)律

根據(jù)式(8)，參數(shù)EI、K、l按第3.1節(jié)取值，隨著距O點(diǎn)不同距離x的變化，當(dāng)參數(shù)c取不同值時，其煤層的滲透率是有變化的，取孔隙度φ0=1.5%，初始瓦斯壓力P0=1 MPa，孔隙壓縮系數(shù)cφ=0.5×10-3MPa-1，令γh=5 MPa，P=3 MPa，當(dāng)c分別取值7、10和15 MPa時，繪制出不同c值情況下隨距距O點(diǎn)不同距離x處滲透率的變化曲線，如圖8所示。

中小型民營企業(yè)保密資格認(rèn)證“突擊過關(guān)”的現(xiàn)象比較突出。保密工作基礎(chǔ)薄弱，保密管理體系不夠完善，保密管理制度照搬照抄傳統(tǒng)軍工企業(yè)的現(xiàn)象比較普遍，在定密范圍控制、涉密人員與涉密載體管理、計算機(jī)信息系統(tǒng)管理和通信與辦公自動化設(shè)備管理上往往漏洞很多。

圖8 不同c值條件下k/u值變化曲線

由圖8可知：①煤層滲透率與名義應(yīng)力變化趨勢呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，隨著名義應(yīng)力的增加，滲透率顯著降低；②參數(shù)c值越大，與O點(diǎn)相同距離條件下煤層滲透率越小，瓦斯流動和釋放難度越大；③O點(diǎn)處滲透率達(dá)到最小值，隨著遠(yuǎn)離O點(diǎn)，滲透率逐漸增大。

針對煤巖滲透率對瓦斯流動的控制作用、滲透率與煤巖應(yīng)力應(yīng)變的協(xié)同關(guān)系、滲透率與埋深的正相關(guān)關(guān)系、埋深與瓦斯含量的正相關(guān)關(guān)系，滲透率與瓦斯含量的正相關(guān)關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測作了大量研究，取得了系列有益成果。

本文采用力學(xué)分析方法，研究了山地壓覆煤層的受力特征，分析了特殊受力環(huán)境對滲透率的影響。結(jié)果表明，山地壓覆下煤層的埋深、應(yīng)力、滲透率均發(fā)生了顯著變化，必然導(dǎo)致煤層沖擊地壓、瓦斯含量變化，下面采用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)證明。

3.2.2 山地壓覆煤層瓦斯富集規(guī)律

寬溝煤礦為高瓦斯礦井，該礦煤層賦存于山地之下，地表標(biāo)高+1440～+1670 m，最大相對高差230 m。

該礦E1122工作面采用走向長壁采煤法進(jìn)行回采，工作面走向長度975 m，傾向長度210 m，傾角23°?；仫L(fēng)巷底板標(biāo)高1240 m，掘進(jìn)期間未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造，掘進(jìn)前未對賦存于煤層中的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。沿回風(fēng)巷走向每50 m布設(shè)瓦斯含量測定鉆孔一個，取樣深度為70 m，共布設(shè)鉆孔19個，統(tǒng)計煤層瓦斯含量如圖9所示。

圖9 瓦斯含量隨地面標(biāo)高變化規(guī)律

根據(jù)上述分析可知，受山地壓覆影響，煤層瓦斯含量表現(xiàn)出與埋深、地表標(biāo)高變化一致的特征。

其機(jī)理為在山地壓覆作用下，同一煤層受力和滲透率均表現(xiàn)出較大變化。

4 山地壓覆煤層災(zāi)害治理

4.1 采前區(qū)域?yàn)?zāi)害協(xié)同治理技術(shù)

根據(jù)寬溝煤礦的實(shí)際情況，在進(jìn)行開采設(shè)計時，采取了“一面三巷布置”的方式。這種布置方式包括運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和工藝巷，這三條巷道都是沿著煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)。同時，工藝巷則是沿著煤層走向布置的。這樣的布置方式是綜合考慮了工作面通風(fēng)、沖擊地壓和瓦斯治理措施的實(shí)施，以確保在采煤過程中安全高效地進(jìn)行工作。在進(jìn)行工作面回采之前，首先對工作面山地壓覆區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)的防治措施。根據(jù)以往治理技術(shù)，對于劃定的山地壓覆煤層區(qū)域，為了在回風(fēng)巷下幫、工藝巷兩幫以及運(yùn)輸巷上幫的施工中有效處理瓦斯壓力，采取了大直徑卸壓(瓦斯排放)鉆孔的技術(shù)措施。這種方法是在這些位置每隔1 m布置一個鉆孔，并將鉆孔的深度控制在20～25 m之間，孔徑為153 mm。對于劃定的非山地壓覆區(qū)域，鉆孔間距可以加大至2 m。為了考慮煤層瓦斯抽采半徑，在運(yùn)輸巷及工藝巷的上幫進(jìn)行了上行順層預(yù)抽鉆孔。對于山地壓覆區(qū)域，預(yù)抽鉆孔每隔6.5 m布置1個，孔深為80 m，孔徑為94 mm。而在其他區(qū)域，預(yù)抽鉆孔的間距可以加大至8 m。通過這樣的施工安排，有效地控制了煤層瓦斯的抽采，提高了煤礦的安全生產(chǎn)水平。采前區(qū)域治理鉆孔布置如圖10所示。將工作面回采前大面積煤體卸壓(排放)及瓦斯預(yù)抽，作為I010202綜放工作面回采前沖擊地壓與瓦斯災(zāi)害區(qū)域治理的主要措施。工作面卸壓、抽采達(dá)標(biāo)后，工作面方可安全回采。

圖10 大孔徑卸壓鉆孔結(jié)合小孔徑抽采鉆孔布置

4.2 回采期間協(xié)同治理技術(shù)

工作面回采過程中，對山地壓覆煤層區(qū)域頂板進(jìn)行弱化處理，根據(jù)目前成熟技術(shù)及現(xiàn)場條件，采用超前預(yù)裂爆破弱化頂板，釋放該區(qū)域地層應(yīng)力。在工作面的運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和工藝巷內(nèi)，按照扇形布置方式，每隔10 m布置一組頂板爆破孔。每組中包含3～5個孔，爆破孔的孔徑為94 mm，深度在33～58 m之間，裝藥量為55～58 kg。封孔長度為孔深的25%～30%，以達(dá)到有效地處理頂板壓力的目的。針對工藝巷，采取了傾向高位鉆孔的措施。每隔50 m布置一組，每組中有3個鉆孔。主要用于攔截采空區(qū)下部的補(bǔ)給瓦斯，以確保瓦斯不會大量積聚在工作面附近。在回風(fēng)巷切頂線以里10 m，每隔5 m布置2個高位鉆孔，用于抽采上隅角瓦斯，高位鉆孔的終孔層位距離煤層底板在25～35 m。通過這樣的布置，形成了“頂板超前預(yù)裂+長、短高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)協(xié)同治理模式”。高位鉆孔的布置如圖11所示。

圖11 長、短距離高位鉆孔布置

4.3 治理效果

在山地壓覆煤層區(qū)域采取沖擊地壓與瓦斯協(xié)同防治技術(shù)，工作面沖擊地壓及瓦斯災(zāi)害得到有效管控，如圖12、圖13所示。該區(qū)域微震事件相對無措施之間減少70%以上，無明顯的沖擊地壓現(xiàn)象，瓦斯涌出明顯降低，工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛炔怀^0.50%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀^0.22%。

圖12 展開措施后I010202工作面微震事件活動分布剖面

圖13 工作面回采期間瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

5 結(jié) 語

1)基于理論分析，對山地壓覆煤層力學(xué)模型進(jìn)行了概化，結(jié)合材料力學(xué)及Winkler彈性地基梁理論對該模型進(jìn)行了分析，得出了名義應(yīng)力理論解，得到了以名義應(yīng)力、瓦斯壓力為變量的滲透率理論解。

2)采用算例分析的方法，研究了山地壓覆煤層受力特征和滲透率變化規(guī)律。結(jié)果表明：山地壓覆條件下，煤層沖擊地壓、滲透率變化規(guī)律與埋深、地表標(biāo)高變化表現(xiàn)出顯著的一致性。

3)通過對山地壓覆煤層沖擊地壓顯現(xiàn)與瓦斯賦存規(guī)律的研究，得出山地壓覆條件下，地表標(biāo)高、煤層埋深、煤層沖擊地壓、滲透率表現(xiàn)出顯著的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，且煤層滲透率、煤層受力特征協(xié)同控制著煤層沖擊地壓、初始瓦斯含量?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，山地壓覆煤層沖擊地壓、初始瓦斯含量與地表標(biāo)高、埋深表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，煤巷掘進(jìn)、工作面回采期間絕對瓦斯涌出量表現(xiàn)出了相同特征。

4)基于現(xiàn)場工程應(yīng)用，對山地壓覆煤層沖擊地壓、瓦斯異常區(qū)域采取大孔徑卸壓鉆孔結(jié)合小孔徑抽采鉆孔超前卸壓和預(yù)抽，協(xié)同長、短距離高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，在工作面回采期間，無瓦斯異常涌出現(xiàn)象，上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.50%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊陀?.22%。此外，工作面未發(fā)生6次方級別以上的大能量微震事件，有效地解決了煤層沖擊地壓和瓦斯涌出異常的問題，確保了工作面的安全回采。