張明杰

(鶴壁煤業(yè)集團公司通風(fēng)部,河南鶴壁458010)

摘　要:總結(jié)了鶴壁十礦疊加采掘集中應(yīng)力影響下發(fā)生的3次煤與瓦斯突出特點,通過與其它多次突出的對比分析,指出了疊加集中應(yīng)力對煤與瓦斯突出的影響:在疊加集中應(yīng)力影響下煤與瓦斯突出的危險性、突出規(guī)模、突出頻度存在顯著增加趨勢。同時提出了在疊加采掘集中應(yīng)力影響下進行采掘活動需采取的防治煤與瓦斯突出措施。

關(guān)鍵詞:煤與瓦斯突出;疊加采掘集中應(yīng)力;突出原因;防治措施

中圖分類號:TD713　　　　文獻標(biāo)識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)05-0044-04

　　鶴壁礦區(qū)西依太行山新華夏系隆起帶,東鄰華北平原新華夏系沉降帶。礦區(qū)整體為一單斜構(gòu)造,區(qū)內(nèi)次一級構(gòu)造復(fù)雜,以斷層、褶曲為主。十礦位于礦區(qū)最南端,單水平上、下山開拓方式。井田內(nèi)唯一開采煤層為二1煤層,煤厚1.86~10.06 m,平均厚7.14 m,變異系數(shù)0.20,中下部含穩(wěn)定夾矸一層,平均厚度0.32 m。煤層的直接頂板一般為深灰色砂質(zhì)泥巖,厚0~19.7 m,平均厚度5.69 m。局部地區(qū)老頂直接壓煤。直接底板為深灰色—黑色砂質(zhì)泥巖和泥巖,一般厚0.7~17 m,平均厚度4.33 m。煤層走向大致近南北,傾向東,煤層傾角變化范圍20°~45°,一般為32°左右。井田內(nèi)有褶曲4個,斷層(斷距≥10 m)有24條,均為正斷層。

十礦井田內(nèi)煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯及構(gòu)造煤共同作用的結(jié)果,受地質(zhì)構(gòu)造控制,主要通過構(gòu)造煤的發(fā)育程度及分布范圍表現(xiàn)出來。井田內(nèi)斷層相互切割穿插較多,井田內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育非常明顯普遍,以層間滑動和斷層滑動2種方式出現(xiàn)。采用四類構(gòu)造煤分類法,在斷層附近及向、背斜軸部整個煤層都是Ⅲ、Ⅳ煤構(gòu)造煤且發(fā)育范圍較大。Ⅰ類(非構(gòu)造煤)至Ⅳ類煤的堅固性系數(shù)f為0.44~0.15。井田內(nèi)最大瓦斯壓力2.0 MPa,瓦斯含量約15 m3/t,瓦斯放散初速度最大值26。迄今為止,十礦共發(fā)生8次突出,以典型突出為主要方式。最大突出煤量264 t,最大突出瓦斯量11 900 m3,見表1。

1　疊加采掘集中應(yīng)力影響下突出基本情況

十礦發(fā)生的8次突出中有3次是在疊加采掘集中應(yīng)力影響下發(fā)生的,基本情況如下。

1.1　1113工作面補掘下順槽突出情況

1113工作面埋深-575~-505 m,走向長230m,傾斜長115 m。根據(jù)礦井突出危險性區(qū)域劃分,

屬突出危險區(qū)。在工作面中部發(fā)育斜交正斷層F1113-2,斷層最大落差6 m,在工作面終采線落差約4.5 m。工作面推進130 m后受斷層影響,回采困難,利用沿空留上風(fēng)巷的方法采完了斷層下降盤、走向長約100 m的長條工作面。為回采工作面上部,斷層上升盤的煤炭,決定沿斷層補掘下順槽,見圖

1。巷道斷面為梯形,“礦工”鋼支護。位于下降盤內(nèi)的巷道沿煤層頂板,過斷層后進入煤層底板,轉(zhuǎn)向掘進改造下順槽。巷道坡度約28°。防突措施采用超前排放鉆孔,防突措施效果檢驗采用q及△h2。

當(dāng)巷道已掘進29 m,進入斷層上升盤,沿煤層底板,準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向掘進改造下順槽時,測定效果檢驗參數(shù)q及△h2均不超標(biāo),施工人員開始架棚。在架棚過程中出現(xiàn)煤炮頻繁,瓦斯忽大忽小的突出預(yù)兆。

施工人員及時撤出后,發(fā)生了突出事故,改造下順槽被迫停止施工。

圖1　十礦1113工作面補掘下順槽示意圖

1.2　-575 m主巷突出情況

　　-575 m主巷是十礦水平大巷的一部分。根據(jù)設(shè)計,主巷南段在煤層底板,北段在煤層頂板,需揭煤才能貫通。為提前貫通,十礦采取了南北對掘施工。南段掘進到與煤層垂直距離5 m后停掘,等待北段揭煤貫通。北段嚴(yán)格采取揭煤措施,安全揭開煤層。在掘進到與南段相距15 m時,北段除下幫頂部還余高0.2 m,寬0.4 m,面積不到0.05 m2的三角煤外,已基本掘過煤層。施工人員按規(guī)定放炮,炮后約5 min,發(fā)生了突出事故。

1.3　1107工作面突出情況

十礦1107工作面埋深-381~-320 m,走向長340 m,傾斜長130 m。根據(jù)礦井突出危險性區(qū)域劃分,屬突出威脅區(qū)。在工作面北部發(fā)育兩條斜交正斷層F107-1、DF9。F107-1斷層最大落差5 m,在工作面內(nèi)部。DF9斷層最大落差16 m,在工作面北部為尖滅帶。工作面推進240 m后遇F107-1斷層影響,回采困難。利用沿空留上風(fēng)巷的方法,沿斷層帶向前推進40 m。為回采剩余的走向長60 m的下部工作面,決定從外切眼開口,沿斷層補掘上順槽,見圖2。

圖2十礦1107工作面補掘上順槽示意圖

巷道斷面為梯形,“礦工”鋼支護。沿煤層底板掘進。巷道坡度約8°~10°。防突措施采用超前排放鉆孔,防突措施效果檢驗采用q及△h2。因在斷層帶附近掘進,為有效防止突出,采用超前排放鉆孔,防突措施效果檢驗采用q及△h2。

　　當(dāng)巷道已掘進32 m,距采面切眼64 m,剩余超前排放鉆孔5 m時,測定措施效果檢驗參數(shù)q及△h2后,兩者均不超標(biāo),施工人員開始施工超前排放鉆孔。在打鉆過程中出現(xiàn)煤炮頻繁、頂煤掉渣的突出預(yù)兆。施工人員及時撤出后,發(fā)生了煤與瓦斯突出事故。事故后到現(xiàn)場觀察,突出煤量是從棚梁上部壓出。

2　疊加采掘集中應(yīng)力對突出的影響

2.1　疊加采掘集中應(yīng)力影響下煤與瓦斯突出特點煤與瓦斯突出的本質(zhì)是煤體變形潛能和瓦斯內(nèi)能的突然釋放。激發(fā)、發(fā)動突出的因素不同,突出的特點也存在相應(yīng)差別。因此,需對疊加采掘集中應(yīng)力影響下3次煤與瓦斯突出的特點認(rèn)真分析,為防治疊加集中應(yīng)力影響突出提供依據(jù)。

(1)增加了突出危險性。根據(jù)礦井突出危險性區(qū)域劃分,1107工作面屬突出威脅區(qū)。這一結(jié)論在采準(zhǔn)巷道的掘進過程中得到驗證。在該面上、下順槽、切眼、外切眼共1 200 m掘進過程中,只在構(gòu)造帶、部分產(chǎn)狀變化較大的上山掘進出現(xiàn)過突出預(yù)測(效檢)參數(shù)超限,采取防突措施后即可消除突出危險性。整個掘進過程中沒發(fā)生過一次突出事故,沒有明顯的突出預(yù)兆。但是,在補掘上順槽時,只掘進了32 m,除發(fā)生了突出事故外,還出現(xiàn)了一次q嚴(yán)重超限,達6.8 L/m3(臨界值為4.0 L/m3)。說明回采工作面超前集中應(yīng)力與掘進工作面的集中應(yīng)力疊加,增加了突出危險性。

(2)提高了突出級別。根據(jù)十礦突出情況統(tǒng)計,前5次突出沒有受到疊加采掘集中應(yīng)力影響,突出煤量2.5~57 t,平均為25.5 t,屬小型突出。而2次(第六次、第七次)受疊加采掘集中應(yīng)力影響的突出,突出煤量分別為264 t、245 t,屬次大型突出,分別是前5次平均突出煤量的10.3倍、9.6倍,最大突出煤量的4.6倍,4.3倍。突出級別提高了兩級。

值得注意的是,與1113工作面補掘下順槽突出地點相距只有22 m的一次突出,屬原始煤體煤巷掘進過程中突出,煤量只有21 t,兩者相差達12倍。

(3)改變了突出因素作用方式。在鶴壁礦區(qū),包括十礦,正常采掘集中應(yīng)力影響下的突出,尤其是典型突出,沒有一種因素占主導(dǎo)地位。這一點從突出瓦斯量與突出煤量的比值(以下稱噸煤突出瓦斯量),與噸煤瓦斯含量的比值可以證明。典型的突出,噸煤突出瓦斯量都達到噸煤瓦斯含量5倍以上,高的可達20倍。這時的瓦斯明顯地發(fā)揮著協(xié)助地應(yīng)力破壞煤體、搬運破碎的煤體作用。但是,兩次(第六次、第七次)受疊加采掘集中應(yīng)力影響的突出,噸煤突出瓦斯量與噸煤瓦斯含量的比分別為2.2、3.2,與壓出相當(dāng),說明瓦斯只發(fā)揮搬運破碎的煤體作用。

(4)改變了效檢指標(biāo)的測定結(jié)果。目前使用的預(yù)測或措施效果檢驗參數(shù)q及△h2通常適合原始煤體的突出危險性預(yù)測。從現(xiàn)場實際情況分析,受疊加采掘集中應(yīng)力影響,煤體集中應(yīng)力分布狀態(tài)相應(yīng)改變,卸壓帶內(nèi)煤體已發(fā)生擴容變形。吸附瓦斯已部分解吸成游離瓦斯,在采掘工作面達到之前已有部分涌出。測定參數(shù)q及△h2時,測定的都不是原始情況,而是偏低的值。三次受疊加采掘集中應(yīng)力影響的突出都是在參數(shù)不超限的情況下發(fā)生的。

因此,疊加采掘集中應(yīng)力改變了效檢指標(biāo)的測定結(jié)果。參數(shù)q及△h2在疊加采掘集中應(yīng)力影響下是否適應(yīng),如果適應(yīng)臨界值如何確定,還需要進一步研究。

2.2　疊加采掘集中應(yīng)力對突出因素的影響分析

采掘活動破壞了煤體的三維應(yīng)力狀態(tài),轉(zhuǎn)化為二維狀態(tài)。由此產(chǎn)生的采掘支承壓力引起煤體變形,產(chǎn)生潛能。煤體變形潛能、游離瓦斯內(nèi)能、頂?shù)装宓淖冃文艹蔀槊号c瓦斯突出的動力;煤體與煤層頂?shù)装宓哪Σ亮?、煤體內(nèi)部分層間粘結(jié)力、煤體強度成為突出的阻力。當(dāng)突出的總動力小于總阻力時,煤體處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)二者基本相等時煤體處于脆弱的平衡狀態(tài)。若總動力繼續(xù)增加,就可打破平衡,激發(fā)突出。下面重點分析疊加采掘集中應(yīng)力對煤體變形潛能、瓦斯內(nèi)能的影響,以及由此誘發(fā)的煤與瓦斯突出。

2.2.1　對煤體變形潛能的影響

處于單向應(yīng)力壓縮狀態(tài)下的煤體,彈性變形潛能可簡單表示為:

W=K2σ2/2E

式中　W———煤體的彈性變形潛能,MJ/m3;

　K———應(yīng)力集中系數(shù);

　σ———煤體承受的壓應(yīng)力;

　E———煤體的彈性模量。

在具體的采掘地區(qū),只有應(yīng)力集中系數(shù)是影響煤體彈性變形潛能的變量。采掘活動時將形成應(yīng)力集中,正常為原始應(yīng)力狀態(tài)的2~3倍;而疊加采掘集中應(yīng)力又在正常集中應(yīng)力的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加,可達原始應(yīng)力狀態(tài)的4~6倍。因此,受疊加采掘集中應(yīng)力影響,煤體的彈性變形潛能是正常變形潛能的4倍,原巖應(yīng)力狀態(tài)下16倍。

回采工作面的超前集中應(yīng)力可傳遞到工作面前方100 m甚至更遠(yuǎn),而受集中應(yīng)力影響嚴(yán)重的一般只在工作面前方約40 m的范圍內(nèi)。1113工作面補掘下順槽突出地點與前一次突出地點相距22 m,與采面相距35 m,兩者都是造成疊加采掘集中應(yīng)力的因素。

-575 m主巷是南段掘進到與煤層垂直距離5m后停掘時,已在掘進工作面周圍形成應(yīng)力集中帶,一般為巷道輪廓半徑的5倍,這里約為10 m。北段掘進到與南段相距15 m時,又在工作面周圍形成半徑約為10 m應(yīng)力集中帶。兩者相互疊加。此外,由于巷道基本都是巖石,而頂部以上是煤,裝藥量較大,崩落頂煤后空頂造成集中應(yīng)力進一步疊加。

2.2.2　對瓦斯內(nèi)能的影響

研究表明,瓦斯在參與突出的全過程中接近于絕熱狀態(tài),可用下式近似表示瓦斯內(nèi)能。

Wg=0.4V1(1.585p0.2-1)

式中　Wg———煤體中參與突出的瓦斯內(nèi)能,MJ/m3;

　V1———煤體中參與突出做功的瓦斯涌出量,2.4 m3/t;

　p———突出前煤層瓦斯壓力,MPa。

瓦斯含量決定瓦斯涌出量,瓦斯含量與瓦斯壓力的變化都將引起瓦斯內(nèi)能的變化,而瓦斯含量與瓦斯壓力是對數(shù)正比關(guān)系。因此,瓦斯內(nèi)能的變化以參與突出做功的瓦斯涌出量為主,煤層瓦斯壓力影響較小。

在疊加采掘集中應(yīng)力影響下,煤體集中應(yīng)力分布狀態(tài)相應(yīng)改變,卸壓帶內(nèi)煤體已發(fā)生擴容變形,吸附瓦斯解吸已部分解吸成游離瓦斯,在采掘工作面達到之前已有部分涌出,降低了煤層瓦斯壓力,同時降低了煤體中參與突出的瓦斯內(nèi)能。根據(jù)噸煤突出瓦斯量與噸煤瓦斯含量的比值約為典型突出的一半,可以大致認(rèn)為煤體中參與突出的瓦斯內(nèi)能也減少了一半。

2.2.3　對瓦斯突出的綜合影響

綜上所述,受疊加采掘集中應(yīng)力影響,煤體的彈性變形潛能將是正常變形潛能的4倍,煤體中參與突出的瓦斯內(nèi)能約減少了一半,是一增一減的關(guān)系。

研究表明,鶴壁礦區(qū)煤與瓦斯突出過程中煤體的彈性變形潛能約為釋放的瓦斯內(nèi)能的6~7倍。因此,受疊加采掘集中應(yīng)力影響,煤體的彈性變形潛能的增加量遠(yuǎn)大于煤體中參與突出的瓦斯內(nèi)能減少量,使突出的總動力迅速增加,遠(yuǎn)大于總阻力,快速破碎煤體,激發(fā)突出,造成突出級由小型上升到次大型。

1107工作面突出的突出煤量不大,原因在于補掘上順槽剛進入采面的應(yīng)力集中影響區(qū),還沒有進入嚴(yán)重應(yīng)力集中區(qū)。認(rèn)識到突出嚴(yán)重性后,礦方及時停止了改造上順槽的掘進。如果繼續(xù)掘進,突出的次數(shù),突出的級別都將上升。此類案例在國內(nèi)已多次報導(dǎo)。

需要說明,2004年1月十礦在補掘1113上順槽過程中沒有發(fā)生突出。補掘上順槽長約50 m,目的是避開F1113-2斷層影響,見圖1。分析其原因,有以下四方面:一是此段巷道為下山掘進,坡度約26°,煤體的自重成為突出阻力;二是掘進工作面存在較多的頂板水聚集,濕潤了煤體,增加了煤體的粘性和塑性,增加了突出阻力;三是因巷道較短,掘進前已有20個鉆孔與采面煤墻打透,使煤體進一步釋放,進一步失去了搬運煤體的能;四是只在巷道開口處于斷層帶,向下掘進離斷層越來越遠(yuǎn)。

3　防止疊加采掘集中應(yīng)力影響突出的措施根據(jù)上述分析結(jié)果,防止疊加采掘集中應(yīng)力影響突出需采取以下措施:

(1)盡可能避免疊加采掘集中應(yīng)力影響下的采掘活動。如果采面必需改造,應(yīng)在采面超前集中應(yīng)力影響到之前改造完畢。否則,應(yīng)調(diào)整采掘計劃,等到采掘集中應(yīng)力穩(wěn)定后再進行改造。

(2)對于工作量小的改造巷道,制定有針對性的綜合防突措施,努力增加突出的阻力,減少突出的動力,有效地防治突出。

(3)改造巷道應(yīng)避開構(gòu)造帶,目的是避開構(gòu)造軟煤和殘余構(gòu)造應(yīng)力。

(4)需要相向掘進貫通的巖巷,需提前有計劃地停止一個掘進工作面,使兩個掘進工作面的疊加集中應(yīng)力避開煤巷段。

參考文獻:

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〔3〕　錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制〔M〕.北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.

　　作者簡介:張明杰(1967-),男,河南平輿人,高級工程師,注冊安全工程師,全國煤炭生產(chǎn)許可證資格審查專家,1990年畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院,現(xiàn)任鶴壁煤業(yè)(集團)公司通風(fēng)部主任工程師,發(fā)表論文10多篇。