成庄煤矿区域瓦斯地质及瓦斯涌出特征与突出危险关系研究

和树栋

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引 言

以突出为主导的煤矿动力灾害严重威胁着煤矿日常安全生产与矿井的高产高效。煤与瓦斯突出是常见的矿井六大类灾害之一，国内外诸多专家学者开展了大量富有成效的基础机理研究工作。胡千庭[1]研究了炮掘工作面的瓦斯涌出规律，并结合煤矿井下实际运用瓦斯含量指标进行快速测定，达到了工作面突出危险性的预测预报。梁冰等[2]对地应力、瓦斯及煤体之间的相互作用所导致的突出进行了阐述，并提出了固流耦合理论。胡泊等[3]和黄政祥等[4]认为构造煤、软煤的物理力学特性为瓦斯高效贮存、快速解吸释放提供了条件，是灾害由孕育、潜存直至发生发展的链式演化的基础。国外一些研究机构在大量实践的基础上也确定了适合自身需求的突出预测指标，如解吸速率、解吸量等[5]。相关研究机构在此方面开展的仪器设备研制成果也非常多，国内科研机构沈阳煤科院、重庆煤科院更是依靠自身优势长期攻关，研制了用于测定突出参数的成套系列设备[6]。

瓦斯涌出特征在井下采掘空间内、实验室环境、数值模拟三个不同分析条件下的表征是极为相似的，本文正是基于瓦斯涌出特征在三种条件下的相似表征，从区域宏观瓦斯地质特征分析入手，再结合实验分析、数值模拟的方法，从微观角度深入发掘了煤体结构、瓦斯赋存对瓦斯涌出的影响，并最终得到了与突出危险之间的关系。

1 井田区域瓦斯地质分析

山西晋城成庄煤矿位于沁水煤田南翼，井田内小断层较为发育。 近年来随着矿井开采水平向深部的逐渐转移，由此带来的煤层瓦斯赋存条件变差，3号煤层瓦斯含量增长梯度为每百米2.04 m3/t，潜在的突出灾害危险日渐增大。为了更好地研究瓦斯涌出特征与突出危险性之间的关系，应首先从宏观上对成庄煤矿及周边区域瓦斯地质背景、瓦斯动力灾害特征进行总结、分析。

1.1 井田区域地质构造分布

成庄煤矿所在山西晋城矿区构造分布纲要图如图1所示。结合以往地质探测结果，分析认为该矿井田范围内3号煤层瓦斯赋存主要受到背斜、向斜等地质构造带的逐级控制。井田内地发育着轴向多为北西-南东向褶曲构造，使地层呈波状起伏。断层走向多为北东向，倾向多为北西，所见断层最大落差均未超过22 m，落差小于5 m的断层和小型陷落柱较为发育。井田北部及中部褶曲构造较集中，煤层埋藏深度大，且与其他地质构造交互影响，造成此区域内瓦斯含量逐步过渡到12 m3/t以上，明显高于井田南部，给矿方瓦斯防治从人员配备、防治装备、钻孔工程等方面提出了更高的要求。井田范围内的瓦斯整体赋存情况与邻近区域的瓦斯赋存情况基本一致，主要原因在于区域地质构造所带来的逐级控制效果，矿井范围内乃至区域范围内煤层的开采深度在增加，瓦斯赋存条件在恶化，由此带来的突出风险相应的增大。

图1 山西晋城矿区构造纲要图Fig.1 Structural outline of Jincheng mining area ofShanxi province

1.2 井田瓦斯动力现象特征

在区域瓦斯地质背景分析的基础上，对山西晋城成庄煤矿矿区及周边邻近区域内发生的有资料记载的煤矿井下煤与瓦斯突出事故或者动力现象进行收集整理，通过分析资料内容从宏观层面定性确定导致瓦斯事故或者动力现象发生的主控因素。山西晋城成庄煤矿矿区及周边邻近区域内发生的有资料记载的煤矿井下瓦斯动力现象情况统计见表1。

通过对表1事故统计情况的分析，得到该区域瓦斯动力灾害具备以下特征：①区域内瓦斯动力灾害类型以突出为主，其他类型伴以动力现象或者突出征兆显现；②区域内瓦斯动力现象绝大多数受断层、褶曲等地质构造的控制作用影响，仅有一处是受软煤分层单独作用；③区域内瓦斯动力现象多发生在掘进工作面，作业环节为割煤、放炮时极易形成扰动诱发的情况发生；④区域内瓦斯动力现象的发生绝大多数是由于地质构造的存在所造成的煤体结构异常以及瓦斯赋存变化而导致。

表1 成庄矿区及周边邻近区域瓦斯动力现象情况Table 1 Gas dynamic phenomena in adjacent areas

通过对区域内瓦斯地质特征的分析，可以确定该区域内煤体结构(构造软媒)、瓦斯赋存(含量、压力)是影响瓦斯动力灾害发生的主控因素。地质构造带附近煤体结构已发生改变，地质构造形成的密闭空间更容易贮存高压瓦斯，因此该区域内瓦斯动力灾害多与其相关。宏观层面的溯源分析为后续实验分析、数值模拟明确了分析对象，也能够为区域煤矿瓦斯灾害隐患排查及灾害防控确定重点关注对象。

2 瓦斯解吸特征与突出危险关系实验研究

瓦斯解吸特征在井下采掘空间内、实验室环境下的表征是极为相似的，剥落煤体解吸总量、解吸速度影响到井下采掘空间瓦斯的释放，甚至直接导致瓦斯超限等事故的发生[7-8]。实验室条件下对瓦斯解吸特征与突出危险的关系研究过程中，煤体结构因素的影响主要通过采集同一位置软煤、硬煤进行区分；瓦斯赋存因素的影响主要是通过吸附平衡压力的大小进行体现。

2.1 煤体结构对瓦斯解吸特征的影响

按照实验相关标准要求，在成庄煤矿井下同一位置采取软煤、硬煤，实验室筛分获得0.20～0.25 mm试验煤样，分别在2.00 MPa和1.50 MPa压力下进行吸附，达到吸附平衡后将煤样做解吸扩散实验，记录30 min解吸过程数据，拟合得到实验结果曲线如图2和图3所示。

图2 30 min瓦斯解吸曲线(吸附压力2.00 MPa)Fig.2 30 min gas desorption curve(adsorptionpressure 2.00 MPa)

图3 30 min瓦斯解吸曲线(吸附压力1.50 MPa)Fig.3 30 min gas desorption curve(adsorptionpressure 1.50 MPa)

分析实验结果可得到：①在特定吸附平衡压力条件下，软煤初始阶段的解吸速度、解吸量都要大于同期硬煤的解吸速度、解吸量，但是两者的解吸总量是趋于一致的；②相同煤体结构的煤样解吸的瓦斯总量随吸附平衡压力增大而增大。

2.2 瓦斯压力对瓦斯解吸特征的影响

实验室条件下重新选取粒径在0.25～0.50 mm之间的煤样进行吸附解吸实验，煤样的吸附平衡压力分别为0.50 MPa、1.00 MPa、1.50 MPa、2.00 MPa，同样记录煤样30 min内解吸数据并进行拟合，得到煤样不同吸附平衡压力时的解吸量与时间的关系如图4所示。

图4 不同吸附平衡压力时煤样30 min解吸量Fig.4 30 min desorption capacity of coal sample underdifferent adsorption equilibrium pressure

分析实验数据得到以下几点规律：①吸附平衡压力越大，煤样的瓦斯解吸量就越大，两者满足正相关的乘幂关系；②吸附平衡压力不同时，煤样解吸曲线前10 min的斜率要大于后20 min曲线斜率，表明前期解吸速度快，且前10 min解吸量占解吸全过程总量的53.6%。

结合实验分析结果，类比推广到煤矿井下采掘空间内，煤体结构的变化、瓦斯赋存的变化对采掘空间瓦斯涌出也将会呈现同样的规律，两者直接影响采掘空间瓦斯量、瓦斯浓度的大小，甚至是导致瓦斯超限等事故的发生。

3 瓦斯涌出量特征与突出危险性关系模拟研究

3.1 模拟简介

煤岩体中瓦斯的运移属于流固耦合的多场研究范畴，研究选用COMSOL-Multiphysics是可有效求解流固耦合的多场问题[9-10]。为进一步完善并验证研究成果，以晋城成庄煤矿掘进工作面实际参数为实例，采用数值模拟的方法对煤体结构(软分层厚度)、瓦斯赋存(瓦斯压力)两个因素互相组合的12种工况下的瓦斯涌出量进行分析。

3.2 模型的建立

模拟选取煤体内瓦斯流动的固-气耦合模型进行研究，采用二维模型运算求解达到简化模型、提高运算效率的目的。 模型边界条件设置、网格自由划分如图5和图6所示，求解模型所用部分参数见表2。

表2 模型部分参数Table 2 Parameters of the model

图5 边界条件设置图Fig.5 Boundary condition setting

图6 网格自由化划分Fig.6 Mesh liberalization

3.3 模拟结果分析

模拟选取三组瓦斯压力(分别为0.50 MPa、0.74 MPa、0.90 MPa)与四组软分层厚度(分别为0.1 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m)并在特定掘进速度下获取对应工况4个月的瓦斯涌出量，不同模拟工况下瓦斯涌出量结果如图7所示。

图7 不同模拟工况下瓦斯涌出量模拟结果Fig.7 Simulation results of gas emission underdifferent simulation conditions

分析模拟数据得到以下几点规律：①瓦斯压力对掘进过程中瓦斯涌出量的影响是绝对的，瓦斯压力越大，巷道空间瓦斯涌出量就越大，其对软分层造成的分化程度也越明显；②瓦斯压力相同时，单纯的软分层对涌出量的影响不明显，但同样存在涌出量随着软分层厚度增大而增大的现象；③整个模拟过程中，瓦斯涌出量与掘进时间均呈现正相关的乘幂关系，即(均为常数，且b<1)，与实验分析结果一致。

数值模拟真实还原了煤矿井下掘进工作面煤体结构、瓦斯赋存变化对采掘空间内瓦斯涌出量的影响，模拟结果与实验分析结果一致。煤体结构的变化、瓦斯赋存的变化直接影响采掘空间瓦斯量、瓦斯浓度的大小，甚至是导致瓦斯超限等事故的发生，进而带来的突出危险性增大。

4 结 论

1) 在宏观层面区域瓦斯地质特征分析的基础上，定性分析确定了煤体结构、瓦斯赋存是影响区域内瓦斯动力灾害发生的主控因素。

2) 实验结果表明：在特定吸附平衡压力条件下，软煤初始阶段的解吸速度、解吸量都要大于同期硬煤的解吸速度、解吸量，但是两者的解吸总量是趋于一致的；相同煤体结构的煤样解吸的瓦斯总量随吸附平衡压力增大而增大。

3) 模拟结果表明：瓦斯压力对掘进过程中瓦斯涌出量的影响是绝对的，瓦斯压力越大，巷道空间瓦斯涌出量就越大；瓦斯压力相同时，瓦斯涌出量随着软分层厚度增大而增大。

煤体结构、瓦斯赋存对煤矿井下瓦斯涌出的影响是直接的， 煤炭企业在组织井下生产时要重点关注由

两者及其伴生而来的安全隐患。本文的研究思路与结果能够对成庄煤矿井下日常瓦斯灾害隐患及灾害防控起到积极作用，更能够对采用瓦斯涌出特征进行突出危险性预测预报的研究起到指导作用。