舒龙勇1,2,3，齐庆新1,3，王 凯2，雷 杨4，侯金玲1,3
(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083; 3.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013; 4.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏 徐州 221116)
摘 要:由于煤矿深部煤岩体物性、应力、瓦斯等因素显著改变，出现了应力主导型突出、低瓦斯压力突出等新的灾害特征。为了更好地指导煤矿深部突出防治工作，基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论，结合所建立的易突出构造煤体渗透率演化理论模型，揭示了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理。研究表明:煤与瓦斯突出灾害防控的核心是高效抽采瓦斯，其关键是设法降低地应力;降低易突出构造煤体所受地应力大小，可起到降低弹性潜能、提升煤层渗透率、促进瓦斯高效抽采、降低瓦斯内能等多重效应;煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害防控应因地施策，从卸荷消能和煤岩介质属性改造两方面着手，重点区域在采用卸压增透和瓦斯抽采措施后，还可采取一些提高煤体强度、抑制瓦斯解吸等改性措施，确保煤矿深部采掘作业的安全。
关键词:煤矿深部开采;煤与瓦斯突出;煤岩介质属性改造;卸荷消能;协同防突;抽采瓦斯
中图分类号:TD771
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-3023-10
SHU Longyong1,2,3,QI Qingxin1,3,WANG Kai2,LEI Yang4,HOU Jinling1,3
(1.Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining & Technology (Beijing),Beijing 100083,China; 3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 4.National Engineering Research Center for Coal Gas Control,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China)
Abstract:The deep mining of coal mines leads to some significant changes in the physical properties of coal and rock,stress environment and gas occurrence law.New disaster features such as stress-driven gas outburst and coal and gas outburst under low gas pressure condition have appeared.In order to guide the prevention and treatment of coal and gas outburst in deep coal mines,the theoretical permeability model of tectonic coal body prone to outburst is established.The coordinated prevention mechanism of pressure-relief and coal and rock properties modification for coal and gas outburst is revealed based on the key structural body theory of coal and gas outburst.The research result shows that the core of prevention and control coal and gas outburst is efficient gas extraction,and the key is to reduce ground stress.This pressure relief has multi-effects of reducing elastic strain energy,improving the coal permeability,promoting gas extraction and reducing the gas internal energy.The prevention and control measures of coal and gas outburst in deep coal mines should be implemented according to two concrete conditions including relieving pressure and reforming coal & rock medium property.In some special areas of coal mines,after adopting the pressure relief measures and implementing gas extraction,other auxiliary measures should be taken to improve the outburst resistance and restrain the gas desorption to ensure mining safety in deep coal mines.
Key words:the deep mining of coal mines;coal and gas outburst;reforming coal & rock medium property;pressure-relief and energy reduction;coordinated prevention and control outburst;gas extraction
移动阅读
舒龙勇，齐庆新，王凯，等.煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理[J].煤炭学报,2018,43(11):3023-3032.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.8024
SHU Longyong,QI Qingxin,WANG Kai,et al.Coordinated prevention mechanism of pressure-relief and coal and rock properties modification for coal and gas outburst in deep mining of coal mines[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3023-3032.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.8024
收稿日期:2018-09-18
修回日期:2018-11-10
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804201);国家自然科学基金资助项目(51704164);中国煤炭科工集团科技创新基金重点资助项目(2014ZD008)
作者简介:舒龙勇(1986—)，男，安徽金寨人，助理研究员，博士研究生。Tel:010-84262942，E-mail:yonglongshu@163.com
煤与瓦斯突出(简称“突出”)是煤矿井下一种极其复杂的动力灾害，目前，国内外学者关于突出机理的研究成果还停留在定性或半定量的假说阶段，尚没有形成统一完整的理论体系[1-2]，但取得共识的是:煤与瓦斯突出受地应力、瓦斯和煤岩物理力学性质综合影响，发生突出的煤层基本都发育有一定厚度的构造煤[3]。围绕上述影响突出的主要因素，我国建立了2个“四位一体”综合防突体系，其中突出防治的根本措施是瓦斯抽采。然而，我国煤层普遍具有瓦斯压力高、含量大、渗透率低、吸附性强的特点，瓦斯抽采难度大，特别是构造煤发育的突出危险区，常规的储层改造和增透技术往往难以奏效，瓦斯抽采难以达标，突出事故仍时有发生。决定煤矿瓦斯抽采难易程度的关键因素是煤体渗透性，其与裂隙大小、间距、连通性等煤体裂隙特征参数密切相关，地应力、孔隙压力和煤基质变形等也对煤体渗透性起决定性作用[4]。早在1990年，SAWYER等[5]就提出了第一个半经验性的渗透率模型，用于描述煤体渗透率演化过程;1998年，PALMER和MANSOOCRI[6]提出了经典的P&M渗透率理论模型，此后关于煤体渗透率理论模型的研究进入了一个快速发展时期。国外渗透率模型多是以煤层气地面开发为工程背景，多假定煤体所处的应力应变环境为单轴应变条件;针对我国煤矿采动卸压瓦斯抽采的工程技术特点，谢和平等[7]提出了增透率理论与模型，描述了开采过程中覆岩和煤层增透率的分布和演化过程;程远平等[8]建立了煤体卸荷损伤增透理论模型，搭建了保护层开采煤体卸荷与增透的桥梁。然而，不同煤体结构煤层受构造作用程度和机制不同，具有突出危险的构造煤体经历了多期的构造运动作用后，呈现出典型的塑性特征，其渗透性演化的内在机制与常规煤体也有所不同，因此，有必要建立一套适合于突出构造煤体的渗透率理论模型，以便更好地指导煤与瓦斯突出防治工作。
近年来，随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国的煤炭开采深度不断加大，深部开采将成为煤炭资源开发中的常态，煤矿进入深部后，煤炭开采条件不断恶化，煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变，使得深部矿井突出灾害出现了一些新的特征，也对突出防治工作提出了新的挑战。例如:煤矿深部高地压作用下煤体呈现出流变特性，一些矿区发生了应力主导型的突出事故，还有一些矿区发生了低瓦斯压力或含量突出的现象。本文旨在通过对煤与瓦斯突出启动力学和能量判据的分析，厘清防控突出的基本思路，通过理论分析建立易突出构造煤体的渗透率模型，从防控突出启动条件和提高突出煤体渗透率两个方面着手，以期建立适合于煤矿深部突出构造煤体的卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理，为煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害的科学防控提供指导。
煤与瓦斯突出机理是突出预测、预警和防控的理论基础。鉴于以往关于突出机理的研究缺乏与现场工程结构的结合，为了更好的指导现场防突工程实践，舒龙勇等[9]通过对前人研究成果和突出危险区地质结构环境的总结分析，将煤与瓦斯突出机理研究与工程结构相结合，提出了煤与瓦斯突出的关键结构体模型(图1)。
图1 煤与瓦斯突出关键结构体模型
Fig.1 Key structural body model of coal and gas outburst
基于关键结构体模型建立的突出启动力学判据为
(1)
式中，Cm为突出启动力学判据;p为煤体内瓦斯压力，MPa;c为煤层的黏聚力，MPa;φ为煤层的内摩擦角，(°);pa为突出巷道内的环境气体压力;σxt,σyt,σzt分别为煤壁前方的动态应力场中x，y，z方向的应力大小，MPa。
突出启动能量判据Ce为
(2)
式中，Ee为煤体骨架的弹性潜能，MJ;Ei为周围煤岩体(如结构3、结构4)对突出煤体所做的功，MJ;En为贮存在煤体内的瓦斯内能，MJ;Wf为煤体粉碎功，MJ;Wp为煤岩体抛出功，MJ;Wq为诸如煤体发热发声等能量耗散，MJ;en为参与突出启动的吨煤瓦斯内能，MJ/t;wf为吨煤粉碎功，MJ/t;wpmin为突出启动时煤的最小抛出功，MJ/t。
综合分析式(1)，(2)可以看出，煤层瓦斯压力越大、煤体强度越低，突出危险性越高;地应力大小对突出的影响比较复杂，沿采掘巷道轴向的水平应力越大，突出危险性越高，而垂直于巷道轴向的应力通过控制煤体剪应力大小、煤体破坏程度和强度、煤体渗透率和瓦斯压力梯度等影响着采掘工作面突出危险性大小[10];虽然煤与瓦斯突出灾害的防控可以综合采用降低地应力水平、消除高能瓦斯和提高煤体强度等措施，但煤与瓦斯突出启动的能量主体是瓦斯内能，突出阻力主要是煤体的破碎功和抛出功[9]。煤层瓦斯抽采是降低煤层瓦斯内能(或含量、压力)的最主要技术手段，提高煤体强度是增加煤体破碎功的有效措施，因此，突出防控重点应从消除高能瓦斯和提高煤体强度2个方面入手。煤矿瓦斯抽采经验表明，深部煤与瓦斯突出危险区的煤层往往渗透率极低，瓦斯难以抽采，而控制瓦斯抽采效率的关键因素是煤层渗透率。因此，研究煤矿井下突出构造煤体渗透率理论模型，掌握影响增透效率的关键控制因素，对于深部开采突出灾害的科学防控意义重大。
在研究和工程实践中，通常认为煤是一种由煤基质和裂隙组成的双重孔隙介质，其中煤基质由固体骨架和孔隙组成;可采用图2(a)所示的立方体模型描述煤体的孔隙裂隙结构，其中裂隙主要包括由煤化作用产生的内生裂隙(割理)和构造作用形成的外生裂隙(构造裂隙)，孔隙是指煤基质中未被固体物质充填的空间。裂隙和孔隙的大小、形态、孔隙度和连通性等决定了瓦斯的储存和运移，通常认为瓦斯在煤裂隙中的流动符合达西定律，煤储层的渗透率主要取决于裂隙孔隙率[11]。
从微观角度看，瓦斯抽采过程中煤层内的瓦斯运移可视为解吸-扩散-渗流的串联过程(图3)[12]:瓦斯抽采造成裂隙中瓦斯向钻孔渗流导致裂隙中瓦斯压力和体积分数降低;在体积分数梯度作用下，基质孔隙中游离瓦斯向裂隙扩散，进而促使基质内吸附瓦斯发生脱附解吸，因此，煤体中裂隙率对瓦斯抽采效率的高低起决定性作用。
图2 煤体立方体结构及增透概念模型
Fig.2 Idealized model of coal cube structure and enhanced permeability
图3 煤层瓦斯运移过程
Fig.3 Migration process of methane in the coal seam
煤体结构按照突出难易程度可分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4种类型，其中碎粒煤和糜棱煤为易突出煤体(即图1中的结构1)[13]。煤层气开发经验发现，原生结构煤和碎裂煤相对完整，强度高，储层可改造性好;而碎粒煤和糜棱煤煤体结构松软，强度低，渗透率低且不易改造[14]。文献[15]中通过对我国各矿区煤体开展的大量扫描电镜观测，发现原生煤裂隙密度为37～4 167条/cm2，而易突出构造煤裂隙密度高达4 202～160 000条/cm2;卢守青等[16]近年来研究发现煤矿井下原生结构煤等效基质尺度是其附近构造煤的49倍。可见具有突出危险性的构造煤体(结构1)的基质尺度要远小于原生结构煤，且裂隙数量远远高于原生结构煤。但是由于在漫长的地质运动过程中，原生结构煤在遭受破坏的同时，其孔隙、裂隙和气体赋存状态也遭到了严重的破坏，部分甲烷由煤基质孔内吸附变为了基质表面吸附或裂隙内游离，裂隙由启开状转变为闭合状或被碎粒、糜棱质充填，失去了其渗流通道的能力。从图4可以明显看出，与原生结构煤相比，易突出的构造煤体(糜棱煤)中煤基质已经发生了严重的损伤破坏，穿层裂隙、层内裂隙和层间裂隙等气体渗流通道已不存在。煤矿井下原始赋存条件下，易突出构造煤体瓦斯渗流通道极少，故其渗透率较低。
图4 原生煤和糜棱煤的扫描电镜照片对比
Fig.4 Scanning electron microscope image of the primary structure coal and mylonitic coal
从图2所示的煤体立方体结构模型来看，增加煤体裂隙孔隙率的途径主要包括增加裂隙数量和增大裂隙开度2种方法。煤矿井下不同煤体结构的煤层受构造作用程度和机制不同，构造裂隙发育程度、构造裂隙沟通内生裂隙、孔隙的连通性也不一样，从而对煤层的渗透率产生影响。对于易突出构造煤经历漫长地质运动作用破坏后，基质尺度已经很小，发生韧性变形后呈现塑性特征，难以再发生基质损伤破坏。图2所示的立方体结构模型中的裂隙和煤基质孔隙是从瓦斯流动特征的角度人为划分的，实际上两者并无明确界限，煤层内瓦斯扩散和渗流也是一个不可分割的连续过程，其间存在多级扩散和多级渗流，两者共同决定了煤层内瓦斯流动速率的大小。对于构造变形强烈的碎粒煤和糜棱煤，基质尺度较小，具有渗透能力的裂隙较少，可以设法增大裂隙开度、促进扩散孔向渗流孔转变进而实现渗流裂隙数量增加的方式来达到提高煤体渗透率的目的。煤矿生产作业过程中，试图通过使其产生基质损伤破坏而新生裂隙数量的增渗方法是行不通的，这就是诸如水力压裂、气相压裂等强化增透手段在突出构造煤体中往往难以奏效的主要原因。需要说明的是，诸如近煤层顶板水平井或长钻孔分段压裂技术虽然在一些碎软低渗煤层中取得了较好的增产效果，但本质上其属于一种构建人工导流通道的措施(可等同于增加图3中所示的钻孔长度和数量)，对煤层本身渗透率无直接影响，故不在本文的探讨范围之内。
煤的渗透率与孔隙率(只考虑渗流孔隙，即图3所示的裂隙，下同)的定量关系可由Konzeny-Carman公式描述[11]，即
(3)
式中，k为煤层渗透率，m2;φf为裂隙孔隙率，%;C为与煤体物性特征有关的系数，可视为常数;S为单位体积煤体的表面积，m-1。
根据2.1节分析可知，对于易突出的构造煤而言，煤基质难以再发生损伤破坏，不需要考虑其基质损伤效应，故S可视为常数，则由式(3)可得
(4)
其中，k0为煤层初始渗透率，m2;φf0为初始裂隙孔隙率，%。因煤层孔隙率远远小于1，则式(4)可简化为
(5)
式(5)也正是大多数孔隙率-渗透率理论模型的基础。如图3所示的立方体结构模型，煤的体积Vr和裂隙孔隙率φf分别可表示为
(6)
其中，Vf为裂隙体积，m3;Vg为煤基质体积，m3。对于孔隙发育的煤层，其渗透率对地应力和孔隙压力的变化十分敏感，当不考虑基质损伤破坏时，煤体孔隙率变化是煤块、煤基质和孔隙体积变化共同作用的结果:
(7)
式中，dεf为孔隙体积应变增量;dεr为煤块体积应变增量;dεg为煤基质体积应变增量。
由于易突出构造煤已经发生强烈的塑性破坏，其基质尺度较小，基本可看作各向同性介质，也不需要考虑其基质损伤破坏对孔隙率的影响，则孔隙体积的改变导致煤体有效孔隙率的变化满足[6,17]:
(8)
式中，M为约束轴向模量，MPa;σ为地应力，MPa;β为有效应力系数;p为煤层瓦斯压力，MPa;K为煤体体积模量，MPa;αT为骨架热膨胀系数，F-1;T为煤层温度，K。
近年来，随着相关研究深入，学术界逐渐认识到煤基质变形对煤体裂隙产生的影响，需要引入一个变形影响系数fm(取值0～1)进行修正[18]。同时，考虑到煤体裂隙率φf≪1，且将煤层内瓦斯抽采过程看作为一个等温过程，dT所示的由煤吸附或解吸造成的基质变形项可直接类比为煤基质的吸附膨胀或解吸收缩变形，即
(9)
其中，εmax为煤体极限吸附膨胀变形量;pL为Langmuir压力常数，MPa。则式(9)可写成
(10)
将式(10)展开并重组为偏微分方程的全微分形式，即
(11)
对式(11)进行求解可得
(12)
式中，p0为初始煤层瓦斯压力，MPa。
联立式(5)和式(12)可得煤矿井下原位条件下易突出构造煤体绝对渗透率演化理论模型为
(13)
由式(13)可知，易突出构造煤体渗透率受地应力、瓦斯压力和基质变形效应综合影响，而煤基质变形主要与瓦斯压力大小相关，所以突出煤体渗透率主要受地应力和瓦斯压力控制，降低煤体所受的地应力大小σ、增大煤层瓦斯压力p均能提高突出煤层渗透率。现场实际工程实践过程中，诸如保护层开采、水力造穴等措施都是降低煤体所受某个方向上的地应力大小来实现卸荷增透的目的，卸荷作用下煤体会发生扩容现象，此时易突出构造煤体内裂隙开度不断增加，在此过程中，煤体内原本属于扩散尺度的孔隙也会转变为渗流尺度的裂隙，使得煤体裂隙孔隙率得以大幅提升。煤体扩容过程中，裂隙孔隙率的变化过程可以用下式表示
φf=aΔεV+φfK
(14)
其中，a为扩容与裂隙孔隙率的关系系数;ΔεV为扩容过程中的体应变增量;φfK为扩容初始点煤体裂隙孔隙率。考虑到扩容过程中煤体裂隙孔隙率变化幅度较大，故式(4)中的平方项不能忽略，则联立式(15)和式(4)可得
(15)
式中，kK为扩容初始点处煤体渗透率大小，可由式(13)求得。
式(13)，(15)即为煤矿井下易突出构造煤体(通常指碎粒煤和糜棱煤)绝对渗透率演化理论模型。
随着煤炭开采深度的增加，地应力水平不断增大，地应力状态由浅部构造应力主导逐渐向深部的两向等压应力状态和超深部的三向等压应力状态转变[19]，即随着埋深的增加，地应力平均值及其增长梯度均越来越大。文献[20]通过对湖南、重庆、北票等矿区瓦斯压力实测数据的统计分析，发现煤层瓦斯压力随埋深变化一般沿静水压力线分布，认为煤层瓦斯压力存在着极限值，即静水压力值;但进入深部开采后，煤层瓦斯压力也呈现出新的特征[21]，可能超过静水压力，且在地质构造带和应力集中区可能会存在瓦斯压力异常区。可见，随着煤矿采深的增加，地应力和瓦斯压力均呈现逐渐增大的趋势，特别是在一些地质构造复杂的突出危险区两者均可能出现异常增大的现象;地应力的增加会导致渗透率的降低，而瓦斯压力的增大在一定程度上会有利于改善煤层渗透率，但是现场实测数据表明，我国煤矿区煤储层渗透率均呈现出随埋深增加而减小的现象[22](图5)，地应力是控制我国煤矿深部煤层渗透率变化的主导因素。
图5 我国部分矿区煤储层渗透率与埋深之间的关系
Fig.5 Correlation of coal reservoir permeability to burial depth in the relevant CBM districts of China
由本文第1节的分析得知，煤与瓦斯突出启动的能量主体是瓦斯内能，煤矿井下现场最为直接的消突手段便是设法减小煤层瓦斯压力。前文所述通过提高煤层瓦斯压力(降低有效应力)来改善煤层渗透率的方法，显然与突出防控的思路是相悖的，近些年来，国内外一些学者[23]通过向煤层内注入CO2或N2驱替煤层瓦斯，从提高CH4采收率和CO2地质封存的角度理论上是可行的，但在突出矿井的应用过程中可能会产生安全隐患。综合防治突出和增透促抽两方面的影响因素来看(图6)，设法降低煤体所受的地应力大小，可以达到卸荷消能的目的，即一方面可以降低煤体内蓄积的弹性潜能，另一方面可以大幅提升煤层渗透率，促进瓦斯的高效抽采，降低瓦斯内能。因此，降低地应力是煤矿深部突出煤层科学有效的增透促抽措施，深部突出灾害防控的核心是高效抽采瓦斯，其关键是要设法降低地应力。
图6 突出防控与增渗促抽的关键控制因素及关系
Fig.6 Relationships between prevention and control outburst and enhancement permeability
我国突出灾害较严重的两淮、平顶山等矿区构造煤均比较发育，这些矿区的卸压增透工程实践均取得了很好的应用效果。以保护层开采为代表的区域卸压增透措施对构造煤储层的改造效果最为显著[24-28](表1)，例如:淮南矿区历史上曾是突出事故重灾区，在大面积推广保护层开采卸压增透技术后，矿区内安全生产状况得到根本改变，基本杜绝了突出事故的发生，其中潘一矿下保护层开采过程中，被保护层透气性系数增加高达2 880倍。以水力割缝、水力造穴等为代表的层内卸压增透技术在以上矿区也取得了很好效果，例如:淮北芦岭矿二水平8211底抽巷采用高压水射流割缝卸压增透技术措施后，煤层透气性系数由0.028 m2/(MPa2·d)增大到3.17 m2/(MPa2·d)，增大了113倍，单孔抽采流量由0.02 m3/min提高至0.096 m3/min，平均抽采浓度由28%提升至85%[29];阳泉矿区新景煤矿3216工作面辅助进风巷掘进工作面采用本煤层水力造穴措施后，单孔抽采纯量由以往的0.005 4 m3/min提高到0.2 m3/min，提高近37倍，瓦斯预抽时间由原来的23 d降低至10 d，巷道月进度由以往的27 m/月提高至60 m/月，巷道掘进过程中实测钻屑瓦斯解吸指标K1值最大为0.36 mL/(g·min0.5)，均处于突出临界值以下，卸压增透和消突效果非常明显。
对于通过采用提高煤体强度的措施来实现突出灾害防控的目的，实际上早在1985 年，我国煤矿就开始研究和试用化学材料来加固采掘巷道破碎顶底板和巷道周围煤岩体，防止巷道冒顶和片帮[30];同期，一些学者开展了固化措施防止煤与瓦斯突出的实验研究[31]，取得了一定的防突效果。而且，我国现行的《防治煤与瓦斯突出规定》中明确指出石门或井筒揭煤过程可以采用煤体固化、金属骨架等措施来进行局部防突;近年来，一些学者[32]还提出了采用注液冻结的方法来减少突出瓦斯动力源、增加煤层抵抗突出能力，从而有效防治突出灾害。
谢和平等[19]通过对煤矿深部开采特征研究表明，煤矿进入深部开采，深度增加、灾害加剧是表象，本质上控制因素是应力水平的增加和应力状态的改变。深部开采煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变，使得深部矿井突出灾害出现了一些与浅部不同的特征，例如:一些矿区发生了应力主导型的突出事故，还有一些矿区发生了低瓦斯压力突出的现象。由式(1)可以看出，煤层的突出危险性大小受地应力、瓦斯压力和煤层物理力学性质综合控制，故突出启动条件中地应力和瓦斯压力临界值与煤体强度有很大的相关性。
图7～9是笔者在中国矿业大学煤矿瓦斯治理工程研究中心开展突出物理模拟试验的部分试验结果，笔者发现当煤体强度较低(实验腔体中煤样试件是由煤粉压制而成)时，地应力为5.00 MPa、瓦斯压力为0.40 MPa时就会发生非常剧烈的突出现象;当地应力和煤体强度条件不变时，随着气体压力的提高，相对突出量不断增大(相对突出量=单次试验突出煤量/单次试验腔体内装的总煤量×100%)，突出孔洞会愈加发育，层裂现象会更加明显。对比CO2和He两种气体的试验结果，发现虽然煤体不能吸附He，但仍会导致突出发生;但相比较含CO2气体的突出试验，含He突出试验的突出强度会明显降低，这主要源于煤体内吸附气体(CO2)的解吸会对煤体中气体压力衰减起到补偿作用(图9)，从而出现了2种截然不同的突出现象。以上实验结果充分说明了煤体中气体压力大小、煤体强度高低对煤与瓦斯突出危险性大小有重要影响。设法降低煤体内气体压力(包括抽采和抑制瓦斯解吸等)、提高煤体强度均可起到降低煤层突出危险性的目的。
表1 构造煤发育矿区卸压增透效果统计
Table 1 Statistics of permeability coefficient change of relived gas exploiting in tectonic coal developing mining area
图7 不同气体种类及气压条件下的突出模拟试验结果
Fig.7 Simulation results under different gas types and gas pressure conditions
图8 不同气体及不同气压条件下的相对突出量
Fig.8 Relative outburst intensity of different gas types and pressure conditions
图9 突出过程中模型腔体内煤体中气体压力下降曲线
Fig.9 Gas pressure drop-curve of the coal body in the expe-rimental chamber during the process of coal and gas outburst
由于我国多数突出矿区的煤层具有欠压、低渗、饱和度低的特点，煤矿井下进行瓦斯抽采一段时间后，煤层内残余瓦斯压力较小，导致瓦斯渗流的动力不足，但如果煤层较松软、强度较低，深部高地压作用下煤体会呈现流变特征，此时进行采掘作业，在残余瓦斯压力和含量较小的区域仍有发生突出的可能性。例如阳泉矿区寺家庄煤矿最小突出压力仅为0.23 MPa;豫西重力滑动构造区，二1煤全层构造软煤发育，区域内矿井突出的最小瓦斯含量仅为4.00 m3/t[33]。此外，井下预抽钻孔或卸压增透措施孔的施工也会破坏突出煤体的原始赋存状态，降低煤体的整体强度。因此，煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害的防控应该因地施策，从卸荷消能和煤岩介质属性改造两方面着手，重点区域(除石门或井筒揭煤外，还应包括构造带、软煤区和煤层急剧变化处的采掘工作面)可以采用卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突技术措施，技术原理如图10所示。煤矿深部快速消突技术和装备的研发应围绕着卸压消能这一思路开展，还可以通过研发新型超细无机注浆加固材料、开发新型高效冻结技术(抑制瓦斯解吸和加固煤体)等方法来实现煤岩介质属性改造的目的。例如:在图11所示的煤巷掘进工作面前方，通过物探或钻探等手段掌握煤巷掘进面前方煤体结构变化特征，针对不同煤体结构的煤体采取不同的卸压增透和瓦斯抽采措施后，可以在构造软煤区内补充采取注料改性的措施，从而提高煤体强度、增加突出阻力的措施，确保采掘作业的安全。
图10 煤与瓦斯突出卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防控原理
Fig.10 Coordinated prevention mechanism of pressure-relief and coal and rock properties modification for coal and gas outburst
图11 卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突技术应用实例之一[34]
Fig.11 A application example of coordinated prevention techniques with pressure-relief and coal and rock properties modification[34]
(1)对于原生结构煤和过渡型的碎裂煤，可以选择增大裂隙开度和促使基质损伤来增加裂隙数量的增透方法;而对于构造变形强烈的碎粒煤和糜棱煤，由于基质尺度较小、具有渗透能力的裂隙较少，只能设法增大裂隙开度、促进扩散孔向渗流孔转变进而实现渗流裂隙数量增加的方式来达到提高煤体渗透率的目的。
(2)推导建立了适用于煤矿井下易突出构造煤体的渗透率演化理论模型，分析认为易突出构造煤体渗透率主要受地应力和孔隙压力控制;降低易突出构造煤体所受的地应力大小，在降低煤体内弹性潜能的同时，可以大幅提升煤层渗透率，促进瓦斯的高效抽采，降低瓦斯内能，达到卸荷消能的目的;卸压是煤矿深部开采科学有效的增透促抽措施，深部煤与瓦斯突出防控的核心是高效抽采瓦斯，其关键是要设法降低地应力。
(3)结合煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理的研究成果，揭示了深部开采煤与瓦斯突出卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防控机理，即防控煤矿深部煤与瓦斯突出应从卸荷消能和煤岩介质属性改造两个方面着手，重点区域在采用卸压增透和瓦斯抽采措施后，应辅助采取一些提高煤体强度、抑制瓦斯解吸等改性措施，确保煤矿深部采掘作业的安全。
参考文献:
[1] 俞启香，程远平.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，2012.
[2] 李希建，林柏泉.煤与瓦斯突出机理研究现状及分析[J].煤田地质与勘探，2010，38(1):7-13.
LI Xijian，LIN Baiquan.Status of research and analysis on coal and gas outburst mechanism[J].Coal Geology and Exploration,2010,38(1):7-13.
[3] 胡千庭.煤与瓦斯突出的力学作用机理[M].北京:科学出版社，2013.
[4] 李培超，孔祥言，曾清红，等.煤层渗透率影响因素综述与分析[J].天然气工业，2002，22(5):45-49.
LI Peichao,KONG Xiangyan,ZENG Qinghong,et al.Summarizing and analyzing the factors affecting the coefficient of permeability of coal beds[J].Natural Gas Industry,2002,22(5):45-49.
[5] SAWYER W,PAUL G,SCHRAUFNAGEL R.Development and application of a 3-D coalbed simulator[A].Proceedings of the International Technical Meeting Hosted Jointly by the Petroleum Society of CIM and the Society of Petroleum Engineers[C].Calgary,Alberta,Canada,1990:90-119.
[6] PALMER I，MANSOORI J.How permeability depends on stress and pore pressure in coalbeds:A new model[J].SPE Reservoir Evaluation and Engineering，1998，1(6):539-544.
[7] 谢和平，高峰，周宏伟，等.煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究[J].煤炭学报，2013，38(7):1101-1108.
XIE Heping,GAO Feng,ZHOU Hongwei,et al.On theoretical and modeling approach to mining-enhanced permeability for simultaneous exploitation of coal and gas[J].Journal of China Coal Society,2013,38(7):1101-1108.
[8] 程远平，刘洪永，郭品坤，等.深部含瓦斯煤体渗透率演化及卸荷增透理论模型[J].煤炭学报，2014,39(8):1650-1658.
CHEN Yuanping,LIU Hongyong,GUO Pinkun,et al.A theoretical model and evolution characteristic of mining-enhanced permeability in deeper gassy coal seam[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1650-1658.
[9] 舒龙勇，王凯，齐庆新，等.煤与瓦斯突出关键结构体致灾机制[J].岩石力学与工程学报，2017，36(2):347-356.
SHU Longyong,WANG Kai,QI Qingxin,et al.Key structural body theory of coal and gas outburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(2):347-356.
[10] 舒龙勇，王凯，齐庆新，等.煤巷掘进面应力场演化特征及突出危险性评价模型[J].采矿与安全工程学报，2017，34(2):259-357.
SHU Longyong,WANG Kai,QI Qingxin,et al.Stress field evolution characteristics and coal-gas outburst hazard evaluation model of the heading face in coal roadway[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(2):259-357.
[11] 吴世跃.煤层气与煤层耦合运动理论及其应用的研究[D].沈阳:东北大学，2006.
WU Shiyue.Research of methane-coalbed coupling movement theory and its application[D].Shenyang:Northeastern University,2006.
[12] LIU Jishan,CHEN Zhongwei,DEREK Elsworth,et al.Interactions of multiple processes during CBM extraction:A critical review[J].International Journal of Coal Geology,2011,87(3):175-189.
[13] 张子敏.瓦斯地质基础[M].北京:煤炭工业出版社，2008:29-33.
[14] 傅雪海，姜波，叶诗忠等.用测井曲线划分煤体结构和预测煤储层渗透率[J].测井技术，2003，27(2):140-143.
FU Xuehai,JIANG Bo,YE Shizhong,et al.Classification of coalbody strucure and prediction of coal reservoir permeability with log curves[J].Well Logging Technology,2003,27(2):140-143.
[15] 张慧，李小彦，郝奇，等.中国煤的扫描电子显微镜研究[M].北京:地质出版社，2003.
[16] 卢守青.基于等效基质尺度的煤体力学失稳及渗透性演化机制与应用[D].徐州:中国矿业大学，2016.
LU Shouqing.Mechanical failure and permeability evolution mechanism of coal based on equivalent matrix scale and its application[D].Xuzhou:China University of Mining & Technology,2016.
[17] 刘清泉，程远平，李伟，等.深部低透气性首采层煤与瓦斯气固耦合模型[J].岩石力学与工程学报，2015，34(S1):2749-2758.
LIU Qingquan,CHENG Yuanping,LI Wei,et al.Mathematical model of coupled gas flow and coal deformation process in low-permeability and first mined coal seam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015，34(S1):2749-2758.
[18] GUO Pingkun,CHENG Yuanping,JIN Kan,et al.Impact of effective stress and matrix deformation on the coal fracture permeability[J].Transport in Porous Media,2014,103:99-115.
[19] 谢和平，高峰，鞠杨，等.深部开采的定量界定与分析[J].煤炭学报，2015，40(1):1-10.
XIE Heping,GAO Feng,JU Yang,et al.Quantitative definition and investigation of deep mining[J].Journal of China Coal Society,2015,40(1):1-10.
[20] 辽宁省煤炭研究所第一研究室.煤层瓦斯压力与深度的关系[J].煤矿安全，1974(3):24-27.
The first research room of coal institute in Liaoning province.The relationship between seam gas pressure and the depth[J].Safety in Coal Mines，1974(3):24-27.
[21] 程远平，张晓磊，王亮.地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30(3):408-414.
CHENG Yuanping，ZHANG Xiaolei，WANG Liang.Controlling effect of ground stress on gas pressure and outburst disaster[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2013，30(3):408-414.
[22] 叶建平，史保生，张春才.中国煤储层渗透性及其主要影响因素[J].煤炭学报，1999，24(2):118-122.
YE Jianping,SHI Baosheng,ZHANG Chuncai.Coal reservoir permeability and its controlled factors in China[J].Journal of China Coal Society,1999,24(2):118-122.
[23] 杨宏民，张铁岗，王兆丰，等.煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究[J].煤炭学报，2010，35(5):792-796.
YANG Hongmin，ZHANG Tiegang，WANG Zhaofeng,et al.Experimental study on technology of accelerating methane release by nitrogen injection in coalbed[J].Journal of China Coal Society，2010，35(5):792-796.
[24] 袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34(1):1-8.
YUAN Liang.Theory of pressure-relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction[J].Journal of China Coal Society，2009，34(1):1-8.
[25] 袁亮.低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术[J].煤炭学报，2008，38(12):1362-1367.
YUAN Liang.Gas distribution of the mined-outside and extraction technology of first mined key seam relief-mining in gassy multi-seams of low permeability[J].Journal of China Coal Society，2008，38(12):1362-1367.
[26] 吴建国.芦岭煤矿卸压区瓦斯综合抽采试验及分析[J].煤田地质与勘探，2008，36(1):27-33.
WU Jianguo.Integrated technology of coalbed methane drainage with ground well in Luling coal mine[J].Coal Geology & Exploration,2008,36(1):27-33.
[27] 王文，李化敏，熊祖强，等.平顶山矿区远程保护层开采保护效果试验分析[J].科学技术与工程，2011，11(4):719-722.
WANG Wen,LI Huamin,XIONG Zuqiang,et al.Test on the protective effect of far-distance protecting stratum mining in Pingdingshan mining area[J].Science Technology and Engineering,2011,11(4):719-722.
[28] 郭德勇，韩德馨，张建国.平顶山矿区构造煤分布规律及成因研究[J].煤炭学报，2002，27(3):249-253.
GUO Deyong，HAN Dexin，ZHANG Jianguo.Research on the occurrence and distribution of structural coal in Pingdingshan coal district[J].Journal of China Coal Society，2002，27(3):249-253.
[29] 沈春明，林柏泉，吴海进.高压水射流割缝及其对煤体渗透性的影响[J].煤炭学报，2011，36(12):2058-2063.
SHEN Chunming，LIN Baiquan，WU Haijin.High-pressure water jet slotting and influence on permeability of coal seams[J].Journal of China Coal Society，2011，36(12):2058-2063.
[30] 王金华，魏景云，宁宇，等.巷道围岩化学加固理论及其应用[J].煤炭学报，1996，21(5):481-486.
WANG Jinhua,WEI Jingyun,NING Yu,et al.Theory and practice of consolidation of roadway surrounding rocks by chemical grout[J].Journal of China Coal Society，1996，21(5):481-486.
[31] 张超英，肖普朝，陈金玉，等.应用固化液防止煤与瓦斯突出的理论与实践[J].煤炭学报，1995，20(S):70-75.
ZHANG Chaoying,XIAO Puchao,CHEN Jinyu,et al.Theory and practice experience with prevention and control of coal and gas outburst by applying solidifying liquid[J].Journal of China Coal Society，1995，20(S):70-75.
[32] 谢雄刚.石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治理论及技术研究[D].长沙:中南大学，2010.
XIE Xionggang.Study on the control theory and technology by injecting liquid and freezing of the coal and gas outburst during uncovering coal seam in cross-cut[D].Changsha:Central south University,2010.
[33] 邵强，王恩营，王红卫，等.构造煤分布规律对煤与瓦斯突出的控制[J].煤炭学报，2010，35(2):250-254.
SHAO Qiang,WANG Enying,WANG Hongwei,et al.Control to coal and gas outburst of tectonic coal distribution[J].Journal of China Coal Society,2010,35(2):250-254.
[34] 舒龙勇，霍中刚，齐庆新，等.煤与瓦斯突出卸压消能与介质属性改造协同防控方法[P].中国专利:CN108590653A，2018-09-28.
SHU Longyong,HUO Zhonggang,QI Qingxin,et al.Coordinated prevention method of pressure-relief and coal and rock properties modification for coal and gas outburst[P].China Patent:CN 108590653A,2018-09-28.