石壕煤矿煤与瓦斯突出因素分析及区域危险性预测

2012-01-09杨明显谭显龙

中国矿业 2012年11期

杨明显，张旭，谭显龙

(1.国土资源部页岩气资源与勘查技术重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；2.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008)

随着我国矿井采掘强度和深度的加大，矿井瓦斯问题日趋严重，预测和防治煤与瓦斯突出对于提高矿井的社会效益和经济效益具有重要的意义[1]。煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中一种极复杂的动力现象，关于煤与瓦斯突出的原因众多，但普遍认为是煤层瓦斯(压力和含量)、煤的力学性质(构造煤)、煤层受力状态等综合作用的结果[2]。

松藻矿区6对生产矿井历史上煤与瓦斯突出发生频繁，年最多突出75次[3]，矿区内石壕煤矿2006年在茅口组石灰岩掘进过程中，发生二次瓦斯灾害事故，损失严重。据统计，截止2010年，石壕煤矿已发生煤与瓦斯突出37次，给煤矿的安全建设和生产带来严重危害。因此，开展对石壕矿的煤与瓦斯突出研究，具有十分重要的现实意义。

1 地质概况

1.1 松藻矿区

松藻矿区在区域构造上位于娄山褶皱带的西北缘，矿区地段属川黔经向构造体系，中段和南段属华夏式构造体系。矿区构造在平面分布上形成向北东收敛、向南西撒开的放射状，由东向西依次发育有两河口向斜、羊叉滩背斜、大木树向斜和鱼跳背斜，形成向西突的“鼓包形构造”[4-5]致使含煤地层抬升，形成石壕井田等较大井田。松藻矿区开采的晚二叠世龙潭煤组属振荡频繁的海陆交替相沉积，主要煤层均属高变质无烟煤、埋藏适中(300～800m)，上覆盖层厚(大面积的飞仙关泥岩)，不利于气体逸散，有利于瓦斯的形成和保存，煤层及围岩中富含瓦斯[3]。

1.2 石壕煤矿

本矿含煤地层为上二叠统龙潭组，厚度67.81～89.48m，由一套海陆交替相的泥岩、粉砂岩、砂质页岩、铝土岩及煤层组成煤系地层。矿井开采煤层3层，其中中厚较稳定煤层1层(M8)，其他2层为局部可采薄煤层(M6-3和M7-2)。石壕井田位于箭头垭背斜北西翼发育的次级褶皱形成的“鼓包型”构造西南端，与井田相关的褶皱主要有羊叉滩背斜、大木树向斜和两河口向斜，和褶皱相伴生还有一些断裂构造。

1.2.1 褶皱

1)羊叉滩背斜：位于两河口向斜之西，轴向为NE，长约13km。该向斜结构紧凑，呈条带状，向北倾伏；东翼倾角较陡，45°～70°，西翼倾角较缓，30°～40°，为不对称背斜构造。

2)大木树向斜：位于羊叉滩背斜之西，轴向为NE，全长约6km。向斜两翼地层倾角平缓，北端仰起，南端倾伏消失。

3)两河口向斜：井田南部边界构造。全长25km，总的倾伏角2°～4°，西翼岩层倾角较缓(10°～30°)，东翼陡(40°～80°)，为不对称向斜[4]。

1.2.2 矿井主要断层

据勘探资料统计，本井田共发现断层74条，地表出露53条，隐伏断层21条，其中有13条断层切割煤层地层，59条断层对煤系地层无影响。对煤层破坏较大的断层主要见表1。

表1 破坏煤层主要断层统计表

除上述断层外，还存在其他断层，但对石壕煤矿影响较小。

2 矿井瓦斯地质规律

2.1 构造对瓦斯赋存的影响

据统计，石壕煤矿在已发生37次煤与瓦斯突出中，有19次发生于断层、断层挤压带等构造部位，占总数的51%，可以说明小构造是本矿煤与瓦斯突出发生的主要因素。这些构造规模小，但破坏煤(岩)层的连接性，影响局部煤层厚度及应力分布，形成相对高压区和低压区，造成瓦斯富集和排泄的地质条件；由于小构造的影响，煤层的原生结构受到破坏，煤层产生擦痕、滑面、扭曲、次生节理，形成破裂煤、碎粒煤及鳞片状构造煤，降低煤的硬度，使瓦斯富集，一旦有诱发因素就可能产生突出。因构造类型的不同造成瓦斯赋存情况的不同，如向斜构造比背斜构造对瓦斯赋存有利；构造煤厚度越厚瓦斯逸散时间越长，瓦斯赋存时间越长。

2.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

石壕井田为海陆交互泻湖-潮坪-碳酸盐台地内侧海沉积体系潮坪成煤环境。矿井主采M6-3、M7-2、M8煤层的顶底板多为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，深灰色泥岩和砂质泥岩中分散有机质较发育，产生瓦斯的物质条件较丰富，粉砂岩气体渗透率低。因此，本矿煤层内形成瓦斯后，不能得到有效的逸散，造成瓦斯富集。

2.3 煤层埋深及上覆岩层对瓦斯赋存的影响

随煤层埋深厚度的增加，地层静压力增大，煤层中吸附瓦斯渐于饱和，游离瓦斯增加，在构造某些部位及煤层厚度变化地段聚集，形成高压区。矿井37次煤与瓦斯突出中，垂深260～310m发生11次，而311～491m发生了15次，说明随埋深增加，煤与瓦斯突出也增加。

3 煤与瓦斯突出危险性分析

3.1 煤与瓦斯突出规律

根据历年煤与瓦斯突出资料统计分析，石壕煤矿煤与瓦斯突出规律主要有以下几方面：

1)煤与瓦斯突出发生在一定的深度上；随着煤层埋深增加，突出的危险性增大，即突出的次数增多、突出强度增大、突出危险区域增大。

2)突出的次数和强度随煤层厚度(特别是软分层厚度)增加而增多，突出最严重的煤是M8煤层。

3)突出的主要气体是CH4，同一煤层瓦斯压力、瓦斯含量大的地方突出危险性越大。

4)突出煤层的特点是煤的强度低、变化大、透气性差、瓦斯放散速度高、层理紊乱、节理发育、受地质构造破坏大的构造煤。

5)突出危险呈带状分布，如向斜轴部地区、向斜轴与断层或褶曲交会地区、火成岩侵入形成的变质煤和非变质煤交混地区等地质构造附近。

6)绝大多数突出都是发生在破煤工序，如放炮、割煤、打钻等。

3.2 危险性影响因素分析

据石壕煤矿煤层历年煤与瓦斯突出综合统计分析，影响煤与瓦斯突出危险的因素主要有以下几方面。

3.2.1 煤层埋藏深度

矿井随着煤层埋藏深度增加，煤层瓦斯压力升高，瓦斯含量增加，地应力增加，在受压状态下煤层弹性潜能增大，突出危险程度增大，发生突出时突出的煤量、瓦斯量增加。

3.2.2 地质构造

据煤矿资料，该矿井37次煤与瓦斯突出都与地质构造带有关系。每次发生突出后，收集现场的资料时都会发现突出点周围存在地质构造，并且地质构造带上煤质发生变化，煤层破碎，硬度小、强度低；在地质构造影响范围内，煤体受地质构造应力影响，有利用瓦斯的封存，不利用瓦斯的逸散，煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高，瓦斯的放散速度增大。根据考察，在构造带所测得的瓦斯参数K1要比正常带增大14%～37%，突出将会在地质构造影响范围内发生。因此地质构造带为煤与瓦斯突出创造了优越的条件，也直接影响着煤与瓦斯突出。

3.2.3 地应力

煤与瓦斯突出是在地应力、瓦斯、煤结构三方面综合作用下大量的煤和瓦斯瞬间抛出到采掘空间的一种动力现象，地应力是煤与瓦斯突出的关键因素，地应力包括煤体上覆岩体的自重应力、地质构造带的构造应力、采掘活动过程中的采掘集中应力，煤与瓦斯突出均发生在一定的深度，煤层受地应力影响，煤层在受压状态下积聚大量的弹性潜能，当采掘活动进入后，破坏了承压状态下的煤层的受力平衡状态，煤体弹性潜能得到突然释放，就会发生煤与瓦斯突出事故[6]。如矿E1625溜煤眼在由大钻机刷扩到1.2m的过程中，由于钻机震动造成了采掘应力集中，发生了煤与瓦斯突出事故；另工作面支护强度不够，造成工作面煤体受压，在割煤的过程中发生压出，这些都与采掘活动有着直接的联系。

3.2.4 突出煤层的煤体结构

煤层结构在煤与瓦斯突出过程中起阻止的作用，如果煤体结构比较松软，易破碎，当高的地应力、瓦斯压力积聚并失去原有的平衡时，就会直接突破和损坏安全屏障，从而发生煤与瓦斯突出，通过统计分析煤矿37次煤与瓦斯突出中均与煤体结构有着直接联系，突出发生的地点煤层中的软分层煤增厚，煤层节理发育、层理紊乱、暗淡无光泽，煤层变质程度高，用手捻成粉末状，为典型的Ⅲ-Ⅴ类破坏煤层，硬度小、强度低，平均硬度系数f值小于0.5，且突出危险随着f值的减小而增大。

矿井在突出预测中曾将煤层软分层厚度作为预测突出的敏感性指标，即工作面采用“两指标一现象”预测方法，当工作面煤层软分层厚度超过煤层厚度的40%时或煤层软分层厚度大于0.15m时，则直接将该区域定为突出危险区，采掘过程中直接采取消突措施，在矿井的应用取得了较好的效果；软分层厚度的变化直接影响煤与瓦斯突出危险。

4 区域突出危险性预测

煤与瓦斯区域突出危险性预测是对新矿井、新水平、新采区突出煤层进行突出危险性划分。由于被预测的煤层未被揭露或未完全被揭露，只能通过钻孔、取样测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量、解吸速度等瓦斯基本参数，以及煤的物理力学性质，用单项指标或多项综合指标确定该区域的突出危险；或者采用邻近矿井、上水平、附近采区煤层瓦斯地质资料推测该地区发生突出的可能性。

4.1 瓦斯地质统计法预测

瓦斯地质统计法，是根据已采区域突出点分布和地质构造(包括断层、褶曲、煤层赋存条件变化、火成岩侵入等)的关系，然后结合未采区的地质构造条件划分出突出危险区和无突出危险区。瓦斯地质统计法预测考虑了突出区域分布性质，强调了地质条件对煤层突出以及突出煤层瓦斯参数的控制作用，在许多生产矿井得到了应用和发展。

针对瓦斯地质统计法提出的瓦斯和地质两方面的指标，不同矿区(或地区)有其适用于本矿区的衡量标准；但在同一个矿区(或地区)，所采用的瓦斯、地质指标，以及划分的标准应是一致的。本次研究划分标准如下：

1)断层附近区域，一般情况下，压性、压扭性，落差大的断层应适当加大危险区范围。如：落差0.5m的断层，在断层两边行10m范围划分突出危险区；0.5～1m落差的断层，在其两边各15m划分为突出危险区；落差1m以上按其两边各20m划为突出危险区。

2)褶曲轴线两侧，特别是呈封闭型的背斜或向斜轴部，一般在其轴线两边20～50m范围划分为突出危险区。

3)煤层产状及赋存变化区域。如煤层走向、倾向及倾角变化，煤层厚度、特别是软分层厚度变化区域。一般将煤厚变化达40%以上，或软分层厚度达15cm以上的地段划为突出危险区。

通过对煤矿S1626、S1627、S1631工作面实际危险情况考察确定，当断层落差H<0.5m 单侧危险范围为10m，H=0.5～1m时，为20m；H≥1m时，为30m；羊叉滩背斜为40m；大木树向斜为20m。

4.2 综合指标法预测

采用综合指标D、K[7]来预测煤层突出的危险性，其临界值应根据本矿区实测数据确定。在岩石巷道向突出煤层至少打两个测压钻孔，测定煤层瓦斯压力P；测定煤的坚固性系数f，将两个测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均作为煤层软分层煤的平均坚固性系数；将坚固性系数最小的两个煤样混合后，测定煤的瓦斯放散初速度指标ΔP，若无实测资料，参照表1取值[8]。

K=ΔP/f

D、 K综合指标法适于煤层的区域预测或石门揭煤工作面突出危险性预测，反映煤与瓦斯突出机理的量化，已被列入我国的防突细则，广泛应用[9]。