平煤四矿煤与瓦斯突出灾害分布特征

2015-08-31周少玺

采矿与岩层控制工程学报 2015年4期

周少玺，李普

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454000;2.郑州煤炭工业 (集团)杨河煤业有限公司，河南新密452382;3.郑州煤炭工业 (集团)有限责任公司通风管理部，河南郑州450042)

平煤四矿位于平顶山矿区中部，东与一矿、二矿，西与五矿、六矿相邻，南与三矿相接。2006年矿井核定生产能力2.8Mt/a，主采四组九层煤层，其中丁5－6煤段开采标高与埋深分别为105～－510m和283～860m，己16－17煤段分别为－50～－800m和205～1100m。矿井现生产采区与延伸开拓区由于位于井田中深部，致使矿山压力与瓦斯含量增大。高地应力、高瓦斯含量和压力、煤层低渗透性等复杂条件交织，动力灾害愈加严重。

煤与瓦斯突出危害性极大，严重威胁矿工的生命，影响矿井的生产［1］。平煤四矿自1991年首次发生煤与瓦斯突出灾害至今，已经发生具有煤与瓦斯突出典型特征的动力现象共21次，其中丁组煤层17次，己组煤层4次 (表1)。突出煤量1～72t，突出瓦斯量140～3206m3。

2000年与2011年，煤炭科学研究总院抚顺分院分别鉴定丁、己煤层为突出煤层。通过对这些动力现象进行分析，探寻这些动力现象的特征和规律，可以为平煤四矿煤岩瓦斯突出灾害的防治工作提供有力的科学依据。

表1 四矿历次煤与瓦斯突出灾害统计

1 空间分布特征

(1)存在始突深度通过对历次突出灾害时间标高分析 (图1)，四矿存在煤与瓦斯突出的初始临界深度，标高－390m是各煤层组的始突深度。从突出等深度图 (图2)可以看出，绝大部分突出分布在埋深620～800m之间，最浅的一次发生在622.5m处，发生在己16－17煤层中最深的突出灾害发生点埋深944.6m。这表明埋深超过620m，达到突出发生的应力条件，而埋深大于800m的突出次数变少主要是因为矿井加强了对瓦斯的治理。

图1 四矿煤与瓦斯突出事件标高分布

图2 发生煤与瓦斯突出灾害点等深度分布

(2)分带特征明显四矿丁5－6煤层的煤与瓦斯突出具有显著的分带特征。煤与瓦斯突出集中发生在一个长1600m，宽700m的区域范围内，沿北西-南东方向展布的狭长条带内。该条带与四矿煤层走向基本一致，可见条带分布方向受埋藏深度控制。该条带应确定为四矿区域煤与瓦斯突出高危带，其南侧边界基本可以确定，北侧边界和东西2个延伸方向随着开采深度增加可能还将扩展。

四矿突出绝大部分分布在井田西翼，这与“井田内东部瓦斯小，西部瓦斯大”的地质勘探结果相吻合［2］。

(3)地表起伏大从突出点的地质构造分析，四矿井田内没有大的地质构造，唯一显著的特征是地表起伏较大，最高处达到506m，最低处仅200m左右，地表高程陡增，煤层的埋藏深度梯度变大，应力 (地应力与瓦斯压力)强度等值线在此将会密集，梯度陡增。另外，小断层发育较多，相当部分 (共有13次，占总突出次数的62%)的突出发生在小断层附近，表明断层附近应力梯度高，煤质松软、构造煤发育使这些区域非常利于突出发生。

在四矿的瓦斯地质条件下，尽管地质构造比较复杂，但地应力强度没有达到一定程度，便不具备发生突出的作用力和内能，而达到一定埋藏深度后，应力强度增高使得煤与瓦斯具备了发生突出的内能，即使地质构造简单，突出也会发生。同一煤层组存在一个始突深度，在此深度之上一般不会发生突出，但接近这一深度如遇有导致地应力增高的特殊地质构造 (例如逆断层)，便补充了由于深度不够而应力强度和煤与瓦斯发生突出内能的不足，使得在浅于具有普遍意义的始突深度条件下也有偶发情况。因此，相同煤层组，应力强度是发生突出的最重要因素，应力梯度增大的部位易于发生煤与瓦斯突出［3－5］。

2 强度分布特征

(1)动力灾害类型煤与瓦斯动力现象按成因分为突出、压出和倾出。丁组煤层的突出全部发生在丁5－6煤层的丁5－6－19160采面及以下，突出时煤体整体位移或煤体有一定距离的抛出，有时无孔洞，有时有呈口大腔小的楔形孔洞;压出的煤呈块状，无分选现象;压出后，在煤层与顶板之间的裂隙中常留有细煤粉，整体位移的煤体上有大量裂隙;压出后巷道瓦斯涌出量增大，符合压出的基本特征。己16－17煤层突出4次，其中在1991年发生的是规模很小的2次压出，2次突出，其中瓦斯涌出量最大的1次发生在地面标高陡升的擂鼓台山峰下面，埋深达到了935m。

(2)突出煤体总量突出煤体总量一般反映参与突出作用力 (地应力与瓦斯压力)的强度。己16－17煤层出现过2次规模很小的压出，突出煤体的总量分别为1t和8t。丁组突出煤体的总量均小于50t/次，平均21.3t/次;己组突出2次，分别为40t/次和72t/次，平均56t/次，强度均不高。但己组煤突出强度明显高于丁组 (见图3)，这与己组煤层埋深更大、瓦斯含量更高相符合。

图3 煤与瓦斯突出事件突出煤量等值线

(3)突出瓦斯总量突出瓦斯总量反映瓦斯参与突出的作用。由于突出灾害前未采取防突措施，己16－17煤层出现2次突出却没有瓦斯涌出量数据记录。丁5－6煤层突出瓦斯的总量煤较低，大部分在1000m3/次以下，平均487m3/次，己16－17煤层突出瓦斯量较高，2次突出均大于1000m3/次，平均2628m3/次 (见图4)。这与前述己组煤层瓦斯含量高的客观规律相吻合，还表现出采深增加，瓦斯在突出中的绝对作用力渐次增强的规律［6－7］。

(4)抛出煤体的吨煤瓦斯涌出量突出事件的吨煤瓦斯涌出量是判断是否突出的一个指标，也是反映瓦斯在突出作用中的相对贡献程度。国家标准《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(AQ1024－2006)指出，当瓦斯动力现象的煤与瓦斯突出基本特征不明显，尚不能确定为排除煤与瓦斯突出现象时，其中的一个判断指标是用抛出煤的吨煤瓦斯涌出量是否大于或等于30m3/t判断［8］。

四矿丁5－6煤层突出的吨煤瓦斯涌出量普遍不高 (见图 5)，平均 28.8m3/t，最大的一次为61.6m3/t，相对平煤集团其他矿井，瓦斯压力和瓦斯含量均相对较低，瓦斯参与突出的作用不甚显著。己16－17煤层发生在23080机巷的突出，埋深达到了935m，吨煤瓦斯涌出量达到了80.15m3/t，瓦斯参与突出的作用显著，发生在23020切眼的突出吨煤瓦斯涌出量为28.47 m3/t，但涌出煤量为历次最多 (72t)，此区域地表起伏较大，煤层应力梯度大，应力参与突出的作用更为显著。

图5 煤与瓦斯突出事件吨煤瓦斯涌出量等值线

3 时间分布特征

根据煤与瓦斯突出灾害发生的深度和强度特征，大体可分为3个顺序排列的时序阶段 (图6)。

图6 煤与瓦斯突出灾害时序分布

第Ⅰ阶段全部发生在己组煤层掘进巷道;埋藏深度680m，原岩地应力的环境强度不高，一般需要借助特殊的地质构造和采动应力才能具备发动突出的内能和初始推动力;全部为压出，表现为低煤、低瓦斯和低吨煤瓦斯的“三低”特征，反映出参与突出的总体作用力强度不高，瓦斯在一定程度上参与了突出过程但其相对贡献较低;发生的概率较低，具有偶发性特征。

第Ⅱ阶段主要发生在丁5－6－19160工作面以下的井田西翼，埋藏深度670～850m，原岩应力和瓦斯的作用开始增强，勿需借助特殊的地质构造即已具备发动突出的内能，采动应力可以成为突出的触发动力;部分突出已表现为低煤、高瓦斯和高吨煤瓦斯的“一低两高”特征，瓦斯的作用显著加强，瓦斯内能是推动持续压出的主要动力，发生的概率较高，具有多发性特征。

第Ⅲ阶段虽然开采强度增大，开采深度持续增加，但2003年至今，四矿已连续数年没有发生过煤与瓦斯突出现象。其原因主要是:客观方面，井田丁5－6煤层西翼的储量大部分回采结束，东翼煤层瓦斯含量和压力明显较低，发生突出的瓦斯应力条件没有达到。主观方面:四矿经过前一阶段的学习和实践，掌握了矿井动力现象的发生规律，制定了较完善的预测和防治措施。尤其是成立了防突科和防突队后，采用抽放瓦斯和开采保护层区域防突措施，很好地控制了突出事故的发生。