煤与瓦斯突出影响因素耦合关系研究

姚 茜

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)



煤与瓦斯突出影响因素耦合关系研究

姚 茜

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

对平煤八矿煤与瓦斯突出特征统计分析，认为地质构造、构造煤发育特征及煤层瓦斯赋存特征是影响平煤八矿煤与瓦斯突出的主要地质因素，同时结合平宝公司实例重点分析各影响因素之间相互关系。研究结果表明：地质构造作为突出诱发因素，占主导作用，控制瓦斯压力梯度形成高压瓦斯，控制煤层瓦斯赋存；地质构造促进构造煤变质、变形过程，影响构造煤发育特征；三种影响因素互相叠加形成煤与瓦斯突出的构造物理环境，共同作用至一定程度时即发生煤与瓦斯突出。

煤与瓦斯突出；地质构造；瓦斯；构造煤

煤与瓦斯突出作为一种受多种地质因素作用的动力现象，其发生会造成煤矿企业人员伤亡及财产损失，严重制约着煤矿的安全生产[1-2]。因此必须深入对煤与瓦斯突出事故发生机理研究，以便采取有效防范措施。目前国内外瓦斯地质学者普遍认为突出是地应力、煤层瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果[3-5]，但专门针对各影响因素之间的相互作用关系研究成果较少：杨治国等[6]从瓦斯地质学角度出发分析断层力学性质、断层规模、断层两盘岩性、断层埋深和现代构造应力场等5个方面研究正断层对煤层瓦斯赋存的控制作用；屈争辉[7]基于对构造煤微观到宏观结构的测试分析，探讨了构造煤结构对瓦斯特性的控制机理；程远平等[8]通过理论分析与现场验证相结合的方法，分析构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律等。为了进一步加强对突出机理的探讨，以平煤八矿与平宝公司为例，分析煤与瓦斯突出特征及影响因素，重点研究各影响因素之间的相互作用关系，为煤与瓦斯突出机理研究与防突工作提供参考。

1 煤与瓦斯突出特征

1.1 煤与瓦斯突出特征

八矿自1984年10月发生第一次突出以来，据不完全统计，到目前为止累计煤与瓦斯突出45次。结合八矿的构造物理环境[9-10]，将八矿的煤与瓦斯突出特征分为以下四类：

(1)煤与瓦斯突出的地质特征

①突出受地质构造带(包括断层、褶曲、煤层倾角变化、煤层厚度变化等)影响十分明显，断层处发生煤与瓦斯突出事故18次，占总突出事故的40%；褶曲处发生煤与瓦斯突出事故1次，占总突出事故的2.2%。

②煤层倾角变化引发煤与瓦斯突出10次，占总突出次数的22.2%；煤层厚度变化引发煤与瓦斯突出10次，占总突出事故的22.2%。

③突出以压出为主，目前所发生的45次突出中，煤与瓦斯压出36次，煤与瓦斯突出7次，煤与瓦斯倾出2次。其中煤与瓦斯压出占总突出事故的80%，说明地应力在突出过程中起主导作用。

(2) 煤与瓦斯突出的构造煤特征

①构造煤由薄变厚引发煤与瓦斯突出20次，占总突出事故的44.4%。

②突出卡片反映出几乎所有突出点位置都有“构造煤发育”、“煤层变软”的记录。

(3) 煤与瓦斯突出的瓦斯特征

突出发生在戊组煤层与己组煤层，其中戊9-10煤层突出26次，始突深度为363m，己15煤层突出19次，始突深度为348m。如图1所示，随着突出点深度的增加，抛煤量和瓦斯涌出量都有线性增加的趋势，说明随着采深的增加，煤层瓦斯含量增大，突出时瓦斯涌出量增多，突出危险性也增大。

图1 煤层突出点埋深与抛煤量、瓦斯涌出量的关系

(4) 煤与瓦斯突出的动力特征

①突出强度主要以小型突出为主，发生小型突出(突出煤量小于50t)30次，占66.7%；中型突出(突出煤量50～99t)3次，占6.7%；大型突出(突出煤量100～999t)12次，占26.6%。

②受外力冲击作用诱发煤与瓦斯突出所占比重较大，其中放炮落煤诱发突出31次，综采机落煤诱发突出9次，掘进机落煤诱发突出1次，风镐落煤诱发突出1次，因打钻诱发突出3次。

③大多数煤与瓦斯突出发生前具有一定的预兆，其中有声预兆包括顶板来压、响煤炮或闷雷声等；无声预兆有煤层厚度不一，尤其是煤层层理紊乱、软分层变化、打钻时顶钻、夹钻或喷孔等。

2 煤与瓦斯突出影响因素

煤与瓦斯突出的影响因素可以分为外因和内因：外因主要指作业过程中外力冲击作用诱发突出，是次要因素；而内因指八矿突出点的构造物理环境，是导致突出的主要因素。从瓦斯地质学的角度分析八矿煤与瓦斯突出事故的主要因素是地质构造、构造煤发育特征、煤层瓦斯赋存特征。

2.1 地质构造对突出的影响

地质构造是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素之一[11-13]，其通过控制瓦斯赋存、煤体结构及地应力来影响突出：①背斜或压扭性断层有利于瓦斯聚集，形成高压瓦斯，为突出提供物质条件；②构造区域内煤体结构严重破坏，煤体强度大幅降低，往往伴随着一定厚度的构造煤，抵抗突出的能力下降；③地质构造区域应力分布不均匀，例如褶曲的轴部变形最大，应力缓解，形成卸压带，而褶曲轴的两翼应力集中，形成高压带，为突出提供了动力来源。八矿发生的45次突出事故，其中39次发生在地质构造带附近，占总突出事故的86.7%。从图2可以看出，突出受断层影响最为明显，尤其是断层尖灭端。如八矿己组13170工作面在掘进过程中发生突出8次，通过瓦斯地质研究发现，其位于辛店正断层的尖灭端，采区内断层最大落差达20m，煤层瓦斯含量高达20m3/t，突出区域煤体结构综合指标K值高达88，突出集中分布在断层尖灭端的次级小断层附近。

2.2 构造煤发育特征对突出的影响

构造煤是指煤层中分布的软弱分层，是煤体在复杂构造应力作用下发生破碎或强烈的韧塑性变形及流变迁移的产物[14]。构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用[15-18]表现为：①构造煤透气性小有利于形成较高瓦斯压力，比表面积大有利于游离瓦斯的富集和运移；②构造煤结构受到不同程度的破坏，抵御外界作用的能力降低；③构造煤强度低，在采掘过程中受集中应力(或卸压)作用下，其压缩(或伸张)变形幅度较大，有利于瓦斯的迅速解吸、放散和快速流动。因此一定厚度构造煤的存在是煤与瓦斯突出发生的物质载体。据突出统计资料记载，八矿发生的45次突出中，20次突出前伴随着软煤层变厚的预兆，并且构造煤厚度大约为0.5～2m。在突出较集中的13170工作面，正常地段构造煤厚度一般为0.2～0.4m，突出点位置构造煤厚度增加，平均为0.8m，局部达到1.5m以上，形成构造煤发育带，从而可以看出，构造煤厚度直接影响突出发生的危险性。

2.3 煤层瓦斯赋存特征对突出的影响

瓦斯是地质作用的产物，在煤层中处于吸附和游离两种赋存状态[19-20]。瓦斯对煤与瓦斯突出的控制作用主要表现为：①瓦斯聚集是突出的基础条件，聚集瓦斯压力是突出的动力来源之一；②在突出过程中，瓦斯大量解吸，瓦斯内能转化为对外膨胀做功，不但参与了破坏煤体，而且搬运破碎煤体，促进突出向深部发展。影响八矿煤层瓦斯赋存的因素有煤层埋深、煤层厚度、顶底板岩性等。从表1中的回归式可以发现随着煤层埋深的增加，瓦斯含量具有明显增大的趋势，且瓦斯垂直分带性明显；戊组与己组煤厚约3.5m，煤层为瓦斯储存提供了场所，煤层越厚，储存瓦斯量越大，突出危险性越高；戊组与己组煤层顶底板均为砂质泥岩，致密坚硬，不利于瓦斯的排放，对煤层瓦斯赋存影响很大。

表1 八矿煤层瓦斯赋存与埋深的关系

3 煤与瓦斯突出影响因素相互作用关系研究

3.1 地质构造对煤层瓦斯的控制作用关系

(1)断层性质对绝对瓦斯涌出量的影响

地质构造中的断层不仅破坏了煤层的完整连续性，而且使煤层瓦斯的排放条件发生变化。当不考虑断层与地面或冲击层的连通情况时，张性正断层属于开放型断层，断裂处瓦斯易扩散，采掘过程中在揭露该断层处时，绝对瓦斯涌出量较低；而压性或压扭性逆断层则属于封闭性断层，有利于瓦斯的赋存，采掘过程中在揭露该断层处时，绝对瓦斯涌出量较高。平煤八矿己15-14140机巷掘进至后半段，在距离开口695m、770m、815m位置揭露3条正断层，在距离开口805m位置揭露一条逆断层(图3)。在张性正断层F1、F2、F4揭露位置绝对瓦斯涌出量出现谷值，而在揭露前约10m处出现峰值，因此在实际生产过程中当发现绝对瓦斯涌出量突然增大，可能预示前方会揭露正断层；在压扭性逆断层F3揭露位置绝对瓦斯涌出量出现峰值，在实际生产过程中应该在此处加强抽放措施。

图3 断层性质与绝对瓦斯涌出量的关系示意图

(2)地质构造对钻孔瓦斯涌出初速度的影响

钻孔瓦斯涌出初速度综合反映煤层瓦斯含量的高低以及地应力的变化。在地质构造带附近，瓦斯压力大，应力较集中，钻孔瓦斯涌出初速度q值较大，在地质构造复杂处，q值易超标。例如平宝公司11061风巷掘进期间，在开口位置至前方150m处揭露三条连续小断层，落差分别为0.3m、0.8m、1m，并且煤层走向变化较大，煤层厚度达6.5m，属于地质构造较复杂地段，掘进期间该段钻孔瓦斯涌出初速度时，超标次数较多，且超限幅度较大(图4)。

图4 地质构造与钻孔瓦斯涌出初速度关系示意图

(3)地质构造对残存瓦斯含量的影响

地质构造复杂地段，不仅会造成瓦斯积聚，瓦斯压力梯度高，而且构造煤发育，煤质松软，造成打钻异常，不易进行瓦斯抽放，因此残存瓦斯含量相对较大。例如平宝公司11061采面在回采过程中进行残存瓦斯含量测试时发现，在距离切眼附近煤层厚度变化较大(从平均厚度6m骤变成2.8m，出现走向约200m的薄煤带)，并在该段距离内揭露了3条小断层，煤层走向起伏变化较大，受小型牵引褶曲影响，因此属于地质构造复杂地段，如图5所示，该范围内残存瓦斯含量较大。

图5 地质构造与残存瓦斯含量关系示意图

3.2 地质构造对构造煤的控制作用关系

(1)地质构造对构造煤发育的影响

地质构造带附近由于复杂构造应力的影响，对煤体结构的破坏强度较大，构造煤较发育。通过对平煤八矿与平宝公司井下地质构造带附近构造煤的观察测试发现，不仅构造煤煤体坚固性系数f值降低，并且构造煤的厚度h会有所增大，如表2所示。

表2 地质构造与构造煤发育关系表

(2)地质构造对钻屑量S的影响

钻屑量作为工作面日常预测的主要指标，综合反映煤体所处位置的煤质指标与地应力大小。地质构造带附近由于构造应力对煤体结构破坏的影响，在钻屑量测试过程中会出现局部的超限现象。例如平煤八矿21030机巷在掘进至700m至1000m过程中，日常工作面效检指标钻屑量S值分别在距开口713m、764m、822m、940m处出现超标，对应瓦斯地质图与井下观测发现，上述位置均揭露出断层(图6)。因此在地质构造附近构造煤较发育，煤质松软，突出危险性较大，应加强围护措施。

图6 地质构造与钻屑量关系示意图

4 结 论

(1)综合分析矿井煤与瓦斯突出特征可知，地质构造、构造煤发育特征及煤层瓦斯赋存特征是影响八矿煤与瓦斯突出的主要因素，构造物理环境的多因素综合作用控制平煤八矿的煤与瓦斯突出。

(2)地质构造影响煤层瓦斯压力梯度，控制煤层瓦斯赋存规律，对区域防突指标残存瓦斯含量以及局部防突指标钻孔瓦斯涌出初速度均有影响，特别是断层性质与绝对瓦斯涌出量的关系表现为压扭性逆断层处出现峰值，张性正断层处出现谷值，且其前方出现峰值。在工程采掘期间，利用张性正断层绝对瓦斯涌出量峰值超前性这一规律可以预测工作面前方的地质构造情况。

(3)地质构造破坏煤体结构，促进构造煤的发育，表现为煤体坚固性系数f值降低与构造煤厚度h值增大；在进行地质构造带局部防突指标钻屑量测试时易超标，出现打钻异常现象较多，因此需加强地质构造带瓦斯超前抽放与煤壁围护措施。

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Study on Coupling Relationships of Outburst Influencing Factors between Coal and Gas

YAO Qian

(Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212, China)

Taking coal-mine eight of Pingdingshan Coal Mine Group as example, the statistical analysis of the characteristics of coal and gas outburst shows that geological structure, development characteristics of structural coal and occurrence characteristics of coalbed gas are main geological factors which affect coal and gas outburst.Combined with examples of Pingbao Company, the relationships between the various influencing factors are analyzed.The results showed that geological structures, as predisposing factors of outburst, play a dominant role in controlling the gas pressure gradient to form a high pressure gas and coalbed gas occurrence; geological structures also promote metamorphism and deformation process of structural coal and affect its development characteristics; three factors superimpose on each other, forming the structural physical environment of coal and gas outburst, and works together to cause coal and gas outburst.

coal and gas outburst; geological structure; gas; structural coal

2016-06-23

姚 茜(1990-)，女，湖北黄冈人，助教，硕士，主要从事土木工程类专业的教学及研究工作。

TD263.4+1

A

1673-0496(2016)04-0013-04

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2016.04.005