平煤八矿煤与瓦斯突出特征及其与预测指标关系的研究*

黄战峰　梁跃强　王晶

(1.中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院　北京100083; 2.河南城建学院市政与环境工程学院　河南平顶山 467036)



平煤八矿煤与瓦斯突出特征及其与预测指标关系的研究*

黄战峰1, 2梁跃强1王晶1

(1.中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院北京100083; 2.河南城建学院市政与环境工程学院河南平顶山 467036)

摘要针对平煤八矿煤与瓦斯突出特征，采用现场观测、数理统计及瓦斯地质方法，研究煤与瓦斯突出规律及其与日常预测参数的关系。研究表明，地质构造对煤与瓦斯突出有明显的控制作用，日常预测参数q，S值超标严重位置与煤与瓦斯突出点分布具有一致性。通过跟踪观测瓦斯地质异常变化及日常校检参数超标情况，将二者有效结合起来预测采掘工作面前方煤与瓦斯突出危险性，对提高预测准确性，保证采掘工作面安全高效生产有着重要的意义。

关键词煤与瓦斯突出特征地质构造预测指标校检参数

0引言

煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种复杂动力现象，造成井下人员伤亡和设施破坏，威胁煤矿安全生产。国内外学者对煤与瓦斯突出机理和预测方法进行了大量研究[1]，提出了多种预测方法和指标，包括地质指标和瓦斯指标等，其中广泛采用的预测指标是瓦斯涌出初速度q值和钻屑量S值，临界值根据矿井具体条件研究确定。瓦斯地质研究表明[2]，突出煤层的突出危险性具有分区、分带规律，地质条件对煤与瓦斯突出起控制作用，不同地质构造、不同构造部位突出危险性不同[3-4]。随着矿井开采深度增加，地应力增大，煤体结构破坏严重，上山掘进面片帮严重，对测试人员人身安全造成威胁。加上采掘工作面环境恶劣，测试人员无法规范地完成测试，造成预测(校检)参数存在误差，不能真实反映工作面前面突出危险性。因此，采取措施保证参数测试规范、准确，研究参数超标与煤与瓦斯突出危险性的关系，对提高煤与瓦斯突出预测的准确性，指导矿井安全生产有着重要的意义。

1矿井概况

平煤八矿位于平顶山市东部，设计生产能力300万t/a，采用竖井二水平、岩石集中大巷、石门、采区上下山开拓。主要开采二叠系下统山西组和下石盒子组四层煤，总厚度平均11.6 m。矿井1984年10月13日发生第一次煤与瓦斯突出，至今累计突出45次，距今最近一次发生在己15-14120机巷掘进期间，突出煤396 t、瓦斯35 053 m3，造成1人遇难。随着开采强度和深度的增加，煤体破坏严重，地应力增大，预测(校检)参数超标情况增多，煤与瓦斯突出危险性增大。

2煤与瓦斯突出特征及影响因素

2.1煤与瓦斯突出特征

对45次煤与瓦斯突出事故的记录卡片进行深入分析，总结煤与瓦斯突出特征如下：

(1)突出点分布受地质构造带控制、小断层影响明显。地质构造带附近发生突出18次，突出点多分布在断层两盘附近的构造应力集中带内。煤层变厚、变软、层理紊乱及合层处易发生突出，软分层厚度增加，突出危险性增大。

(2)突出以压出为主，地应力起主要作用。对矿井突出卡片记录信息进行统计分析，发生压出36次，占80%，说明地应力尤其是水平构造应力在突出过程中起主要作用，是发生突出的动力因素；发生突出7次，占16%，说明瓦斯在突出过程中也起到重要作用。

(3)突出与作业方式有关。放炮引起突出31次，割煤引起突出9次，打钻引起突出3次，掘进机掘进引起突出1次，手镐落煤引起突出1次。对煤扰动大的作业方式易诱发煤与瓦斯突出。

(4)1989—1993年间突出比较集中，总结原因有两点：一是当时科研投入不够，防突技术受限，防突措施的效果不理想，不能有效降低煤层瓦斯含量、压力，构造附近应力释放不充分，在地质构造复杂地段，突出发生频繁；二是突出主要发生在四月、十月和十二月，其次是三月和八月，原因跟大气压有关，在三月、四月和十月份，气温相对低，井下巷道空气压力大，煤体内外气压差小，瓦斯涌出困难，造成煤体内瓦斯压力大、含量高，突出危险性大。

2.2煤与瓦斯突出影响因素

煤与瓦斯突出受工程因素和地质因素控制，工程因素起诱导作用，地质因素是必要条件，对煤与瓦斯突出的分布起控制作用。地质构造、煤层瓦斯赋存及构造煤是影响煤与瓦斯突出发生及分布的主要地质因素。

八矿处于李口向斜轴南东转折仰起端，是NW向和NE向构造交汇部位，地质条件复杂，构造应力集中，形成煤与瓦斯突出的有利条件。己组煤层突出点集中在辛店正断层尖灭端附近50～100 m范围内，区域内13170机巷掘进不到200 m就连续发生过8次突出。戊组煤突出点集中在焦赞向斜轴部，在已发生的26次突出中，该区域发生16次，占61.5%。

煤体结构遭到破坏形成构造煤，抵御外力的能力降低，是煤与瓦斯突出的有利条件。戊组构造煤在全矿井发育，剖面上有明显的两硬一软“三层结构”，构造煤厚度在1.0 m以上，局部区域增大，在矿井次级褶皱转折端和斜切断层影响带，厚度达到2.0 m以上，甚至全层发育。煤层中可见顺层滑动镜面，使构造煤和原生结构煤的分界清晰，在滑动面下常发育碎粒煤和糜棱煤，对煤与瓦斯突出有利。3煤与瓦斯突出与预测指标及校检参数的关系

3.1工作面煤与瓦斯突出预测指标选择

工作面煤与瓦斯突出预测指标有很多，因测量工序复杂、耗时长以及结果不直观，现场应用不多，而瓦斯涌出初速度q和钻屑量S值因反映了决定煤层突出危险性的多种因素，是评价突出危险性的综合指标，现场测试方便，对生产影响小，结果直观可靠，被广泛应用。

钻孔瓦斯涌出初速度(q值)全面反映了工作面前方煤体原始瓦斯压力、含量、应力状态、透气性及力学性质等因素，几乎反映了决定煤层突出危险性的全部因素，所以该指标能很好地反映出煤与瓦斯突出的危险性[5]。1969—1980年间，苏联在顿巴斯127个矿井进行了预测实践，准确率高达98%[6]，说明钻孔瓦斯涌出初速度法是一种预测可靠的方法。

钻屑量(S值)是一个综合性指标[7-8]，综合反映了煤体在地应力、瓦斯压力作用下的破碎程度。打钻时煤体位移、摩擦、挤出、破碎等方式释放的潜能以钻屑增量形式表现出来[9]。在相同的打钻工艺条件下，煤层应力越大，瓦斯压力越大，煤的强度越小，所产生的钻屑量就越多，从而反映出突出危险性也越大。煤与瓦斯突出预测钻屑量指标临界值表达式为[10]

根据平煤八矿开采技术和瓦斯地质条件，确定临界值q=4 L/m，S=5 kg/m(低于按公式计算的6 kg/m)。对采掘工作面进行突出预测指标跟踪考察及整理分析历史资料, 收集数据673组(表1)，结合突出卡片记录，发现在突出发生前均出现多次q，S值超标，而且突出点附近有煤厚急剧变化等地质现象。经研究，q，S值对突出预测比较敏感，且q值敏感性略强，故采用二者为防突预测及效检指标，同时结合地质条件进行预测。

表1　采掘工作面突出预测指标统计

3.2煤与瓦斯突出与预测(校检)参数的关系

矿井最近一次突出发生在己15-14120机巷距开口618 m处，突出点之前一段范围内(600 m段)效检参数超标严重，q值达15.2 L/min，S值达9.0 kg/m，且有两处出现二指标同时超标现象(q=6.7 L/min，S=9.0 kg/m和q=8.3 L/min，S=7.8 kg/m)，巷道掘进期间预测(校检)参数超标点分布情况见图1。对突出点附近地质构造发育情况分析得知，该处位于背斜构造轴部，煤层倾角发生由缓变陡再变缓，交替变化明显，煤层厚度变薄，附近顶板内发育5条小断层群，和预测(校检)超标点出现位置具有一致性。对矿井煤与瓦斯突出情况分析，研究煤与瓦斯突出特征及其与预测参数和地质构造之间的关系，为邻近采区及工作面采掘期间突出预测提供科学指导，对突出预测效果工业性验证提供条件。

图1　平煤八矿己15-14120机巷效检参数超标情况

选择最近一次突出点邻近的己15-14140采面机巷为研究对象，掘进期间测得最大瓦斯质量浓度16 m3/t，瓦斯压力 1.6 MPa。ΔP值10.7～21.4，f值0.21～0.52，大多小于0.5，执行防突措施时多次出现喷孔、夹钻、顶钻和响煤炮等现象。巷道掘进期间揭露5条正断层，最大断距2.0 m，断层附近顶板破碎，煤体破坏严重，预测(校检)参数超标点多。对机巷揭露小断层和小节理发育情况进行统计，并作玫瑰花图进行受力方向定性分析(图2，图3)，判断该工作面受力方式以NE-SW向为主，其次是NW-SE向，与矿井所处地质构造背景相一致。

图2　平煤八矿己15-14140机巷断层走向玫瑰花图

图3　平煤八矿己15-14140机巷节理走向玫瑰花图

对巷道掘进期间预测(效检)参数进行统计分析(图4)，在超标点附近取样测试参数和观测地质构造发育情况，查询当班打钻日报记录。研究发现，超标点存在不同程度喷孔、顶钻及夹钻等瓦斯动力现象，在800 m前后段连续发育4条断层，测试f值普遍小于0.3，ΔP大于17，说明超标点位置具有突出危险性。将地质构造指标和日常预测(效检)指标有效结合起来，对预测煤与瓦斯突出危险性是可行的，同时也可以弥补因人为操作不规范引起测试参数出现误差，不能真实反映预测范围内煤与瓦斯突出危险性的情况，提高预测准确性，对防止出现低指标煤与瓦斯突出的现象有指导意义。

图4　平煤八矿己15-14140机巷效检参数超标情况

4结论

(1)平煤八矿突出点分布受地质构造控制，小断层影响明显，以压出为主，与作业方式有关；工程因素主要起诱导作用，地质因素是煤与瓦斯突出的必要条件。

(2)日常预测(效检)指标q值和S值能反映决定煤层突出危险性的全部因素。研究发现，q值和S值超标点分布与煤与瓦斯突出发生地点具有一致性，说明采用预测(效检)参数q值和S值对煤与瓦斯突出进行预测是有效可行的。

(3)将地质构造指标和日常预测(效检)指标有效结合起来，规范参数测试流程，可减小人为原因造成参数测试误差，防止出现低指标煤与瓦斯突出情况，提高煤与瓦斯突出危险性预测的准确性。

参考文献

[1]俞启香．矿井瓦斯防治[M]．江苏徐州：中国矿业大学出版社，1992．

[2]彭立世．煤与瓦斯突出区域预测的认识基础[J]．煤矿安全，1996(2)：35-37．

[3]袁崇孚．我国瓦斯地质的发展与应用[J]．煤炭学报，1997，22(6)：566-570．

[4]郭德勇，韩德馨，王新义．煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用[J]．北京科技大学学报，2002，26(6)：581-584．

[5]仇海生,曹林,都锋,等.钻孔瓦斯涌出初速度指标的影响因素分析[J]．煤矿安全，2010(4)：99-101．

[6]于不凡. 国外煤和瓦斯突出日常预场研究综述[C]∥煤与瓦斯突出预测资料汇编.重庆：煤炭工业部煤炭科学研究院重庆研究所，1987.

[7]桂祥友，徐佑林，孟絮屹，等. 钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用[J].北京科技大学学报，2009，31(3)：285-289.

[8]王路军.突出预测指标钻屑量的实验研究[J].煤矿安全，2008(9)：1-3.

[9]李志强.水力挤出措施防突机理及合理技术参数研究[D]. 河南焦作：河南理工大学，2004.

[10]文光才，王先义.突出预测钻屑量指标的探讨[J].矿业安全与环保，1998 (3)：18-21.

Study of the Relationship Between Coal and Gas Outbursts Characteristics and Prediction Index in Pingdingshan Coal Mine No.8

HUANG Zhanfeng1,2LIANG Yueqiang1WANG Jing1

(1.FacultyofResource&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&TechnologyBeijing100083)

AbstractAimed at the features of coal and gas outburst in Coal Mine No.8, the relationship between coal and gas outburst rules and daily forecast parameters is researched by utilizing the methods of in-situ observation, mathematical statistics and gas geology. The results show that geological structure is the major factor to control coal and gas outburst, seriously excessive position of daily prediction parameter q and S value has much consistency with coal and gas outburst points. Coal and gas outburst danger ahead the mining working face is predicted by tracking the observation of abnormal changes of gas geological and daily forecast parameters exceeding situation and combining them effectively, which is significant to improve the prediction accuracy and ensure the safety and high-efficiency production of heading face.

Key Wordscoal and gas outburstfeaturesgeological structureprediction indexinspection results parameter

*基金项目：教育部博士点基金项目 (20110023110016)。

作者简介黄战峰，男，1982年生，讲师，博士研究生，主要从事矿井瓦斯灾害防治方面的教学和科研工作。

(收稿日期：2015-04-08)