钱家营矿煤与瓦斯突出关键因素分析

张嘉勇，庞 飞，周凤增，王 凯，张金海

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063200；2.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063000；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

煤矿的安全生产至关重要，不仅影响经济效益，更是关系到井下人员的生命财产安全。而煤与瓦斯突出具有破坏性强、危险性大、过程复杂、影响因素多的特点，因此，全面系统的分析煤与瓦斯突出因素具有不可忽视的现实意义。我国专家学者已经在中心扩张、流变、固体耦合失稳、球壳失稳等方面进行了一系列的理论研究[1-2]。现在普遍认为煤与瓦斯突出并非是单一方面影响产生的，而是瓦斯、地应力和煤的物理力学性质多方面因素共同影响的结果[3-4]。在综合考察国内外煤与瓦斯突出研究基础上，闫江伟等[5]提出了以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦斯突出地质控制机理，认为地质构造控制着煤与瓦斯突出。随着开采深度的不断增加，煤与瓦斯突出的可能性也相应增大，由于不同区域矿井煤层赋存情况差异很大，煤与瓦斯突出各影响因素的作用程度不同，关键影响因素能否有效确定，对于及时预测煤与瓦斯突出具有重要的意义。论文结合瓦斯地质资料，对钱家营矿煤与瓦斯突出各种影响因素进行了系统分析，确定了瓦斯突出的关键影响因素，为钱家营矿煤与瓦斯突出危险性预测提供指导。

1 煤与瓦斯突出各因素分析

钱家营矿主要可采煤层为5煤层、7煤层、9煤层、12煤层，结合瓦斯地质资料，对比分析瓦斯压力、瓦斯含量、煤厚变异、地质构造、煤的结构特性和顶底板岩性对可能突出区域的作用，最终确定钱家营矿煤与瓦斯突出的关键因素。

1.1 煤层的瓦斯含量与瓦斯压力

瓦斯压力与瓦斯含量是影响煤与瓦斯突出的重要指标，瓦斯含量和瓦斯压力随煤层埋藏深度的增加而增加[6-7]。由钱家营矿瓦斯地质资料，结合钻孔资料，得到各煤层瓦斯含量和瓦斯压力及可能突出危险区域平面分布图，如图1、图2所示(图中水平粗实线为0.74 MPa瓦斯压力临界值，中部闭合粗实线区域为可能突出危险区域)。

从图1、图2中可以看出，5煤层、7煤层、12煤层、9煤层的可能突出区域大致都集中于-800～-1 100 m的中东部区域。在5煤层、7煤层异常区域分布在瓦斯压力和瓦斯含量临界值相一致处。但在9(12)煤层中可能突出区域只达到了瓦斯含量(瓦斯压力)临界值，瓦斯压力(瓦斯含量)值小于临界值。在可能突出区域西部，具有和可能突出区域相同的瓦斯压力与瓦斯含量，却没有突出的危险性。在可能突出区域的北部，瓦斯压力与瓦斯含量大于可能突出区域，也没有突出的危险性。综合分析可知，瓦斯压力与瓦斯含量不是钱家营矿发生突出的关键因素。

图1 钱家营矿5煤层、7煤层瓦斯含量和瓦斯压力平面分布图

图2 钱家营矿9煤层、12煤层瓦斯含量和瓦斯压力平面分布图

1.2 煤厚变异特征

煤厚变异指的是煤层厚度突变大的区域，能引起瓦斯含量和水平地应力梯度的增大，进而起到控制煤与瓦斯突出的作用[8-9]。结合各煤层可能突出区域与煤厚变化区域，可得表1所示关系(变异权重由层次分析法所得，划分区是根据每个煤层主要煤厚变化区域划分，突出重叠区是指可能突出区域与煤厚变化区域有无重叠)。

从表1中可以看出煤厚变异程度最大的是7煤层，其次为5煤层、12煤层、9煤层。煤厚变异区最多的也是7煤层有5个，其次是5煤层、9煤层含有4个，12煤层为3个，数量最少。所以钱家营矿受煤厚变异影响最大的是7煤层。表中突出重叠区只有5煤层、12煤层，煤厚变异区与可能突出区域的相关性不高。结合煤厚变异图可以发现，有的区域即使煤厚变异小，也具有突出危险的可能，即使煤厚变异程度大，也没有发生突出危险的可能。综合分析可知：煤厚变异不是钱家营矿突出的关键因素。

表1 各煤层煤厚变化统计

1.3 地质构造

地质构造主要分为褶曲构造与断层构造[10-11]。

1) 褶曲构造。钱家营井田的构造地段可划分为三个不同的部分，包括东北部褶曲区、中部单斜区和西南部褶曲区。尤其是东北部的褶曲构造，密集程度大，延伸范围长。

2) 断层构造。依据断层的分布情况分四个部分：东南部-200～-500 m、东部-550～-700 m、中部-400～-700 m、中部-800～-1 200 m。

将地质构造因素按照断层埋深、断层长度、断层条数、密集程度和褶皱关系划分成四个区域(图3)。

四个区域地质构造统计如表2所示，区域权重是按层次分析法将地质构造五个指标权重值相加而得(五个指标是指埋深范围、主断层条数、平均长度、相对密度和褶皱关系)[12-13]，量化了地质构造因素。

从表2中可以看出，地质构造影响程度大小依次为：区域四、区域三、区域二、区域一。区域一、二地质构造影响远弱于区域四，区域四的埋深大，断层构造复杂，又处于向斜区域为地质构造主要影响区域。钱家营矿区域四为重点区域。这与各煤层可能突出位置相吻合，有很好的关联性。

为了比较各煤层可能突出的强弱，统计了各煤层、各区域瓦斯突出相关指标，见表3。

图3 主要断层区域分布图

表2 四个区域地质构造统计

区域所在范围/m主断层条数/条平均长度/m相对密度(顺序)与褶皱关系权重区域一东南部-200～-50032104南阳庄背斜0.088区域二东部-550～-70021801南阳庄背斜0.170区域三中部-400～-70082003中部平缓区0.297区域四中部-800～-120093002高各庄向斜0.339

通过表3中可以发现各煤层可能突出区域都为四区域，强弱依次为5煤层、7煤层、9煤层、12煤层。综合可以看出，地质构造可能是钱家营矿突出的关键因素。

1.4 煤的结构特性

煤的结构特性是指煤的结构类型和破坏程度，受多种因素共同作用影响[14-15]。各煤层煤的结构特性如表4所示。

从表4中可以看出，煤的结构特性只有在区域四中可能有突出危险性，各煤层在同一区域中煤的破坏类型和坚固性系数相差不大，煤的结构特性在各区域作用强弱与地质构造作用强弱相一致。煤的结构特性中各煤层的可能突出危险性强弱依次为9煤层、12煤层、5煤层、7煤层，这与各煤层实际可能突出强弱顺序5煤层、7煤层、9煤层、12煤层不相符。综合可以看出，煤的结构特性不是钱家营矿突出的关键因素。

1.5 煤层顶底板岩性

煤层围岩一般指直接顶、老顶和底板在煤层外围形成一定厚度的层段。煤层围岩的密实程度要高于煤层，瓦斯不易逸散，进而影响到瓦斯的赋存情况。各煤层、各区域顶底板岩性如表5所示。

表3 各煤层各区域瓦斯突出指标统计

表4 各煤层煤的结构特性

表5 各煤层、各区域顶底板岩性统计

从表5中可以看出，5煤层、7煤层、9煤层、12煤层的顶底板岩性通透性依次减小，12煤层的通透性最弱。在9煤层中二区域、三区域、四区域通透性弱于一区域，在四区域5煤层比7煤层通透性大，其他区域基本一致。所以钱家营12煤层是受顶底板岩性影响最大的煤层。而可能突出区域在5煤层、7煤层、12煤层、9煤层中依次减弱，煤层顶底板岩性影响煤层的强弱与各煤层可能突出的强弱呈相反状态。综合可以看出：煤层顶底板岩性不是钱家营矿突出的关键因素。

2 关键因素的确定

上述分析可以得出，瓦斯含量与瓦斯压力、煤厚变异特性、煤的结构特性、顶底板岩性都不具备钱家营矿突出关键因素的可能，地质构造因素与突出区域有很好的的关联性。为了进一步分析，下面运用模糊综合评价法对各因素进行综合分析。

首先确定评价集V(瓦斯含量与瓦斯压力、煤厚变异特性、地质构造、煤的结构特性、顶底板岩性)和因素集U(5煤层、7煤层、9煤层、12煤层)，经过有经验的技术人员和专家共同商议可以得到各因素评分总表(采用十分制)，见表6。

由表6可以得到模糊关系矩阵R=V×U，接下来由层次分析法可以确定出各煤层的权数A(0.466 0.277 0.161 0.096)，最后可以得到模糊运算矩阵B=A×R。

B=A×R=(0.466 0.277 0.161 0.096)×=(7.07 6.70 8.05 5.40 5.14)

由B可以看出瓦斯含量与瓦斯压力、煤厚变异特性、地质构造、煤的结构特性、顶底板岩性的评分依次为7.07、6.70、8.05、5.40、5.14，最大的是地质构造因素，进一步证明了地质构造因素可能是突出的关键因素。

结合瓦斯地质图和钻探资料，在5煤层、7煤层中，5煤层落差和受挤压程度大于7煤层，瓦斯沿断层裂隙上移，5煤层受挤压透气性减弱，瓦斯逸散困难，导致5煤层突出可能性大于7煤层。虽然12煤层处于9煤层下端，但受向斜的影响12煤层出现了细小延伸断层，有利于瓦斯储存，导致12煤层突出可能性大于9煤层。受断层和褶皱的影响，尤其是在两者相生的区域，会引起地应力的增高，瓦斯含量和瓦斯压力增大，煤体结构破碎严重，进而出现煤与瓦斯突出区域，这与普遍接受的煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤体结构共同作用的综合作用假说相吻合。综合分析可以得出：地质构造是钱家营矿突出关键因素。

3 结 论

1) 依据地质构造因素，断层埋深、断层长度、断层落差、密集程度和褶皱关系将煤层赋存情况划分为四个区域。以层次分析法计算出了四个区域地质构造因素的权重，量化了地质构造因素对煤与瓦斯突出的影响。

2) 通过钱家营5煤层、7煤层、9煤层、12煤层瓦斯含量、瓦斯压力、煤厚变异特性、煤的结构特性、顶底板特征和地质构造因素对比分析，得出只有地质构造因素与突出区域有很大的关联度。运用模糊综合评价法将各因素进行分析，地质构造因素对突出影响有最大比重。地质构造因素能够很好的解释5煤>7煤>9煤>12煤突出强弱关系产生的原因，同时也符合煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤体结构共同作用的结果。综合分析确定了地质构造因素是钱家营矿煤与瓦斯突出的关键因素。

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