背斜对煤矿灾害的控制作用研究

2019-03-20金明方李松营王恩营

煤矿安全 2019年2期

金明方，李松营，王恩营

（1.义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南义马 472300；2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454010）

我国煤矿开采深度以平均10～20 m/a的速度增加[1-2]，地质条件日趋复杂，矿井灾害频发，以突出灾害最为严重。目前煤与瓦斯突出机理以瓦斯假说、地应力假说、化学本质假说和综合假说为代表[3-7]，其中综合假说得到国内外专家的广泛认同。大量研究证实煤与瓦斯突出的危险性与地质构造复杂程度密切相关[7-12]。而褶皱构造是自然界最为常见的地质构造，对煤层地应力、瓦斯和煤体结构均有较强影响，对煤与瓦斯突出具有较好的控制作用。不同应力及构造煤分布也对突出产生影响，挤压构造带是构造煤的主要分布区[13]，因此，在褶皱构造内部，发生煤与瓦斯突出的几率也不相同。另，不具有自燃倾向的煤层难以发生自燃，但在背斜构造轴部，由于构造热在一定程度上改变了煤质，其几何形态又有利于热量的积聚，可能发生煤层自燃事故[14]。

1 义安背斜概况

义安矿业主采二1煤属于豫西“三软煤层”，埋深超过600 m，瓦斯含量及压力较高，系煤与瓦斯突出矿井。该矿近年来虽然采用了重装设备进行灾害防治，但矿井灾害仍时有发生，特别是瓦斯动力灾害和煤层自燃事故，给矿井安全生产带来了较大威胁。根据三维地震勘探成果和现场实际揭露情况分析，在该矿12采区中部分布着1个小区域性的背斜，控制工作面8～10个。其轴部区域占矿井已采掘面积不足20%，但矿井3个瓦斯异常区均分布在此处，6起煤与瓦斯突出事故4起发生在此处，2次煤层自然发火全部发生在此处，此处的断层密度是整个矿区的39倍，通过大量数据分析可得，该背斜对这些矿井灾害有较强的控制作用。义安背斜轴部灾害分布如图1。

图1 义安背斜轴部灾害分布图

2 义安背斜对瓦斯赋存的控制

2.1 义安背斜应力分析

1）背斜构造演化力学分析。一般煤与瓦斯突出大多发生在褶曲的轴部，这是因为地壳挤压运动使褶曲两翼存在1个压应力p1；当地壳运动停止后，煤层有恢复原状的趋势，产生1个拉应力p2，则背斜轴部势必存在1个潜能p3（可认为是两侧p2的合力（图2）），其方向来自顶板[15]。这种来自顶板的地应力，在一定程度上会封闭围岩中的裂隙，造成瓦斯不易散逸；同时会压缩煤体的孔隙和裂隙，造成较高的瓦斯压力。

图2 背斜受力示意图

2）背斜中和面上、下力学分析。褶皱中和面上下受力分析、产状和构造如图3。由图3可知，背斜外凸的一侧受到平行于弯曲弧的引张而拉伸，内凹一侧则受到平行与弯曲弧的挤压而压缩，二者之间有一个既无拉伸也无压缩的无应变的中和面[16]。中和面上下的应力正好相反，因此若为塑性岩层（特别是煤层），则在背斜上层会变薄，在背斜下层会变厚（图3（b））；若为脆性岩层则会在背斜上层产生楔状张性裂面或在背斜下层产生压剪性断层[17]（图3（c））。

图3 褶皱中和面上下受力分析、产状和构造

3）义安背斜定性描述。背斜区域内二1煤层等厚线如图4。由图4可知，义安背斜的控煤作用非常显著，其轴部煤层变厚，最厚处达16.7 m，向两翼逐渐变薄至3 m。可见，在义安背斜区域内，二1煤层应该位于中和面以下，受到强烈的挤压应力作用。因此，义安背斜应为弯流作用形成的纵弯褶皱，二1煤层在背斜区域内受到强烈的挤压应力作用，轴部煤层变厚，两翼变薄[18]；同时受到顶板指向核部的应力作用，地应力较大。

图4 背斜区域内二1煤层等厚线图

2.2 义安背斜对瓦斯的控制作用

1）义安背斜控制煤厚对瓦斯的影响。一般而言，在其他条件相同的情况下，煤厚大的区域瓦斯含量也相对偏大，煤层厚度与瓦斯含量表现为正相关的特点[19]。在对义安背斜区域内工作面瓦斯含量进行统计分析可知，义安背斜使小区域内煤层厚度产生了有规律的变化，而煤厚又影响了瓦斯的赋存，煤厚与瓦斯含量呈正相关（图5）。

图5 煤层厚度与瓦斯含量关系图

2）义安背斜控制富水性对瓦斯的影响。水文地质条件控气作用有水力运移散逸作用、水力封闭和水力封堵作用[20]，取决于地下水的补、径、排条件及其与煤层之间的水力联系。二1煤直接顶板大占砂岩为承压裂隙含水层，富水性极不均一。而在义安背斜区域内，煤岩层的弯曲必然引起层内各部质点的相对变位和应变，顶板层间滑动在翼部可能产生节理、破碎带或劈理，在拐点处最强[21]。通过义安背斜区域内断层带分布图（图6）可以看出，在距离背斜轴部120 m左右的拐点附近出现了断层群，可以印证此点。而义安背斜翼部密布的断裂构造会导致该区域裂隙连通性更好，使富水性变强。在位于义安背斜轴部的12080工作面涌水量较少，而在其一翼展布的工作面水量均较大（12060属于薄煤带，未回采），与煤层有较好的水力联系。由于裂隙的导通作用，在漫长的地质年代中地下水会不断溶解煤层中的瓦斯并排泄，使翼部瓦斯含量降低。在义安背斜控制范围内，涌水量与瓦斯含量正相关（图7）。

图6 义安背斜区域二1煤层断层带及突出点分布图

图7 12采区工作面原始瓦斯含量与涌水量关系图

3）义安背斜区域瓦斯赋存规律。义安背斜在弯流作用下煤层由两翼向轴部流动，造成轴部煤层变厚，两翼变薄。厚煤层不但可以积聚更多的瓦斯，而其本身透气性差也对瓦斯起到了封盖作用；构造运动中产生的构造煤增加了煤层的比表面积，使煤层的储气能力增强。而背斜轴部较两翼富水性差，也更有利于瓦斯的保存，因此在背斜轴部瓦斯较为富集，向两翼逐渐减少，义安背斜轴部区域瓦斯含量等值线图如图8，背斜轴部瓦斯含量分布图如图9）。

图8 义安背斜轴部区域瓦斯含量等值线图

图9 背斜轴部瓦斯含量分布图

3 义安背斜对煤与瓦斯突出的控制

煤与瓦斯突出主要受到地应力、瓦斯和煤体结构的影响。在此以200701#煤与瓦斯突出为例进行分析。

3.1 地应力对煤与瓦斯突出的控制

义安背斜区域内，二1煤层位于中和面以下，受到强烈的挤压应力和来自顶板向下的压力，地应力较强，而轴部范围内没有揭露大量的断层，说明此处地应力保存完好。在200701#煤与瓦斯突出中，突出的岩石量约占总突出体积的40%，且岩石喷出最远近30 m。如此高比例的岩石量以及喷出距离，说明此处的地应力较大，在突出的瞬间通过弹性变形集中释放，破坏了大量的围岩，随后在地应力和瓦斯的双重作用下将煤与破碎的岩石喷出，该煤与瓦斯突出事故中地应力发挥了重要的作用。

3.2 瓦斯含量及压力对煤与瓦斯突出的控制

义安背斜控煤作用使轴部煤层及顶板泥岩变厚，不但增加了瓦斯含量同时也对瓦斯起到封闭作用，阻止瓦斯的散逸，使瓦斯的压力含量均较高且不均衡。其较高的瓦斯含量填充裂隙产生膨胀能（瓦斯压力），阻止裂隙在高地应力作用下闭合并对煤体质点起到润滑作用，在突出的激发、发展过程中均起到了较大的作用。其较强的搬运能力可以维持较高的瓦斯压力梯度，使突出不断的向纵深发展。该突出区域在煤层较薄的情况下能够发生如此大规模的突出，与瓦斯压力和含量均有较大关系。

3.3 煤体结构对煤与瓦斯突出的控制

义安背斜对煤体结构的控制主要体现在煤层产状和构造煤上。在义安背斜区域内发生的4起煤与瓦斯突出事故中，2起煤层倾角大于10°，另2起受到底板起伏和冲刷的影响。且4次突出中3次煤层厚度超过6 m（最厚处为9.7 m，义安矿业平均煤厚4.15 m），可见义安背斜对煤与瓦斯突出具有较强的控制作用，200701#煤与瓦斯突出地点剖面图如图10。由图10可以看出，200701#煤与瓦斯突出发生在义安背斜转折端，煤层坡度16°，煤层在突出点突然变厚（突出孔洞内煤厚2.1 m），且具有分叉和揉搓形态，这样不但突然增加了瓦斯含量和压力，也为煤与瓦斯突出提供了突出窗口，减小了煤与瓦斯突出的阻力，使煤与瓦斯突出更容易发生。

图10 200701#煤与瓦斯突出地点剖面图

4 义安背斜对自燃发火的控制

义安矿业主采煤层二1煤层为不易自燃煤层，但在义安背斜轴部范围内发生2起自燃事故（义安矿业共发生2起自燃事故），且均发生在脊线附近（图1），可见义安背斜对煤层自燃有较好的控制作用。

煤层自燃需要有3个条件：自燃煤层、氧气、高温。二1煤层属于不易自燃煤层，但是在义安背斜构造热的作用下可能导致煤质发生变化而向易自燃煤层转化；煤层在弯流作用下会产生流劈理和破劈理，增加煤层空隙度，提高比表面积，使氧气能够更好的与煤体接触、氧化；而义安背斜的几何形态（图11），较厚的煤层和泥岩顶板以及较少的涌水量导致了热量可以在穹窿顶部大量聚集不易散失，为煤体自燃提供了较好的条件。