煤层中的低渗透断裂带—煤与瓦斯突出事故的案例研究

王 越，张 为，刘亮亮，李德慧，张江华

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室， 山西 晋城 048012； 2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030000； 3.晋能控股装备制造集团有限公司， 山西 晋城 048006)

构造煤是指煤层在构造应力作用下发生挤压、剪切、变形、破坏或强烈的韧塑性变形及流变迁移的产物,绝大多数煤与瓦斯突出事故地点都是有构造煤发育的[1-2]. 经过地质构造演化，构造煤中发育由扭压性断裂带形成的瓦斯隔离带，称这些断裂带为低渗透断裂带。我国煤层普遍属于低渗透煤层，随着矿井开采向深部延伸，煤层由于受高地应力的影响，其渗透率非常低，而在这些低渗透煤层中可能存在一些低渗透断层[3]，一般发育在逆平移断层或逆断层的上盘。低渗透断裂带内低渗透断层的存在可能导致采掘前煤层瓦斯抽采不均衡，在低渗透断层两盘煤层间产生较大的瓦斯压力和瓦斯含量差而诱发煤与瓦斯突出事故。

1 实例研究

某煤矿为高瓦斯突出型矿井，主要可采煤层为15和18号，核定生产能力300万t/年。采用工作面沿煤层走向推进的机械化采煤方法，立井开拓，进回风为设在矿区井田中央的并列式通风，主动使直接顶自然垮落. 18号煤层平巷掘进工作面，此巷道准备穿过南14号断层到上盘做为开采11号煤层的总机道。煤层走向NE10°，倾角20°，煤厚20 m，巷道位于煤层中间，煤层顶板为砂岩，底板为砂页岩。目前工作面为井田深部开采，瓦斯含量高、压力大、涌出量大。根据瓦斯压力、瓦斯含量以及始突深度，预测18号煤层-102 m以深为突出危险区。该矿在二水平-110总机道的掘进过程中穿18号煤层时，发生煤与瓦斯突出，突出煤量627 t，突出瓦斯量11 830 m3. 根据现场情况绘出突出煤层剖面图(图1)和突出巷道平面图(图2).

图1 突出煤层剖面图

图2 突出巷道平面图

根据现场调查分析结果，未探测到工作面前方有一条正断性低渗透断裂带，且进一步进行有效瓦斯抽放导致了事故的发生。

早白垩世到晚白垩世，矿区煤层沉积受到的主要构造控制从燕山晚期运动变为太平洋运动，表现为从北北东向构造左旋扭压变成北北东向构造右旋张扭，目前EW向构造表现为左旋性压扭。矿区内NW向构造表现为挤压作用，受控于NE方向的现代构造应力场主应力，由此研究分析可知NW向的南14断层具有明显的压扭性特点。按设计在18号层煤，穿煤60 m见南14号断层，断层落差为40～50 m，实际掘了75 m仍未见南14号断层，只是接近于南14号断层。根据井下现场观察，断裂带附近煤层有大量揉皱和剪切构造破坏痕迹，形成局部构造煤隔离带。

北西向的南14、17断层受到区域构造应力场控制，具有一定的封闭性，影响煤层瓦斯的运移、释放，一定程度上控制着矿井瓦斯的分布。根据相关研究，构造煤的形成受到区域构造应力控制，煤体结构、煤岩力学性质、孔渗性以及对瓦斯的吸附特性等多方面性质都与正常原生煤体有巨大差异，并且其透气性更差。该矿煤层透气性系数很低，在掘进工作面由于断裂带附近18号煤层含有大量的构造煤，煤层的透气性更低，因此这个低渗透断裂带就具有与常规原生煤迥异的特性，易形成瓦斯渗流的隔离带，在掘进过程中由于抽采的不均等而导致断层两盘煤层间形成高瓦斯压力差和高瓦斯含量差[3]. 当掘进工作面掘进到断层附近时，断层另一端的高压瓦斯由于放炮等原因的诱导突然释放，导致煤与瓦斯突出事故就成了必然结果。

2 数值模拟结果

利用RFPA软件模拟巷道掘进工作面突出，建立数值模拟模型，该模拟的具体参数见表1.

表1 煤岩力学参数表

具体数值模拟模型见图3.

图3 RFPA数值模拟示意图

从模拟结果可以看出，第二步开挖，随着工作面的掘进，工作面的前方和顶底板都是完好的，说明采动没有影响到断裂带范围，没有产生破坏作用；随着工作面的推进开挖，采动的破坏范围向前延伸，破坏范围不断扩大，这个范围之外是不受采动影响的稳定区。应力集中区、塑性区的分布范围和破坏应力状态通过采动影响单元的颜色变化体现。声发射是煤岩层破坏的直接体现形式，随着煤岩单元的弱化和破坏就会声发射，开挖推进过程中煤岩发生破坏越剧烈声发射就越密集，当煤岩体破坏达到一定程度后，使得其与周围煤岩体接触作用降低，从而使声发射形成一定规模后渐渐降低。此时，掘进前方的煤岩体被完全破坏，失去了支撑保护，可能造成小型突出。

巷道开挖推进过程中煤层瓦斯压力梯度随着进度的变化见图4—7. 从图4—7可以看出，随着工作面推进，煤岩层由于中应力场的改变导致发生扭曲变形、断裂，形成裂隙直至可以和断层沟通联系。因为巷道的掘进导致断层前方煤岩体被破坏，削弱了其支撑能力，从而使低渗透断层另一盘的高能量瓦斯携带大量煤岩碎屑向工作面内异常大量涌入，发生煤与瓦斯突出事故。发生突出后，断层另一盘煤体内瓦斯压力得以释放从而形成一个新的稳定状态。

图4 开挖第2步(1)瓦斯运移图

图5 开挖第3步(1)瓦斯运移图

图6 开挖第3步(7)瓦斯运移图

图7 开挖第3步(14)瓦斯运移图

模拟结果表明，低渗透断裂带是煤层中瓦斯渗流的天然隔离带，使断裂两盘瓦斯无法自发地从一盘运移到另一盘。井下巷道推进具有方向性，若大巷推进或者采煤前方存在低渗透断层，在没有明确勘查构造的情况下通过常规瓦斯抽放手段进行抽采后，容易造成煤层中瓦斯压力和含量失稳。就是说针对已经实施了瓦斯抽放的一盘瓦斯压力和含量大幅度降低，由于低渗透断层阻断瓦斯流通，在瓦斯抽放孔未能涉及的另一盘瓦斯压力和含量保持不变，两盘形成了很大的瓦斯压力差，构成了煤与瓦斯突出的条件。这时候采掘工作面向前推进或者采煤，靠近低渗透断层位置，扰动渗透断层两盘得以沟通，同时采掘工作面与高能瓦斯间的隔离煤岩柱不足以阻隔瓦斯压力的释放，瓦斯携带碎裂的煤岩向工作面的异常涌出，造成煤与瓦斯突出现象[4-5].

3 预防措施

根据《防治煤与瓦斯突出》[6]，在采掘突出煤层工作面时应先进行工作面突出危险性预测。采用钻探取样、地面物探相结合探明工作面前方地质构造发育及展布情况，采用敏感性指标和根据实际条件测定的一些辅助指标进行预测，多元化科学地深入分析研究工作区突出危险性，从而做出综合预测和判断。

当采掘巷道通过存在有低渗透断裂带的低渗透煤岩区域时，必须严格遵照《防治煤与瓦斯突出规定》中要求的程序进行施工。在掘进巷道距推测断层一定距离时停止施工作业，并向前布置数量足够的前探钻孔，以掌握低渗透断裂带的发育情况以及断层上下盘煤层的厚度、瓦斯含量和压力等参数的情况。在获取的断层位置及相应参数的基础上，对煤与瓦斯突出危险性以及发生区域做出预测，针对性提出瓦斯抽放钻孔结合其他必要的局部防突措施布置方案，通过钻孔对低渗透性断层两盘进行均衡抽放，消除煤与瓦斯突出危险，确认实施安全防范措施后再进行采掘揭煤工作。

4 结 语

煤矿进入深部开采后煤与瓦斯突出事故是制约安全生产最严重的地质灾害之一，生产实践和科学实验表明，在低渗透断层附近采掘过程中，如果不采取超前预测和探测，当采掘巷道跨越低渗透断层时，受断层两盘煤层瓦斯含量差和瓦斯压力差，发生煤与瓦斯突出事故。由此，务必科学地认识低渗透断裂带以及其潜在的危险性。采掘推进过程中，应加强探测掌控实际地质情况采取必要且有效的防治措施，以消除低渗透断层带来的突出危险性，确保采掘工作面对低渗透断裂带的安全跨越，保障煤矿安全生产。