石壕煤礦煤與瓦斯突出因素分析及區域危險性預測

楊明顯，張 旭，譚顯龍

(1.國土資源部頁巖氣資源與勘查技術重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；2.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；3.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

隨著我國礦井采掘強度和深度的加大，礦井瓦斯問題日趨嚴重，預測和防治煤與瓦斯突出對于提高礦井的社會效益和經濟效益具有重要的意義[1]。煤與瓦斯突出是煤礦開采過程中一種極復雜的動力現象，關于煤與瓦斯突出的原因眾多，但普遍認為是煤層瓦斯(壓力和含量)、煤的力學性質(構造煤)、煤層受力狀態等綜合作用的結果[2]。

松藻礦區6對生產礦井歷史上煤與瓦斯突出發生頻繁，年最多突出75次[3]，礦區內石壕煤礦2006年在茅口組石灰巖掘進過程中，發生二次瓦斯災害事故，損失嚴重。據統計，截止2010年，石壕煤礦已發生煤與瓦斯突出37次，給煤礦的安全建設和生產帶來嚴重危害。因此，開展對石壕礦的煤與瓦斯突出研究，具有十分重要的現實意義。

1 地質概況

1.1 松藻礦區

松藻礦區在區域構造上位于婁山褶皺帶的西北緣，礦區地段屬川黔經向構造體系，中段和南段屬華夏式構造體系。礦區構造在平面分布上形成向北東收斂、向南西撒開的放射狀，由東向西依次發育有兩河口向斜、羊叉灘背斜、大木樹向斜和魚跳背斜，形成向西突的“鼓包形構造”[4-5]致使含煤地層抬升，形成石壕井田等較大井田。松藻礦區開采的晚二疊世龍潭煤組屬振蕩頻繁的海陸交替相沉積，主要煤層均屬高變質無煙煤、埋藏適中(300～800m)，上覆蓋層厚(大面積的飛仙關泥巖)，不利于氣體逸散，有利于瓦斯的形成和保存，煤層及圍巖中富含瓦斯[3]。

1.2 石壕煤礦

本礦含煤地層為上二疊統龍潭組，厚度67.81～89.48m，由一套海陸交替相的泥巖、粉砂巖、砂質頁巖、鋁土巖及煤層組成煤系地層。礦井開采煤層3層，其中中厚較穩定煤層1層(M8)，其他2層為局部可采薄煤層(M6-3和M7-2)。石壕井田位于箭頭埡背斜北西翼發育的次級褶皺形成的“鼓包型”構造西南端，與井田相關的褶皺主要有羊叉灘背斜、大木樹向斜和兩河口向斜，和褶皺相伴生還有一些斷裂構造。

1.2.1 褶皺

1)羊叉灘背斜：位于兩河口向斜之西，軸向為NE，長約13km。該向斜結構緊湊，呈條帶狀，向北傾伏；東翼傾角較陡，45°～70°，西翼傾角較緩，30°～40°，為不對稱背斜構造。

2)大木樹向斜：位于羊叉灘背斜之西，軸向為NE，全長約6km。向斜兩翼地層傾角平緩，北端仰起，南端傾伏消失。

3)兩河口向斜：井田南部邊界構造。全長25km，總的傾伏角2°～4°，西翼巖層傾角較緩(10°～30°)，東翼陡(40°～80°)，為不對稱向斜[4]。

1.2.2 礦井主要斷層

據勘探資料統計，本井田共發現斷層74條，地表出露53條，隱伏斷層21條，其中有13條斷層切割煤層地層，59條斷層對煤系地層無影響。對煤層破壞較大的斷層主要見表1。

表1 破壞煤層主要斷層統計表

除上述斷層外，還存在其他斷層，但對石壕煤礦影響較小。

2 礦井瓦斯地質規律

2.1 構造對瓦斯賦存的影響

據統計，石壕煤礦在已發生37次煤與瓦斯突出中，有19次發生于斷層、斷層擠壓帶等構造部位，占總數的51%，可以說明小構造是本礦煤與瓦斯突出發生的主要因素。這些構造規模小，但破壞煤(巖)層的連接性，影響局部煤層厚度及應力分布，形成相對高壓區和低壓區，造成瓦斯富集和排泄的地質條件；由于小構造的影響，煤層的原生結構受到破壞，煤層產生擦痕、滑面、扭曲、次生節理，形成破裂煤、碎粒煤及鱗片狀構造煤，降低煤的硬度，使瓦斯富集，一旦有誘發因素就可能產生突出。因構造類型的不同造成瓦斯賦存情況的不同，如向斜構造比背斜構造對瓦斯賦存有利；構造煤厚度越厚瓦斯逸散時間越長，瓦斯賦存時間越長。

2.2 頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

石壕井田為海陸交互瀉湖-潮坪-碳酸鹽臺地內側海沉積體系潮坪成煤環境。礦井主采M6-3、M7-2、M8煤層的頂底板多為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，深灰色泥巖和砂質泥巖中分散有機質較發育，產生瓦斯的物質條件較豐富，粉砂巖氣體滲透率低。因此，本礦煤層內形成瓦斯后，不能得到有效的逸散，造成瓦斯富集。

2.3 煤層埋深及上覆巖層對瓦斯賦存的影響

隨煤層埋深厚度的增加，地層靜壓力增大，煤層中吸附瓦斯漸于飽和，游離瓦斯增加，在構造某些部位及煤層厚度變化地段聚集，形成高壓區。礦井37次煤與瓦斯突出中，垂深260～310m發生11次，而311～491m發生了15次，說明隨埋深增加，煤與瓦斯突出也增加。

3 煤與瓦斯突出危險性分析

3.1 煤與瓦斯突出規律

根據歷年煤與瓦斯突出資料統計分析，石壕煤礦煤與瓦斯突出規律主要有以下幾方面：

1)煤與瓦斯突出發生在一定的深度上；隨著煤層埋深增加，突出的危險性增大，即突出的次數增多、突出強度增大、突出危險區域增大。

2)突出的次數和強度隨煤層厚度(特別是軟分層厚度)增加而增多，突出最嚴重的煤是M8煤層。

3)突出的主要氣體是CH4，同一煤層瓦斯壓力、瓦斯含量大的地方突出危險性越大。

4)突出煤層的特點是煤的強度低、變化大、透氣性差、瓦斯放散速度高、層理紊亂、節理發育、受地質構造破壞大的構造煤。

5)突出危險呈帶狀分布，如向斜軸部地區、向斜軸與斷層或褶曲交會地區、火成巖侵入形成的變質煤和非變質煤交混地區等地質構造附近。

6)絕大多數突出都是發生在破煤工序，如放炮、割煤、打鉆等。

3.2 危險性影響因素分析

據石壕煤礦煤層歷年煤與瓦斯突出綜合統計分析，影響煤與瓦斯突出危險的因素主要有以下幾方面。

3.2.1 煤層埋藏深度

礦井隨著煤層埋藏深度增加，煤層瓦斯壓力升高，瓦斯含量增加，地應力增加，在受壓狀態下煤層彈性潛能增大，突出危險程度增大，發生突出時突出的煤量、瓦斯量增加。

3.2.2 地質構造

據煤礦資料，該礦井37次煤與瓦斯突出都與地質構造帶有關系。每次發生突出后，收集現場的資料時都會發現突出點周圍存在地質構造，并且地質構造帶上煤質發生變化，煤層破碎，硬度小、強度低；在地質構造影響范圍內，煤體受地質構造應力影響，有利用瓦斯的封存，不利用瓦斯的逸散，煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，瓦斯的放散速度增大。根據考察，在構造帶所測得的瓦斯參數K1要比正常帶增大14%～37%，突出將會在地質構造影響范圍內發生。因此地質構造帶為煤與瓦斯突出創造了優越的條件，也直接影響著煤與瓦斯突出。

3.2.3 地應力

煤與瓦斯突出是在地應力、瓦斯、煤結構三方面綜合作用下大量的煤和瓦斯瞬間拋出到采掘空間的一種動力現象，地應力是煤與瓦斯突出的關鍵因素，地應力包括煤體上覆巖體的自重應力、地質構造帶的構造應力、采掘活動過程中的采掘集中應力，煤與瓦斯突出均發生在一定的深度，煤層受地應力影響，煤層在受壓狀態下積聚大量的彈性潛能，當采掘活動進入后，破壞了承壓狀態下的煤層的受力平衡狀態，煤體彈性潛能得到突然釋放，就會發生煤與瓦斯突出事故[6]。如礦E1625溜煤眼在由大鉆機刷擴到1.2m的過程中，由于鉆機震動造成了采掘應力集中，發生了煤與瓦斯突出事故；另工作面支護強度不夠，造成工作面煤體受壓，在割煤的過程中發生壓出，這些都與采掘活動有著直接的聯系。

3.2.4 突出煤層的煤體結構

煤層結構在煤與瓦斯突出過程中起阻止的作用，如果煤體結構比較松軟，易破碎，當高的地應力、瓦斯壓力積聚并失去原有的平衡時，就會直接突破和損壞安全屏障，從而發生煤與瓦斯突出，通過統計分析煤礦37次煤與瓦斯突出中均與煤體結構有著直接聯系，突出發生的地點煤層中的軟分層煤增厚，煤層節理發育、層理紊亂、暗淡無光澤，煤層變質程度高，用手捻成粉末狀，為典型的Ⅲ-Ⅴ類破壞煤層，硬度小、強度低，平均硬度系數f值小于0.5，且突出危險隨著f值的減小而增大。

礦井在突出預測中曾將煤層軟分層厚度作為預測突出的敏感性指標，即工作面采用“兩指標一現象”預測方法，當工作面煤層軟分層厚度超過煤層厚度的40%時或煤層軟分層厚度大于0.15m時，則直接將該區域定為突出危險區，采掘過程中直接采取消突措施，在礦井的應用取得了較好的效果；軟分層厚度的變化直接影響煤與瓦斯突出危險。

4 區域突出危險性預測

煤與瓦斯區域突出危險性預測是對新礦井、新水平、新采區突出煤層進行突出危險性劃分。由于被預測的煤層未被揭露或未完全被揭露，只能通過鉆孔、取樣測定煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、解吸速度等瓦斯基本參數，以及煤的物理力學性質，用單項指標或多項綜合指標確定該區域的突出危險；或者采用鄰近礦井、上水平、附近采區煤層瓦斯地質資料推測該地區發生突出的可能性。

4.1 瓦斯地質統計法預測

瓦斯地質統計法，是根據已采區域突出點分布和地質構造(包括斷層、褶曲、煤層賦存條件變化、火成巖侵入等)的關系，然后結合未采區的地質構造條件劃分出突出危險區和無突出危險區。瓦斯地質統計法預測考慮了突出區域分布性質，強調了地質條件對煤層突出以及突出煤層瓦斯參數的控制作用，在許多生產礦井得到了應用和發展。

針對瓦斯地質統計法提出的瓦斯和地質兩方面的指標，不同礦區(或地區)有其適用于本礦區的衡量標準；但在同一個礦區(或地區)，所采用的瓦斯、地質指標，以及劃分的標準應是一致的。本次研究劃分標準如下：

1)斷層附近區域，一般情況下，壓性、壓扭性，落差大的斷層應適當加大危險區范圍。如：落差0.5m的斷層，在斷層兩邊行10m范圍劃分突出危險區；0.5～1m落差的斷層，在其兩邊各15m劃分為突出危險區；落差1m以上按其兩邊各20m劃為突出危險區。

2)褶曲軸線兩側，特別是呈封閉型的背斜或向斜軸部，一般在其軸線兩邊20～50m范圍劃分為突出危險區。

3)煤層產狀及賦存變化區域。如煤層走向、傾向及傾角變化，煤層厚度、特別是軟分層厚度變化區域。一般將煤厚變化達40%以上，或軟分層厚度達15cm以上的地段劃為突出危險區。

通過對煤礦S1626、S1627、S1631工作面實際危險情況考察確定，當斷層落差H<0.5m 單側危險范圍為10m，H=0.5～1m時，為20m；H≥1m時，為30m；羊叉灘背斜為40m；大木樹向斜為20m。

4.2 綜合指標法預測

采用綜合指標D、K[7]來預測煤層突出的危險性，其臨界值應根據本礦區實測數據確定。在巖石巷道向突出煤層至少打兩個測壓鉆孔，測定煤層瓦斯壓力P；測定煤的堅固性系數f，將兩個測壓孔所得的堅固性系數最小值加以平均作為煤層軟分層煤的平均堅固性系數；將堅固性系數最小的兩個煤樣混合后，測定煤的瓦斯放散初速度指標ΔP，若無實測資料，參照表1取值[8]。

K=ΔP/f

D、 K綜合指標法適于煤層的區域預測或石門揭煤工作面突出危險性預測，反映煤與瓦斯突出機理的量化，已被列入我國的防突細則，廣泛應用[9]。

表2 用綜合指標D和K預測區域突出危險性的臨界值

4.3 預測結果

按照以上條件，石壕煤礦現開采煤層和下水平煤層原始瓦斯含量都大于8m3/t，瓦斯壓力都大于0.74MPa，埋深都大于始突埋深260m，根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，M6-3、M7-2、M8三層煤層煤與瓦斯突出區域預測結果為突出危險區，在開采過程中執行相應的區域綜合防突措施和局部綜合防突措施。

5 結論

1)煤層埋深、地質構造、地應力和突出煤體結構都影響石壕煤礦煤與瓦斯突出，在設計開采過程中應充分考慮各因素，確保安全生產。

2)通過瓦斯地質統計法和綜合指標法對煤與瓦斯突出區域危險性預測，表明主采煤層M6-3、M7-2和M8煤層區域為突出危險區，在開采過程中應做好防突措施，安全生產。

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[2] 錢建平,孫文卿,傅雪海,等.淮南潘一煤礦未開拓區煤與瓦斯突出預測[J].中國煤炭地質,2011,23(6):23-27.

[3] 吳斌.瓦斯地質研究及區域預測[J].煤炭科技,2011(3):74-76.

[4] 巫顯鈞.松藻礦區地質構造規律的認識[J].中國煤炭地質,2009,21(增刊2):6-8.

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[6] 王楠,鄒旭,武晉帆,等.煤與瓦斯突出的影響因素及其預防措施[J].煤炭技術,2011,30(8):119-120.

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[8] 石銀斌.汝箕溝煤礦煤與瓦斯突出危險性區域劃分技術[J].礦業安全與環保,2010,38(增刊):71-72.

[9] 李景山,劉玉洲,左秋玲.基于綜合指標法和殘余瓦斯含量法的突出預測[J].煤炭科學技術,2008,36(3):62-66.