礦井煤與瓦斯突出地質(zhì)因素分析及防治

任華榮

（山西蒲縣蛤蟆溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾041200）

我國是世界上煤與瓦斯突出事故最為頻發(fā)的國家，存在突出礦井多、分布區(qū)域廣、突出頻率高等特點。針對煤與瓦斯突出現(xiàn)象，國內(nèi)外諸多學(xué)者對煤與瓦斯突出機理進行了大量的研究，并提出了相應(yīng)的突出機理假說〔1－2〕。煤與瓦斯突出理論表明，煤與瓦斯突出涉及到瓦斯壓力、構(gòu)造應(yīng)力、采動影響等多種因素的突發(fā)性復(fù)雜動力現(xiàn)象，故難以直接觀測煤與瓦斯突出的過程，其中地質(zhì)因素主導(dǎo)學(xué)說和綜合作用假說越來越受到研究人員的普遍認(rèn)同。地質(zhì)因素主導(dǎo)學(xué)說認(rèn)為，不同礦井具有自身獨特地質(zhì)因素，這些地質(zhì)因素的不同造成了煤與瓦斯突出危險性和程度的差異，尤其是隨著礦井開采強度和深度的不斷增加，部分礦井地質(zhì)條件不斷趨于復(fù)雜化，同時受到瓦斯含量和瓦斯壓力增加的影響，礦井煤與瓦斯突出傾向性不斷增加，故掌握礦井煤與瓦斯突出地質(zhì)因素影響作用對于預(yù)防煤與瓦斯突出具有重要的作用。河南長虹煤礦隨著礦井開采深度的不斷增加，瓦斯動力現(xiàn)象有增大趨勢，為了預(yù)防瓦斯事故災(zāi)害，結(jié)合采掘工作面地質(zhì)因素分析和近年瓦斯動力事故案例，對該礦井煤與瓦斯突出與地質(zhì)因素的關(guān)系進行總結(jié)和分析，以期為采掘工作面煤與瓦斯突出預(yù)測預(yù)報提供參考。

1 礦井瓦斯地質(zhì)概況

礦井所采煤層為山西組一8、四7、二1煤層，其中二1煤層為主采煤層，經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出危險性煤層。礦井設(shè)計產(chǎn)能為1.2Mt／a。二1煤層質(zhì)軟易碎，強度較低，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，中間含有0.2～0.25m的泥質(zhì)夾矸；煤層頂?shù)装鍘r性復(fù)雜，頂板巖層由下而上分別為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部出現(xiàn)砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層現(xiàn)象，底板由上至下分別為泥巖、砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖；煤層和頂?shù)装迦菀资艿綌鄬拥葮?gòu)造的影響出現(xiàn)局部碎裂區(qū)，且構(gòu)造附近煤層易出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象。根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)研究資料可知：受到煤層埋深、厚度和變質(zhì)程度的影響，礦井瓦斯由上而下呈不斷增大趨勢；礦井地質(zhì)條件較復(fù)雜，即便對于同一煤層，瓦斯含量受到構(gòu)造、煤層賦存條件、煤層變質(zhì)程度等因素的影響也出現(xiàn)較大的不同，局部范圍內(nèi)出現(xiàn)沿走向從西向東逐漸增高的規(guī)律變化。《礦井地質(zhì)報告》顯示，二1煤層在37勘探線以東煤層瓦斯含量為3.16～15.6m3／t，為高瓦斯帶；26與37勘探線間煤層瓦斯含量為2.3～12.4m3／t，為中等瓦斯帶；26勘探線以西煤層瓦斯含量為0.34～4.42m3／t，為低瓦斯帶。根據(jù)礦井瓦斯涌出量測定試驗可知，不同采區(qū)范圍內(nèi)相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量分別為2.66～14.75m3／t和3.42～12.84m3／min。

2 煤與瓦斯突出特征及規(guī)律

煤與瓦斯突出已經(jīng)成為威脅礦井安全開采的重大問題，對瓦斯動力現(xiàn)象進行統(tǒng)計分析，認(rèn)為礦井煤與瓦斯突出存在一定的規(guī)律性：

（1）二1煤層為軟煤層，煤層頂?shù)装鍘r性較復(fù)雜，容易受到地質(zhì)構(gòu)造的影響出現(xiàn)揉皺現(xiàn)象。分析煤與瓦斯突出事故均發(fā)生在煤層厚度≥2.0m的地帶，瓦斯動力現(xiàn)象中85%中發(fā)生在軟煤層≥2.0m的地帶?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，煤層由薄變厚地帶煤與瓦斯突出數(shù)占總突出數(shù)的70%以上。

（2）礦井突出多發(fā)生在頂板呈厚層狀，裂隙發(fā)育的煤層中。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研可知，煤層頂板巖性為厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖時容易出現(xiàn)突出，而煤層較破碎地帶未發(fā)生突出現(xiàn)象。二1煤層頂?shù)装鍡l件較復(fù)雜，盡管局部區(qū)域頂板條件較好，但也是容易出現(xiàn)煤與瓦斯突出的區(qū)域。

（3）礦井煤與瓦斯及其它瓦斯動力現(xiàn)象一般發(fā)生在煤層干燥，頂板無淋水區(qū)，尤其在瓦斯風(fēng)化帶范圍內(nèi)的頂板和煤層完整性較好的區(qū)域容易出現(xiàn)煤與瓦斯突出等瓦斯地質(zhì)災(zāi)害。

3 煤與瓦斯突出地質(zhì)因素分析

3.1 煤層賦存變化與煤與瓦斯突出關(guān)系

煤與瓦斯突出理論研究表明，煤層厚度變化是影響煤與瓦斯突出的直接原因，國內(nèi)諸多礦井開采實踐均表明，煤與瓦斯突出事故多發(fā)生在采掘區(qū)域煤層由薄變厚區(qū)域。該礦井所采二1煤層底板NW向隆起，造成煤層薄厚區(qū)域相間排列，同時也引起不同厚度煤層帶呈NW向展布；另外，局部小型斷層及構(gòu)造帶的存在也會造成煤層厚度變化較大，且該區(qū)域受構(gòu)造應(yīng)力影響，在采掘過程中容易出現(xiàn)煤與瓦斯突出現(xiàn)象。

3.2 頂板水與煤與瓦斯突出關(guān)系

礦井東部和北部地表露頭有水源補給，西部的張村斷層的存在造成二1煤層與奧陶灰?guī)r對接，南部的李洼村逆斷層為隔水?dāng)鄬?，礦井東、西和南部水勢較高，南部為隔水帶，故該礦區(qū)瓦斯儲存條件較好。二1煤層上方的二疊系砂巖和下部的奧陶灰?guī)r均為含水層，且二1煤層頂?shù)装寰嬖谳^厚的泥巖和砂質(zhì)泥巖隔水層，不利于瓦斯釋放。通過對礦井瓦斯含量梯度變化研究可知，在礦井淺部區(qū)域瓦斯含量較高，局部區(qū)域瓦斯含量可達(dá)19.48m3／t，說明礦井淺部水源及斷層對瓦斯形成隔離，且水位漏斗區(qū)瓦斯含量較高，符合煤與瓦斯突出規(guī)律。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造與煤與瓦斯突出關(guān)系

理論研究表明，煤與瓦斯突出與煤巖體壓扭性斷裂密切相關(guān)，采掘?qū)嵺`表明，即使壓扭性斷裂落差不足1.0m的小型逆斷層附近也會出現(xiàn)煤與瓦斯突出現(xiàn)象〔3〕。從礦井煤與瓦斯突出統(tǒng)計分析可知，85%以上的突出均發(fā)生在落差H≤4.5m小型逆斷層附近，其中約有25%的突出出現(xiàn)在落差H≤1.5m的逆斷層附近。斷層控制煤與瓦斯突出的發(fā)生主要機理是：井田范圍內(nèi)沿走向分布的大型斷層隔斷了瓦斯沿煤層傾向方向的通道，造成瓦斯局部富集；壓扭性斷層的存在造成煤巖體產(chǎn)狀發(fā)生急劇變化，形成應(yīng)力集中帶；斷層的相對扭動和滑動造成煤巖體出現(xiàn)韌性剪切破壞，形成局部構(gòu)造煤。從煤與瓦斯突出地質(zhì)主導(dǎo)學(xué)說可知，突出主要受到地質(zhì)應(yīng)力的作用，即煤與瓦斯突出最易發(fā)生在瓦斯含量高的應(yīng)力集中、構(gòu)造煤發(fā)育程度較高的區(qū)域，該學(xué)說與該礦井煤與瓦斯突出規(guī)律相吻合。

3.4 開采深度與煤與瓦斯突出關(guān)系

生產(chǎn)實踐表明，隨著開采深度的不斷增加，煤層瓦斯含量不斷增加，煤與瓦斯突出危險性有增大趨勢。分析認(rèn)為，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯向地表運移徑向距離越遠(yuǎn)，瓦斯散失難度越大，同時深度的增加一定程度增加了煤層頂?shù)装迕軐嵭?，降低了煤巖體透氣性，故隨著開采深度的增加，有利于煤層瓦斯賦存。研究表明，在瓦斯風(fēng)化帶以下，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力均在一定范圍內(nèi)與開采深度呈正比，隨著開采深度的增加，一定程度增加了礦井煤與瓦斯突出危險性〔4－5〕。礦井所采二1煤層下山開采深度平均已超過800m，局部已進入深部開采水平，故深部開采也是引發(fā)二1煤層煤與瓦斯突出的重要因素。

4 煤與瓦斯突出防治

煤與瓦斯突出預(yù)防工作關(guān)乎礦井安全、穩(wěn)定與發(fā)展，同時也涉及到地方安全管理水平。結(jié)合礦井實際，經(jīng)過多年與瓦斯地質(zhì)災(zāi)害的不懈斗爭，礦井逐漸摸索出了一套適合于本礦井煤與瓦斯突出預(yù)防措施，即在“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的基礎(chǔ)上，深入現(xiàn)場了解和掌握煤與瓦斯突出及其它瓦斯動力現(xiàn)象的主要因素，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗和先進技術(shù)為雙重手段進行瓦斯預(yù)測預(yù)報和預(yù)防工作。現(xiàn)僅從瓦斯地質(zhì)角度進行煤與瓦斯預(yù)防探討。

1）進一步加強礦井瓦斯地質(zhì)理論研究，結(jié)合現(xiàn)場實際掌握煤與瓦斯突出規(guī)律，并合理選擇主要地質(zhì)影響因素建立煤與瓦斯突出預(yù)測預(yù)報模型，提高預(yù)測預(yù)報的合理性和準(zhǔn)確性。

2）按要求進行瓦斯等級鑒定和瓦斯地質(zhì)分類，根據(jù)礦井實際規(guī)范瓦斯管理和防治制度，結(jié)合瓦斯地質(zhì)因素做好構(gòu)造帶、煤層變化帶、應(yīng)力集中區(qū)等區(qū)域的防突和消突工作。

3）鑒于二1煤層松軟易碎，煤層透氣性較差，且煤層瓦斯賦存不均勻，在進行采掘作業(yè)時應(yīng)制定科學(xué)合理的瓦斯抽放方案，并嚴(yán)格現(xiàn)場措施落實；同時，完善瓦斯地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，成立專門管理機構(gòu)和搶險隊伍，提高瓦斯地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場應(yīng)急救援能力。

5 結(jié)語

通過對礦井煤與瓦斯突出統(tǒng)計分析可知，該礦井煤與瓦斯突出具有一定的特征和規(guī)律性，且煤層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造、開采深度、地下水等是引起煤與瓦斯突出的主要因素。在進行煤與瓦斯突出預(yù)防工作時，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際，了解瓦斯地質(zhì)因素對煤與瓦斯突出的影響，有針對性地提出礦井防突、消突措施。

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