淺埋煤層地質(zhì)控制因素瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理研究

張淑同，楊志恒，傅道春，王 波

(1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.山東財(cái)經(jīng)大學(xué) 區(qū)域經(jīng)濟(jì)研究院， 山東 濟(jì)南 250014；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶 400037)

?

淺埋煤層地質(zhì)控制因素瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理研究

張淑同1，楊志恒2，傅道春1，王 波3

(1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.山東財(cái)經(jīng)大學(xué) 區(qū)域經(jīng)濟(jì)研究院， 山東 濟(jì)南 250014；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶 400037)

以某礦淺埋松軟煤層在瓦斯較低的條件下發(fā)生的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象事故為背景，研究事故發(fā)生的機(jī)理及預(yù)防措施。研究表明：事故的發(fā)生由地質(zhì)因素起主控作用，淺埋巨厚頂板、大面積采空區(qū)、正斷層形成的“孤島區(qū)”結(jié)構(gòu)為事故的發(fā)生提供了應(yīng)力條件；“孤島區(qū)”內(nèi)淺埋巨厚頂板沿煤層垂直方向產(chǎn)生的應(yīng)力，為煤體破壞、瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的孕育提供了條件，沿傾斜方向的應(yīng)力，為事故煤層及煤體的拋出提供了彈性能；煤層瓦斯解吸速度快、低透氣性、松軟結(jié)構(gòu)、厚度變化大的特征，為事故的發(fā)生提供了良好的瓦斯條件。根據(jù)事故發(fā)生的機(jī)理，提出了從地質(zhì)構(gòu)造賦存、高地應(yīng)力、瓦斯三個(gè)方面進(jìn)行災(zāi)害預(yù)防的方法。

淺埋煤層；地質(zhì)構(gòu)造；孤島結(jié)構(gòu)；瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象

煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦中的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象[1]，具有發(fā)生時(shí)間短、噴出大量瓦斯及碎煤、煤體中形成特殊形狀的孔洞、造成一定的動(dòng)力效應(yīng)的特點(diǎn)。自從1834年3月22日，在法國(guó)盧瓦爾(Loire)煤田以薩克(Issac)煤礦急傾斜厚煤層平巷掘進(jìn)工作面發(fā)生第一次有記載的煤與瓦斯突出事故以來(lái)，已有二十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出[2-6]。我國(guó)于1950年4月20日在遼源礦務(wù)局富國(guó)礦的西二坑煤巷掘進(jìn)工作面發(fā)生首次煤與瓦斯突出[5]，此后隨著開采深度的增加煤與瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重，目前我國(guó)煤與瓦斯突出事故約占全球煤與瓦斯突出事故的1/3[7]，已成為煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。

從世界上首例有記載的煤與瓦斯突出事故發(fā)生開始，前蘇聯(lián)、日本、烏克蘭、中國(guó)、捷克、波蘭和德國(guó)等近20個(gè)國(guó)家學(xué)者開展了煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理的研究工作，取得了豐碩的成果[8]，相繼提出了瓦斯主導(dǎo)作用假說(shuō)、地應(yīng)力主導(dǎo)作用假說(shuō)、化學(xué)本質(zhì)假說(shuō)等[3，5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于突出機(jī)理的認(rèn)識(shí)已經(jīng)統(tǒng)一到綜合假說(shuō)上，認(rèn)為突出是由地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果[9-11]，我國(guó)學(xué)者在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了眾多假說(shuō)，如周世寧、何學(xué)秋[12-13]提出了“流變假說(shuō)”、蔣承林、俞啟香[14-15]提出了“球殼失穩(wěn)假說(shuō)”、胡千庭等[16-19]提出了“煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理”等理論，并針對(duì)由瓦斯主導(dǎo)的煤與瓦斯突出制定了多以瓦斯為主的預(yù)測(cè)指標(biāo)和防治措施，有效遏制了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

2011年11月15日，某淺埋煤層掘進(jìn)工作面發(fā)生較大瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故，事故導(dǎo)致6名工人死亡，造成直接經(jīng)濟(jì)損失300多萬(wàn)元。本文根據(jù)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故調(diào)查分析及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件等資料，研究本次事故掘進(jìn)工作面含瓦斯煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、采掘空間巖層結(jié)構(gòu)，分析發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的應(yīng)力條件、瓦斯異常涌出來(lái)源、煤體失穩(wěn)原因，得出本次事故瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，提出了類似條件下的瓦斯動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法，為災(zāi)害防治供科學(xué)依據(jù)。

1 概 況

1.1 事故區(qū)域概況

事故礦井所采煤層為上二疊系吳家坪組中上部的吳家坪煤層，煤層厚度0～3m，平均0.47m，為單一煤層開采，采用長(zhǎng)壁后退式采煤法、爆破落煤工藝，自然垮落法管理頂板。煤層偽頂為厚0～0.2m的黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，直接頂厚平均107m，為條帶狀含燧石灰?guī)r、灰黃色泥質(zhì)粉砂巖。底板為灰黃色塊狀粘土巖、白色泥質(zhì)粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖及灰色含植物根部化石泥巖，煤層頂板穩(wěn)定性較好，底板遇水易膨脹，礦井瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井。

事故發(fā)生地點(diǎn)為+750m水平東一煤上山93m處掘進(jìn)工作面，標(biāo)高+795m，埋深約120m。東一煤上山巷高1.5m，頂寬1.6m，底寬2.4m，梯形木支架支護(hù)；上山0～45m段坡度24°左右，45～59m段坡度28°左右，59～93m段坡度26°左右；上山0～7m范圍內(nèi)煤厚1.3m、7～26m段煤厚0.3m、26～41m段煤厚0.5m、41～93m段煤厚0.8～1.2m。上山20～69m段頂板有淋水或滴水。事故地點(diǎn)東部有F6正斷層，落差5～6m，西部有F5正斷層，落差為3～5m，南部+900～+1130m范圍為采空區(qū)。

事故地點(diǎn)巷道布置如圖1所示，東一煤上山剖面見圖2。

圖1 事故地點(diǎn)周邊采掘情況

圖2 東一煤上山剖面圖

1.2 瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故概況

本次瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故發(fā)生于2011年11月15日14時(shí)，共涌出煤巖量151t，導(dǎo)致6人死亡，事故發(fā)生后巷道兩側(cè)可見堆積粉末煤，堆積煤具有明顯的分選性；煤堆積坡度小于自然安息角；涌出瓦斯量1200m3；+750m水平采區(qū)軌道上山+800m標(biāo)高車場(chǎng)內(nèi)兩處支架斷裂，東一煤上山下部有支架歪倒現(xiàn)象。上山內(nèi)20～69m段頂板有淋水或滴水，58～62m段巷道內(nèi)堆積的粉煤已成煤泥、煤漿。

2 瓦斯動(dòng)力災(zāi)害應(yīng)力條件

發(fā)生本次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的礦井瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.5m3/min，實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量為3.33m3/t，瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象噸煤瓦斯涌出量?jī)H7.95m3/t，遠(yuǎn)低于典型煤與瓦斯突出噸煤瓦斯涌出量30m3/t，瓦斯含量較低，瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的能量主要來(lái)源于地質(zhì)因素引起的應(yīng)力。

2.1 地質(zhì)因素及采空區(qū)引起垂直方向應(yīng)力集中

本次事故煤層頂板平均厚度為107m，事故發(fā)生地點(diǎn)埋深約為120m。由于煤層開采厚度小、埋深較淺且上覆巖層結(jié)構(gòu)完整，因此，事故發(fā)生地點(diǎn)南部+900～+1130m范圍的采空區(qū)內(nèi)頂板難以垮落，易于形成固支結(jié)構(gòu)。在事故發(fā)生地點(diǎn)東部F6正斷層、西部F5正斷層的切割作用下，在事故發(fā)生地點(diǎn)所在區(qū)域形成了巨厚頂板的兩端固支結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由斷層、巨厚頂板及大范圍采空區(qū)形成的上覆巖層兩端固支結(jié)構(gòu)，易于呈現(xiàn)臺(tái)階下沉，對(duì)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故應(yīng)力集中起主導(dǎo)作用。

圖3 地質(zhì)因素及大范圍采空區(qū)引起的淺埋上覆巖層兩端固支結(jié)構(gòu)

采空區(qū)傾斜長(zhǎng)約500m、走向長(zhǎng)560～680m，屬大范圍采空區(qū)；本次事故發(fā)生區(qū)域煤層埋深較淺、巨厚上覆巖層結(jié)構(gòu)完整，在斷層的切割下形成了“孤島區(qū)”(如圖4所示)，上覆巖層的自重完全由采空區(qū)兩端煤體支承，在煤體上形成了支承壓力區(qū)，造成應(yīng)力集中。由于采空區(qū)范圍較大、為淺埋“孤島區(qū)”，易于形成臺(tái)階下沉，且煤體強(qiáng)度較低(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f僅為0.16)，造成支承壓力分布范圍廣、應(yīng)力集中大。

圖4 斷層切割與采空區(qū)形成的“孤島區(qū)”結(jié)構(gòu)示意圖

事故發(fā)生地點(diǎn)煤層上支承壓力σ由兩部分組成，見式(1)。

σ=σ空+σq

(1)

式中：σ空為采空區(qū)內(nèi)懸空厚巖層傳遞到煤體上的支承壓力；σq為事故發(fā)生地點(diǎn)上覆巖層自重產(chǎn)生的支承壓力。

2.2 煤層傾角引起沿傾斜方向應(yīng)力集中

發(fā)生本次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的煤層傾角平均約為26°，事故發(fā)生地點(diǎn)位于采空區(qū)下水平，采空區(qū)內(nèi)懸空的上覆巖層巖對(duì)事故地點(diǎn)煤層產(chǎn)生沿傾斜方向的應(yīng)力作用。另外，事故地點(diǎn)與采空區(qū)之間的上覆巖層也會(huì)對(duì)事故地點(diǎn)的煤體產(chǎn)生沿傾斜方向力應(yīng)力作用。

因此，事故發(fā)生地點(diǎn)煤層沿傾斜方向的壓力σZ也由兩部分組成，見式(2)。

(2)

本次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象沿煤層的傾斜方向發(fā)生，沿傾斜方向的集中應(yīng)力為突出煤層的彈性潛能積聚提供了良好的條件，為瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)動(dòng)、發(fā)展提供了能量來(lái)源。

3 瓦斯涌出來(lái)源分析

瓦斯是煤與瓦斯的能量來(lái)源和基礎(chǔ)，在瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象過(guò)程中參與煤體的破碎，又是拋出煤體的主要?jiǎng)恿16]。本次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象涌出瓦斯涌出瓦斯量1200m3，噸煤瓦斯涌出量7.9m3/t。

1)煤層變厚。根據(jù)已有的突出統(tǒng)計(jì)資料，煤層厚度和傾角變化地質(zhì)構(gòu)造易于發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)單位斷面煤量增加，瓦斯含量相應(yīng)增加，瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象次數(shù)及突出強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)[16]。事故發(fā)生礦井的吳家坪煤層厚度平均0.47m，+750m水平東一煤上山事故發(fā)生地點(diǎn)煤層厚度變?yōu)?.2m，為瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生提供了瓦斯條件。

2)煤層軟透氣性差。松軟煤層瓦斯難以放散，尤其是當(dāng)外載荷較大時(shí)，松軟煤層中的孔裂隙更容易閉合，使得煤層中的瓦斯難以放散，瓦斯壓力梯度大，瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的危險(xiǎn)性就越高。該礦吳家坪煤層較軟，實(shí)測(cè)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f僅為0.16，煤的破壞類型為IV類，較差的煤層透氣性導(dǎo)致瓦斯不易散逸，為突出的發(fā)生提供了良好的瓦斯壓力梯度。

3)瓦斯放散初速度大。實(shí)測(cè)該礦吳家坪煤層瓦斯放散初速Δp值高達(dá)61mmHg，說(shuō)明煤層初始解吸瓦斯速度快，當(dāng)煤層卸壓后能夠?qū)⑽綉B(tài)瓦斯迅速解吸為游離態(tài)瓦斯，拋出煤巖及伴隨煤巖涌出。

4 預(yù)防措施

4.1 預(yù)測(cè)指標(biāo)

本次事故礦井2008年、2009年瓦斯等級(jí)鑒定均為低瓦斯礦井，未采取區(qū)域預(yù)測(cè)措施，采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2作為日常預(yù)測(cè)指標(biāo)。礦方在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)定的△h2指標(biāo)值處于0～8mmH2O之間，遠(yuǎn)小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的20mmH2O的臨界值，現(xiàn)有瓦斯指標(biāo)及推薦臨界值均已失效。

1)區(qū)域預(yù)測(cè)方法采用實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤的破壞類型等指標(biāo)，進(jìn)行綜合分析的方式預(yù)測(cè)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性。

2)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)采用綜合反映地應(yīng)力、瓦斯的復(fù)合指標(biāo)預(yù)測(cè)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性。

3)針對(duì)礦井或采區(qū)的實(shí)際，進(jìn)行預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值的考察，以便保證預(yù)測(cè)的針對(duì)性與準(zhǔn)確性。

4.2 防治措施

1)掌握井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造賦存情況，對(duì)于工作面內(nèi)存在高應(yīng)力帶的區(qū)域，堅(jiān)持先卸壓，后回采。

2)采掘過(guò)程中當(dāng)出現(xiàn)噴孔、頂鉆、卡鉆、冒頂?shù)韧咚沟刭|(zhì)異常變化或瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)應(yīng)采取措施。

3)采用邊探邊掘的方法進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，確保與地質(zhì)構(gòu)造破壞帶法向距離不小于20m。

4)堅(jiān)持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充的原則，做到采掘工作“不掘突出頭，不采突出面”。

5)在巷道交岔處、構(gòu)造變化帶及地壓增大帶，加強(qiáng)支護(hù)，防止煤體片幫、垮塌失穩(wěn)引起煤與瓦斯突出。

5 結(jié) 論

1)本次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生由地質(zhì)因素起主導(dǎo)作用，淺埋巨厚頂板、大面積采空區(qū)、斷層形成的“孤島區(qū)”賦存結(jié)構(gòu)為瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生提供了應(yīng)力條件。

2)大范圍采空區(qū)內(nèi)淺埋巨厚頂板沿煤層垂直方向產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)煤體進(jìn)行了破壞，為瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生提供了孕育條件。

3)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生煤層傾角較大，采空區(qū)內(nèi)淺埋巨厚頂板自重沿煤層傾斜方向產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)突出煤層提供了彈性能，為煤體的拋出提供了能量。

[1] 于不凡.煤和瓦斯突出機(jī)理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1985：1-2.

[2] 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院通風(fēng)安全教研室瓦斯組.煤和瓦斯突出的防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1979：2-4.

[3] 李希建，林柏泉.煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀及分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(1)：7-13.

[4] 鄧濤.含瓦斯煤巖卸圍壓實(shí)驗(yàn)及上解放層解放范圍的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[5] 孫文革，李純寶.煤與瓦斯突出機(jī)理研究現(xiàn)狀[J].山東煤炭科技，2009 (6)：163-165.

[6] 孫葉，譚成軒，孫煒鋒，等.煤瓦斯突出研究現(xiàn)狀及其研究方向探討[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，14(2)：117-134.

[7] Norbert Skoczylas.Laboratory study of the phenomenon of methane and coal outburst[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2012，55：102-107.

[8] 張春華，劉澤功.實(shí)驗(yàn)室煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)回顧及展望[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21(3)：48-53.

[9] 孟祥躍，丁雁生，陳力，等.煤與瓦斯突出的二維模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996，21(1)：57-62.

[10] 蔡成功.煤與瓦斯突出三維模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(1)：66-69.

[11] 鄧全封，欒永祥，王佑安.煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)[J].煤礦安全，1989，20(11)：6-11.

[12] 周世寧，何學(xué)秋.煤和瓦斯突出機(jī)理的流變假說(shuō)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，19(2)：1-8.

[13] He Xueqiu，Zhou Shining.Rheological hypothesis of coal and gas outburst mechanism[J].Journal of China University of Mining & Technology，1994，4(1)：15-23.

[14] 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出機(jī)理的球殼失穩(wěn)假說(shuō)[J].煤礦安全，1995 (2)：17-25.

[15] 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998：157-201.

[16] 胡千庭，文光才.煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理[M].北京：科學(xué)出版社，2013：227-305.

[17] 胡千庭.煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理及應(yīng)用研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2007.

[18] 金洪偉.煤與瓦斯突出發(fā)展階段煤的破壞機(jī)理研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2012.

[19] 唐俊，蔣承林，李曉偉，等.煤與瓦斯突出機(jī)理與突出預(yù)測(cè)的關(guān)系及研究進(jìn)展[J].煤礦安全，2016，47(4)：186-190.

Study on the mechanism of coal and gas outburst caused by geological factors in shallow seam

ZHANG Shu-tong1，YANG Zhi-heng2，F(xiàn)U Dao-chun1，WANG Bo3

(1.Institute of Traffic and Civil Engineering，Shandong Jiaotong University，Jinan 250357，China； 2.Regional Economy Institute，Shandong University of Finance and Economics，Jinan 250014，China； 3.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

The mechanism and prevention of coal and gas outburst are investigated based on a rare coal and gas outburst accident in which the seam is shallow，soft，and lows gas.The results show that the accident caused by geological factors.The island area constituted by shallow and extremely thick roof，large area gob，and normal fault provides stress conditions for the accident.Vertical stress caused by the extremely thick roof’s weight in the island area provides stress condition for coal seam damage and pregnant of the accident.Stress along the oblique direction provides ballistic performance for accident seam and throw coal.Such characteristics of coal seam as large gas desorption speed，low permeability，soft structure，thickness provides gas condition.According to the mechanism of the accident，the accident prevent and control methods is put forward which should prevent and control from the aspects of geological storage，high stress，gas.

shallow seam；geological structure；island structure；coal and gas outburst

2016-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(面上)項(xiàng)目資助(編號(hào)：51574280)

張淑同(1979-)，男，博士，副教授，主要從事煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治、工程建設(shè)安全管理方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：zstsdust@hotmail.com。

TD713

A

1004-4051(2016)11-112-04