鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的主要規(guī)律

王百戰(zhàn)，王 江

(三門峽龍王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 澠池 472434)

煤與瓦斯突出事故一直以來都是煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域最為嚴(yán)重的動力災(zāi)害，由于其影響因素的復(fù)雜性、后果的災(zāi)難性以及事故的難預(yù)測性和突發(fā)性，嚴(yán)重制約著煤礦的正常發(fā)展以及職工的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]. 隨著我國近幾年煤炭開采深度不斷增加，發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性也越來越大。因此，進(jìn)行煤與瓦斯突出的主要規(guī)律研究非常迫切[3-4].

國內(nèi)外眾多學(xué)者對此進(jìn)行了專題研究。胡千庭等[5]基于力學(xué)機(jī)理對煤與瓦斯突出過程進(jìn)行了研究，得出采掘工作面周圍巖體原始應(yīng)力遭破壞失穩(wěn)和煤巖體的迅速拋出是發(fā)生煤與瓦斯突出的的主要原因。鮮學(xué)福、李成武等[6-7]結(jié)合理論算法和現(xiàn)場實(shí)例對煤與瓦斯突出過程機(jī)理進(jìn)行了解釋，并得出瓦斯是煤與瓦斯突出能量的主要來源。韓軍等[8]通過對我國華北、華南等7個礦區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘察并對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析得出，地應(yīng)力是誘發(fā)煤與瓦斯突出的關(guān)鍵因素，且在突出礦井中水平地應(yīng)力普遍較高。李小雙等[9]基于實(shí)驗(yàn)室平臺分析得出，煤與瓦斯突出現(xiàn)象是一種復(fù)雜的力學(xué)行為，是煤體、瓦斯壓力和地應(yīng)力等因素耦合作用下產(chǎn)生的。雷文杰等[10-12]通過相似模擬對煤與瓦斯突出過程微震響應(yīng)特征進(jìn)行了專題研究，并得出臨突前的調(diào)整期是預(yù)測煤與瓦斯突出事故的關(guān)鍵時(shí)段，此過程中微震響應(yīng)事件呈現(xiàn)出低能量高密度性。

由于煤與瓦斯突出事件的高度復(fù)雜性和地域分布差異性，目前尚未形成統(tǒng)一規(guī)范的理論體系能夠?qū)γ号c瓦斯突出事件進(jìn)行普遍的闡述。根據(jù)資料記載顯示，鑫隆礦區(qū)歷史記載突出次數(shù)高達(dá)112次，突出總煤量高達(dá)12 778 t，單次最大突出瓦斯涌出量高達(dá)167 425 m3，多次煤與瓦斯突出的發(fā)生，影響了鑫隆礦區(qū)的安全生產(chǎn)。該礦區(qū)的突出事故大多為小型突出、中型突出和次大型突出，如果能有效地利用歷史突出資料，充分挖掘其內(nèi)部規(guī)律，對避免安全事故的發(fā)生有重大的意義。因此，基于鑫隆礦區(qū)6對礦井中，4對煤與瓦斯突出礦井所發(fā)生的動力現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對該礦區(qū)煤與瓦斯突出的一般特征及其分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 煤與瓦斯突出的一般特征

鑫隆礦區(qū)作為典型的煤與瓦斯突出礦區(qū)，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，井田內(nèi)局部發(fā)育有小落差、隱伏斷層，并伴有次一級褶曲。煤層平均煤厚2.3 m，傾角7°～11°. 鏡煤組最大反射率2.86%，平均密度1.56×103kg/ m3；其頂板、底板都為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，平均密度2.54×103kg/m3，孔隙率6.2%，單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度分別為12.3 MPa、1.9 MPa. 鑫隆礦區(qū)瓦斯動力災(zāi)害嚴(yán)重，煤層瓦斯含量16.8～18.6 m3/t，瓦斯壓力0.9～1.4 MPa，礦井在首采工作面掘進(jìn)和回采期間發(fā)生多起煤與瓦斯突出事故。

1.1 始突深度

該礦業(yè)所屬煤礦由于煤層及瓦斯賦存條件、開采條件與技術(shù)的不同，其始突深度也呈現(xiàn)不同規(guī)律。對龍山煤礦、大眾煤礦和銅冶煤礦3對突出礦井始突深度、始突標(biāo)高的近幾年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1. 其中，始突深度最大的是大眾煤礦，始突深度為304 m，最小的為龍山煤礦，始突深度為155 m.

表1 煤與瓦斯突出深度表

1.2 突出強(qiáng)度

突出煤量是表征突出強(qiáng)度的重要參數(shù)之一，理論條件下，可根據(jù)突出煤量的多少來劃分突出強(qiáng)度等級，一般可劃分為5種類型。對鑫隆礦業(yè)龍山煤礦、大眾煤礦、銅冶煤礦和果園煤礦4對突出礦井的歷史記載資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出其突出強(qiáng)度情況，見表2.

表2 突出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

以最為典型的龍山煤礦為例，5種突出強(qiáng)度類型均有發(fā)生記錄，其中，按照其發(fā)生次數(shù)進(jìn)行排序?yàn)椋盒⌒屯怀?47.6%)>次大型突出(25.7%)>中型型突出(22.9%)>大型及特大型突出(3.8%). 大眾煤礦、果園煤礦、銅冶煤礦的突出強(qiáng)度規(guī)律分析也滿足此特征。

1.3 突出頻度

理論上以單位時(shí)間(一般為年)內(nèi)突出的平均次數(shù)來表征突出頻度。對龍山煤礦、大眾煤礦和銅冶煤礦的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其突出頻度結(jié)果見表3.

表3 煤與瓦斯突出頻度表

由表3結(jié)果可知，龍山煤礦突出頻度最高，說明該礦受煤與瓦斯突出的災(zāi)害影響嚴(yán)重，相比之下大眾煤礦與銅冶煤礦頻度稍低，突出頻度受礦井地質(zhì)條件、煤層瓦斯賦存條件的影響。

1.4 突出壓力

理論上利用突出點(diǎn)在臨突前的瓦斯壓力表征突出壓力。對受瓦斯災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的龍山煤礦的瓦斯壓力資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果見表4，圖1.

表4 龍山煤礦瓦斯壓力表

圖1 埋深與瓦斯壓力趨勢圖

根據(jù)表4及圖1可知，龍山煤礦的始突深度為215 m，且突出處的瓦斯壓力約為0.8 MPa.

1.5 突出類型

煤與瓦斯突出分為突出、壓出和傾出3種類型。對近幾年鑫隆礦區(qū)的煤與瓦斯突出類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)果見表5.

表5 煤與瓦斯突出類型表

由表5可知，鑫隆礦區(qū)所屬礦井的主要突出類型以突出為主。其中，龍山煤礦突出次數(shù)占總次數(shù)的83%，大眾煤礦為87.5%，銅冶煤礦為65.2%，果園煤礦為65%. 可見，龍山煤礦和大眾煤礦受突出影響較多。

2 煤與瓦斯突出的分布規(guī)律

基于鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的一般規(guī)律分析結(jié)果，選取受煤與瓦斯突出影響最為嚴(yán)重的龍山煤礦為對象，從煤與瓦斯突出發(fā)生地點(diǎn)及作業(yè)方式兩方面，對該礦區(qū)煤與瓦斯突出的分布規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 煤與瓦斯突出發(fā)生地點(diǎn)分布特征

1) 在巷道掘進(jìn)過程中易發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。對龍山煤礦有準(zhǔn)確巷道類型記錄的80次突出發(fā)生部位及其強(qiáng)度、次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表6.

由表6可知，龍山煤礦煤與瓦斯突出一般發(fā)生在平巷中，71.25%占比且其發(fā)生強(qiáng)度較上山掘進(jìn)巷道稍大。因此，在以后的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)有針對性地對該區(qū)域采取一定的防范措施。

2) 突出常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶及煤層傾角突然變化處。通過對龍山煤礦有準(zhǔn)確巷道類型記錄的80次

表6 突出強(qiáng)度同巷道類型表

突出部位的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表7.

表7 突出部位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

通過表7可知，突出的發(fā)生受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，斷層對突出的影響最大占53.6%，其次是煤傾角變化及褶曲。

2.2 現(xiàn)場作業(yè)對煤與瓦斯突出的影響

對龍山煤礦作業(yè)方式引發(fā)突出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表8.

表8 作業(yè)方式引發(fā)突出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

現(xiàn)場作業(yè)也是誘發(fā)突出的主要方式。根據(jù)表8可知，放炮由于巨大的沖擊破壞作用，是最主要的作業(yè)誘導(dǎo)方式，在全部作業(yè)誘導(dǎo)方式中占比74.67%.

3 討論與分析

鑫隆礦區(qū)作為典型的突出礦區(qū)，通過對其突出一般規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合其突出發(fā)生的一般分布規(guī)律，可以得出發(fā)生煤與瓦斯突出的原因在于其地質(zhì)條件和作業(yè)方式，其中斷層、煤層傾角忽變和褶曲的存在是造成該煤與瓦斯突出的地質(zhì)因素，也是其內(nèi)部因素。其次，就其現(xiàn)場擾動方面，該礦區(qū)采用炮采掘進(jìn)，其巨大的沖擊破壞作用，構(gòu)成了現(xiàn)場煤與瓦斯突出的外部誘因。

4 結(jié) 論

1) 小型、中型突出是鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的的主要形式，從其突出發(fā)生的突出強(qiáng)度、始突深度、突出壓力和突出頻度等方面分析，得出該礦區(qū)突出事故介于嚴(yán)重突出與一般突出之間。

2) 通過系統(tǒng)分析得出，鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出大多發(fā)生于平巷，占比高達(dá)71%以上。因此，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)針對性地對該區(qū)域采取一定的防范措施。炮采產(chǎn)生的瞬時(shí)能量釋放會使得破碎煤層和圍巖的穩(wěn)定性驟降，建議根據(jù)前方煤壁和圍巖的穩(wěn)定性決定每次炮采的裝藥量，防止打破其承受極限。

3) 從龍山煤礦基礎(chǔ)資料得出，鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的分布具有明顯的規(guī)律特征。其中斷層、煤層傾角忽變和褶曲的存在是造成鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的內(nèi)部因素，炮采掘進(jìn)因其巨大的沖擊破壞作用，是鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的外部誘因。