韓城礦區(qū)3#煤層突出災(zāi)害特點分析及其防治對策

季 飛，李生舟

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

1 礦區(qū)煤層地質(zhì)特點

陜煤韓城礦業(yè)公司是韓城礦區(qū)的主要煤炭生產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)有四對生產(chǎn)礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力7.80Mt/a，核定生產(chǎn)能力6.45Mt/a。以文家?guī)X斷層為界，北區(qū)的下峪口煤礦、桑樹坪煤礦及桑樹坪二號井為煤與瓦斯突出礦井，南區(qū)的象山礦井為高瓦斯礦井。

韓城礦區(qū)瓦斯、水、煤塵、頂板災(zāi)害并存，其中煤與瓦斯突出、突水等災(zāi)害尤為嚴(yán)重。突出災(zāi)害類型多以壓出類型為主，主要表現(xiàn)為地應(yīng)力起主導(dǎo)作用而瓦斯次之。隨著礦區(qū)開采深度的增加，突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重，煤與瓦斯突出災(zāi)害已成為制約韓城礦區(qū)安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害[1～3]。

2 礦區(qū)煤層瓦斯賦存情況

韓城礦業(yè)公司下峪口煤礦2#、3#煤層為突出煤層，桑樹坪煤礦 2#、3#、11#煤層均為突出煤層，桑樹坪二號井3#煤層為突出煤層。據(jù)統(tǒng)計，韓城礦業(yè)公司所屬煤礦共發(fā)生煤與瓦斯突出事故145次，其中3#煤層發(fā)生突出144次，2#煤層發(fā)生1次。礦區(qū)突出多以壓出類型為主。

礦區(qū)煤層瓦斯賦存差異性較大；3#煤層瓦斯含量高、壓力大。桑樹坪、下峪口礦3#煤層目前開采水平煤層松軟，煤的破壞類型Ⅳ、Ⅴ類；桑樹坪二號井3#煤層整體結(jié)構(gòu)較硬，含有軟分層。結(jié)合韓城礦區(qū)3對突出礦井3#煤層瓦斯突出危險參數(shù)以及開采中的實際情況，分析具有以下特殊特征：

1）桑樹坪二號井比另外兩井雖然埋深更淺，井田內(nèi)煤層瓦斯壓力低，但煤層瓦斯含量卻更高，現(xiàn)場采掘過程中的瓦斯災(zāi)害情況相對輕微，尚未發(fā)生過突出事故，表明韓城礦區(qū)瓦斯動力災(zāi)害中并非煤層瓦斯含量起主導(dǎo)作用。

2）韓城礦區(qū)3#煤層整體來說較為松軟，堅固性系數(shù)f=0.11～0.48，僅在埋深較淺的桑樹坪二號井井田內(nèi)，煤層較為堅硬。瓦斯放散能力為中等-較強(qiáng)，ΔP=7～22，軟分層煤樣放散能力更強(qiáng)。

3）韓城礦區(qū)主采3#煤層瓦斯解吸能力較差，隨瓦斯壓力增加，解吸指標(biāo)K1增加不明顯，瓦斯壓力P=0.74MPa，對應(yīng)的 K1=0.12～0.26mL/(g·min1/2)，指標(biāo)值較??；實驗室分析K1指標(biāo)在預(yù)測工作面突出危險性敏感性相對較差。

3 礦區(qū)煤與瓦斯動力災(zāi)害特點分析

3.1 動力災(zāi)害規(guī)律分析

韓城礦區(qū)主采煤層3#煤層屬于嚴(yán)重突出煤層，發(fā)生突出144次，統(tǒng)計突出有如下特點：

1）桑樹坪煤礦的煤與瓦斯突出包括突出、壓出、傾出，其中以壓出類型為主，共發(fā)生67次，占總數(shù)的55%，突出55次，占總數(shù)的45%；下峪口煤礦累計發(fā)生突出22次，其突出類型主要以壓出為主，占比81.8%（18次），表明韓城礦區(qū)的突出動力現(xiàn)象以地應(yīng)力為主，次為瓦斯壓力。

2）韓城礦區(qū)突出強(qiáng)度一般不大，以中小型為主；煤巷突出占多數(shù)且煤巷存在明顯的延時突出特點。

3）突出點有規(guī)律性，集中在地質(zhì)異常區(qū)。桑樹坪煤礦56%的突出位置位于煤厚變化率超過30%的厚煤帶或者薄煤帶中；容易發(fā)生突出的異常地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域特點為，煤層變薄、變軟，煤結(jié)構(gòu)紊亂、干燥、煤的瓦斯解吸能力增強(qiáng)；

4）多數(shù)突出前有較明顯的突出預(yù)兆。

3.2 動力災(zāi)害特點成因分析

韓城礦區(qū)主采3#煤層厚度大、煤層整體較為松軟、部分區(qū)域存在堅硬厚層頂?shù)装澹又V區(qū)高地壓背景，這種特殊的賦存條件下，其瓦斯動力災(zāi)害發(fā)生類型和發(fā)生機(jī)制有別于一般礦區(qū)的單一型瓦斯災(zāi)害類型，特別是構(gòu)造附近的松軟煤體將出現(xiàn)大變形和蠕變特性。

煤與瓦斯突出是煤層瓦斯，地應(yīng)力和煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。韓城礦區(qū)發(fā)生的突出災(zāi)害類型因其復(fù)雜的煤層瓦斯賦存條件，煤層瓦斯，地應(yīng)力和煤巖三種因素之間作用程度和耦合關(guān)系不同，可以概括為以下三種[4～8]：

1）以高能瓦斯為主要能量來源的瞬時突出。采掘過程中，將起到保護(hù)屏障的煤巖體破壞后，含有高瓦斯能量的煤體在壓力作用下，破碎的煤與瓦斯突然噴向采掘空間，突出示意圖如圖1所示。

2）以高地應(yīng)力為基礎(chǔ)，采動應(yīng)力集中造成的瞬時突出。這種突出中煤體本身處于較高的地應(yīng)力環(huán)境中，發(fā)生了拉伸破壞為主的破壞，在采掘活動的擾動下，應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步發(fā)生急劇變化，或者發(fā)生頂、底板大規(guī)模破斷或滑移垮落而產(chǎn)生強(qiáng)烈震動或能量釋放（初次來壓、周期來壓等）。當(dāng)煤層厚層堅硬頂板存在沖擊等危險時，能量傳導(dǎo)至采掘工作面暴露的煤體，將會表現(xiàn)為此種類型的突出。動載作用下的瞬時突出示意圖如圖2所示。

圖1 高能瓦斯作用為主的瞬時突出示意圖

圖2 動載作用下的瞬時突出示意圖

目前在沒有保護(hù)層開采條件的突出煤層，礦井若任然采用的是以預(yù)抽煤層瓦斯為主的區(qū)域防突措施，顯然無法有效的改善采掘煤層的高地應(yīng)力狀態(tài)，同時煤層堅硬頂板瞬時破斷形成動壓沖擊危險依然存在，無法根本性的消除地應(yīng)力主導(dǎo)的和堅硬頂板的動壓誘發(fā)的突出危險。

3）以高地應(yīng)力為基礎(chǔ)，準(zhǔn)靜載作用下的蠕變失穩(wěn)延時突出。受韓城礦區(qū)整體高地壓影響，采掘工作面煤體在高地應(yīng)力作用下，已經(jīng)處于峰后階段。當(dāng)工作面采掘形成暴露空間，煤體從原始狀態(tài)下的三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴軌簯?yīng)力狀態(tài)，而松軟煤層由于蠕變性質(zhì)，即使上覆荷載不增加，其變形量依然隨時間增加而增加，出現(xiàn)應(yīng)變軟化，一般工作面前方煤層中應(yīng)力沒有明顯的應(yīng)力峰值區(qū)域，應(yīng)力分布梯度較為平緩，隨著變形的進(jìn)一步增加，就有可能失穩(wěn)發(fā)生延期突出。如圖3所示。

綜上所述，韓城礦區(qū)煤與瓦斯動力災(zāi)害復(fù)雜，不同類型的突出災(zāi)害，其防治技術(shù)思路應(yīng)有所差異，實現(xiàn)精準(zhǔn)高效防治。

4 災(zāi)害防治對策

圖3 靜載作用下的蠕變延時失穩(wěn)突出示意圖

目前相關(guān)法規(guī)已經(jīng)明確了具有突出危險煤層的兩級“四位一體”綜合防突措施，預(yù)抽煤層瓦斯是最基本的措施之一，但是對于韓城片區(qū)地應(yīng)力主導(dǎo)型突出，僅依靠預(yù)抽瓦斯無法完全的消除突出危險，還應(yīng)采取技術(shù)措施卸除煤層中的應(yīng)力，降低煤層厚層堅硬頂?shù)装逯屑鄣膹椥阅?，從而減輕采掘過程中的來壓誘發(fā)突出危險，從煤層瓦斯和應(yīng)力兩方面防治煤與瓦斯突出災(zāi)害。

1）韓城礦區(qū)即使較小的范圍內(nèi)，也可能瓦斯賦存規(guī)律迥異，應(yīng)積極采用先進(jìn)技術(shù)加強(qiáng)探測工作，加強(qiáng)對不同瓦斯地質(zhì)單元及其開采技術(shù)條件下的突出災(zāi)害機(jī)理研究，提高采掘區(qū)域突出危險性的預(yù)測精度及防突效率。

2）礦區(qū)大部分煤與瓦斯動力災(zāi)害集中在地質(zhì)異常區(qū)，與斷層、褶曲、煤厚變化、結(jié)構(gòu)紊亂煤等息息相關(guān)，應(yīng)加地質(zhì)探測工作，為煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治提供依據(jù)。

3）針對礦井開采工藝技術(shù)條件，研究應(yīng)力集中及頂?shù)装鍋韷阂?guī)律與突出災(zāi)害之間的耦合關(guān)系，從消除和降低煤層應(yīng)力角度來防治煤與瓦斯突出災(zāi)害。

4）從災(zāi)害防治角度出發(fā)，韓城礦區(qū)礦井應(yīng)該優(yōu)先開采保護(hù)層，不具備保護(hù)層開采條件的區(qū)域，煤層瓦斯抽采和卸除地應(yīng)力的措施應(yīng)該并舉，可采用水力強(qiáng)化卸壓增透措施結(jié)合堅硬厚層頂板弱化降沖技術(shù)的綜合防突技術(shù)思路。