楊明顯，張 旭，譚顯龍

(1.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源與勘查技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042；2.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

隨著我國(guó)礦井采掘強(qiáng)度和深度的加大，礦井瓦斯問(wèn)題日趨嚴(yán)重，預(yù)測(cè)和防治煤與瓦斯突出對(duì)于提高礦井的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義[1]。煤與瓦斯突出是煤礦開(kāi)采過(guò)程中一種極復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，關(guān)于煤與瓦斯突出的原因眾多，但普遍認(rèn)為是煤層瓦斯(壓力和含量)、煤的力學(xué)性質(zhì)(構(gòu)造煤)、煤層受力狀態(tài)等綜合作用的結(jié)果[2]。

松藻礦區(qū)6對(duì)生產(chǎn)礦井歷史上煤與瓦斯突出發(fā)生頻繁，年最多突出75次[3]，礦區(qū)內(nèi)石壕煤礦2006年在茅口組石灰?guī)r掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)生二次瓦斯災(zāi)害事故，損失嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2010年，石壕煤礦已發(fā)生煤與瓦斯突出37次，給煤礦的安全建設(shè)和生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重危害。因此，開(kāi)展對(duì)石壕礦的煤與瓦斯突出研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)概況

1.1 松藻礦區(qū)

松藻礦區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上位于婁山褶皺帶的西北緣，礦區(qū)地段屬川黔經(jīng)向構(gòu)造體系，中段和南段屬華夏式構(gòu)造體系。礦區(qū)構(gòu)造在平面分布上形成向北東收斂、向南西撒開(kāi)的放射狀，由東向西依次發(fā)育有兩河口向斜、羊叉灘背斜、大木樹(shù)向斜和魚(yú)跳背斜，形成向西突的“鼓包形構(gòu)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(qū)開(kāi)采的晚二疊世龍?zhí)睹航M屬振蕩頻繁的海陸交替相沉積，主要煤層均屬高變質(zhì)無(wú)煙煤、埋藏適中(300～800m)，上覆蓋層厚(大面積的飛仙關(guān)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(tǒng)龍?zhí)督M，厚度67.81～89.48m，由一套海陸交替相的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、鋁土巖及煤層組成煤系地層。礦井開(kāi)采煤層3層，其中中厚較穩(wěn)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(fā)育的次級(jí)褶皺形成的“鼓包型”構(gòu)造西南端，與井田相關(guān)的褶皺主要有羊叉灘背斜、大木樹(shù)向斜和兩河口向斜，和褶皺相伴生還有一些斷裂構(gòu)造。

1.2.1 褶皺

1)羊叉灘背斜：位于兩河口向斜之西，軸向?yàn)镹E，長(zhǎng)約13km。該向斜結(jié)構(gòu)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(duì)稱背斜構(gòu)造。

2)大木樹(shù)向斜：位于羊叉灘背斜之西，軸向?yàn)镹E，全長(zhǎng)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(gòu)造。全長(zhǎng)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(duì)稱向斜[4]。

1.2.2 礦井主要斷層

據(jù)勘探資料統(tǒng)計(jì)，本井田共發(fā)現(xiàn)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(duì)煤系地層無(wú)影響。對(duì)煤層破壞較大的斷層主要見(jiàn)表1。

表1 破壞煤層主要斷層統(tǒng)計(jì)表

除上述斷層外，還存在其他斷層，但對(duì)石壕煤礦影響較小。

2 礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律

2.1 構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

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

2.2 頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

石壕井田為海陸交互瀉湖-潮坪-碳酸鹽臺(tái)地內(nèi)側(cè)海沉積體系潮坪成煤環(huán)境。礦井主采M6-3、M7-2、M8煤層的頂?shù)装宥酁槟鄮r、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，深灰色泥巖和砂質(zhì)泥巖中分散有機(jī)質(zhì)較發(fā)育，產(chǎn)生瓦斯的物質(zhì)條件較豐富，粉砂巖氣體滲透率低。因此，本礦煤層內(nèi)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(duì)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?jié)u于飽和，游離瓦斯增加，在構(gòu)造某些部位及煤層厚度變化地段聚集，形成高壓區(qū)。礦井37次煤與瓦斯突出中，垂深260～310m發(fā)生11次，而311～491m發(fā)生了15次，說(shuō)明隨埋深增加，煤與瓦斯突出也增加。

3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

3.1 煤與瓦斯突出規(guī)律

根據(jù)歷年煤與瓦斯突出資料統(tǒng)計(jì)分析，石壕煤礦煤與瓦斯突出規(guī)律主要有以下幾方面：

1)煤與瓦斯突出發(fā)生在一定的深度上；隨著煤層埋深增加，突出的危險(xiǎn)性增大，即突出的次數(shù)增多、突出強(qiáng)度增大、突出危險(xiǎn)區(qū)域增大。

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

3)突出的主要?dú)怏w是CH4，同一煤層瓦斯壓力、瓦斯含量大的地方突出危險(xiǎn)性越大。

4)突出煤層的特點(diǎn)是煤的強(qiáng)度低、變化大、透氣性差、瓦斯放散速度高、層理紊亂、節(jié)理發(fā)育、受地質(zhì)構(gòu)造破壞大的構(gòu)造煤。

5)突出危險(xiǎn)呈帶狀分布，如向斜軸部地區(qū)、向斜軸與斷層或褶曲交會(huì)地區(qū)、火成巖侵入形成的變質(zhì)煤和非變質(zhì)煤交混地區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造附近。

6)絕大多數(shù)突出都是發(fā)生在破煤工序，如放炮、割煤、打鉆等。

3.2 危險(xiǎn)性影響因素分析

據(jù)石壕煤礦煤層歷年煤與瓦斯突出綜合統(tǒng)計(jì)分析，影響煤與瓦斯突出危險(xiǎn)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(yīng)力增加，在受壓狀態(tài)下煤層彈性潛能增大，突出危險(xiǎn)程度增大，發(fā)生突出時(shí)突出的煤量、瓦斯量增加。

3.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)煤礦資料，該礦井37次煤與瓦斯突出都與地質(zhì)構(gòu)造帶有關(guān)系。每次發(fā)生突出后，收集現(xiàn)場(chǎng)的資料時(shí)都會(huì)發(fā)現(xiàn)突出點(diǎn)周圍存在地質(zhì)構(gòu)造，并且地質(zhì)構(gòu)造帶上煤質(zhì)發(fā)生變化，煤層破碎，硬度小、強(qiáng)度低；在地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)，煤體受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)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(jù)考察，在構(gòu)造帶所測(cè)得的瓦斯參數(shù)K1要比正常帶增大14%～37%，突出將會(huì)在地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)發(fā)生。因此地質(zhì)構(gòu)造帶為煤與瓦斯突出創(chuàng)造了優(yōu)越的條件，也直接影響著煤與瓦斯突出。

3.2.3 地應(yīng)力

煤與瓦斯突出是在地應(yīng)力、瓦斯、煤結(jié)構(gòu)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(dòng)力現(xiàn)象，地應(yīng)力是煤與瓦斯突出的關(guān)鍵因素，地應(yīng)力包括煤體上覆巖體的自重應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造帶的構(gòu)造應(yīng)力、采掘活動(dòng)過(guò)程中的采掘集中應(yīng)力，煤與瓦斯突出均發(fā)生在一定的深度，煤層受地應(yīng)力影響，煤層在受壓狀態(tài)下積聚大量的彈性潛能，當(dāng)采掘活動(dòng)進(jìn)入后，破壞了承壓狀態(tài)下的煤層的受力平衡狀態(tài)，煤體彈性潛能得到突然釋放，就會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出事故[6]。如礦E1625溜煤眼在由大鉆機(jī)刷擴(kuò)到1.2m的過(guò)程中，由于鉆機(jī)震動(dòng)造成了采掘應(yīng)力集中，發(fā)生了煤與瓦斯突出事故；另工作面支護(hù)強(qiáng)度不夠，造成工作面煤體受壓，在割煤的過(guò)程中發(fā)生壓出，這些都與采掘活動(dòng)有著直接的聯(lián)系。

3.2.4 突出煤層的煤體結(jié)構(gòu)

煤層結(jié)構(gòu)在煤與瓦斯突出過(guò)程中起阻止的作用，如果煤體結(jié)構(gòu)比較松軟，易破碎，當(dāng)高的地應(yīng)力、瓦斯壓力積聚并失去原有的平衡時(shí)，就會(huì)直接突破和損壞安全屏障，從而發(fā)生煤與瓦斯突出，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析煤礦37次煤與瓦斯突出中均與煤體結(jié)構(gòu)有著直接聯(lián)系，突出發(fā)生的地點(diǎn)煤層中的軟分層煤增厚，煤層節(jié)理發(fā)育、層理紊亂、暗淡無(wú)光澤，煤層變質(zhì)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(qiáng)度低，平均硬度系數(shù)f值小于0.5，且突出危險(xiǎn)隨著f值的減小而增大。

礦井在突出預(yù)測(cè)中曾將煤層軟分層厚度作為預(yù)測(cè)突出的敏感性指標(biāo)，即工作面采用“兩指標(biāo)一現(xiàn)象”預(yù)測(cè)方法，當(dāng)工作面煤層軟分層厚度超過(guò)煤層厚度的40%時(shí)或煤層軟分層厚度大于0.15m時(shí)，則直接將該區(qū)域定為突出危險(xiǎn)區(qū)，采掘過(guò)程中直接采取消突措施，在礦井的應(yīng)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(xiǎn)。

4 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

煤與瓦斯區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是對(duì)新礦井、新水平、新采區(qū)突出煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性劃分。由于被預(yù)測(cè)的煤層未被揭露或未完全被揭露，只能通過(guò)鉆孔、取樣測(cè)定煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、解吸速度等瓦斯基本參數(shù)，以及煤的物理力學(xué)性質(zhì)，用單項(xiàng)指標(biāo)或多項(xiàng)綜合指標(biāo)確定該區(qū)域的突出危險(xiǎn)；或者采用鄰近礦井、上水平、附近采區(qū)煤層瓦斯地質(zhì)資料推測(cè)該地區(qū)發(fā)生突出的可能性。

4.1 瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法預(yù)測(cè)

瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法，是根據(jù)已采區(qū)域突出點(diǎn)分布和地質(zhì)構(gòu)造(包括斷層、褶曲、煤層賦存條件變化、火成巖侵入等)的關(guān)系，然后結(jié)合未采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件劃分出突出危險(xiǎn)區(qū)和無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法預(yù)測(cè)考慮了突出區(qū)域分布性質(zhì)，強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)條件對(duì)煤層突出以及突出煤層瓦斯參數(shù)的控制作用，在許多生產(chǎn)礦井得到了應(yīng)用和發(fā)展。

針對(duì)瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法提出的瓦斯和地質(zhì)兩方面的指標(biāo)，不同礦區(qū)(或地區(qū))有其適用于本礦區(qū)的衡量標(biāo)準(zhǔn)；但在同一個(gè)礦區(qū)(或地區(qū))，所采用的瓦斯、地質(zhì)指標(biāo)，以及劃分的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是一致的。本次研究劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)斷層附近區(qū)域，一般情況下，壓性、壓扭性，落差大的斷層應(yīng)適當(dāng)加大危險(xiǎn)區(qū)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(xiǎn)區(qū)；0.5～1m落差的斷層，在其兩邊各15m劃分為突出危險(xiǎn)區(qū)；落差1m以上按其兩邊各20m劃為突出危險(xiǎn)區(qū)。

2)褶曲軸線兩側(cè)，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(xiǎn)區(qū)。

3)煤層產(chǎn)狀及賦存變化區(qū)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(qū)域。一般將煤厚變化達(dá)40%以上，或軟分層厚度達(dá)15cm以上的地段劃為突出危險(xiǎn)區(qū)。

通過(guò)對(duì)煤礦S1626、S1627、S1631工作面實(shí)際危險(xiǎn)情況考察確定，當(dāng)斷層落差H<0.5m 單側(cè)危險(xiǎn)范圍為10m，H=0.5～1m時(shí)，為20m；H≥1m時(shí)，為30m；羊叉灘背斜為40m；大木樹(shù)向斜為20m。

4.2 綜合指標(biāo)法預(yù)測(cè)

采用綜合指標(biāo)D、K[7]來(lái)預(yù)測(cè)煤層突出的危險(xiǎn)性，其臨界值應(yīng)根據(jù)本礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。在巖石巷道向突出煤層至少打兩個(gè)測(cè)壓鉆孔，測(cè)定煤層瓦斯壓力P；測(cè)定煤的堅(jiān)固性系數(shù)f，將兩個(gè)測(cè)壓孔所得的堅(jiān)固性系數(shù)最小值加以平均作為煤層軟分層煤的平均堅(jiān)固性系數(shù)；將堅(jiān)固性系數(shù)最小的兩個(gè)煤樣混合后，測(cè)定煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP，若無(wú)實(shí)測(cè)資料，參照表1取值[8]。

K=ΔP/f

D、 K綜合指標(biāo)法適于煤層的區(qū)域預(yù)測(cè)或石門揭煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，反映煤與瓦斯突出機(jī)理的量化，已被列入我國(guó)的防突細(xì)則，廣泛應(yīng)用[9]。

表2 用綜合指標(biāo)D和K預(yù)測(cè)區(qū)域突出危險(xiǎn)性的臨界值

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

按照以上條件，石壕煤礦現(xiàn)開(kāi)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(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，M6-3、M7-2、M8三層煤層煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果為突出危險(xiǎn)區(qū)，在開(kāi)采過(guò)程中執(zhí)行相應(yīng)的區(qū)域綜合防突措施和局部綜合防突措施。

5 結(jié)論

1)煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力和突出煤體結(jié)構(gòu)都影響石壕煤礦煤與瓦斯突出，在設(shè)計(jì)開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)充分考慮各因素，確保安全生產(chǎn)。

2)通過(guò)瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法和綜合指標(biāo)法對(duì)煤與瓦斯突出區(qū)域危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，表明主采煤層M6-3、M7-2和M8煤層區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)做好防突措施，安全生產(chǎn)。

[1] 何學(xué)秋,王恩元,劉貞堂,等.煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2003,13(6):40-43.

[2] 錢建平,孫文卿,傅雪海,等.淮南潘一煤礦未開(kāi)拓區(qū)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2011,23(6):23-27.

[3] 吳斌.瓦斯地質(zhì)研究及區(qū)域預(yù)測(cè)[J].煤炭科技,2011(3):74-76.

[4] 巫顯鈞.松藻礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律的認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(增刊2):6-8.

[5] 李美海,孫國(guó)文,桑鵬程,等.松藻礦區(qū)石壕井田東翼Ⅱ區(qū)煤層涌水量預(yù)測(cè)[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,6(1):1-4.

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

[7] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.

[8] 石銀斌.汝箕溝煤礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域劃分技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2010,38(增刊):71-72.

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