代 衛(wèi)，張雷林，申宏敏

（1．國(guó)投新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232172；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

·試驗(yàn)研究·

新集二礦煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域劃分研究

代 衛(wèi)1，張雷林2，申宏敏2

（1．國(guó)投新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232172；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

通過(guò)對(duì)新集二礦6#、13#煤層瓦斯壓力的測(cè)定，分析了煤層瓦斯壓力的分布規(guī)律，根據(jù)瓦斯壓力的分布規(guī)律，劃分出新集二礦6#和13#煤層各自在標(biāo)高-600～-550 m范圍內(nèi)的突出危險(xiǎn)區(qū)和無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。并結(jié)合煤的破壞類型、瓦斯散放初速度和煤的堅(jiān)固性系數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)，驗(yàn)證了突出危險(xiǎn)區(qū)的劃分效果，結(jié)果顯示，單項(xiàng)指標(biāo)與瓦斯壓力的分布規(guī)律相符合。

瓦斯壓力；突出危險(xiǎn)區(qū)；區(qū)域劃分；單項(xiàng)指標(biāo)

煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過(guò)程中發(fā)生的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，是地應(yīng)力、瓦斯、煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)國(guó)內(nèi)外開采突出煤層的實(shí)踐證明，突出煤層并非處處都有突出危險(xiǎn)，突出只發(fā)生在突出煤層中的局部地帶，其突出危險(xiǎn)帶的面積還不到突出煤層面積的10%～20%，而且突出危險(xiǎn)帶的分布也很不均勻，有的相距較近，有的相隔很遠(yuǎn)［1，2］。區(qū)域預(yù)測(cè)的目的就是事先找出這些區(qū)域，為煤礦以后的開采生產(chǎn)提供依據(jù)。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，突出煤層區(qū)域性預(yù)測(cè)一般根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的方法進(jìn)行，其最基本的指標(biāo)為瓦斯壓力，在沒(méi)有或缺少瓦斯壓力的情況下可根據(jù)瓦斯含量預(yù)測(cè)。國(guó)投新集能源公司新集二礦通過(guò)首先確定其井田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，然后采用測(cè)定井下瓦斯壓力并分析其分布規(guī)律，結(jié)合“四指標(biāo)法”（煤層瓦斯壓力、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度、煤的破壞類型）來(lái)劃分煤礦突出危險(xiǎn)區(qū)和無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。

1 礦井概況

新集二礦位于淮南市鳳臺(tái)縣城西約12 km，東毗新集三礦，西鄰新集一礦。井田范圍：西起1號(hào)勘探線，東止013勘探線；南自1煤層與阜鳳逆沖斷層或其下夾片斷層（局部為壽縣老人倉(cāng)斷層）的交面線，北至13-1煤層底板-1 000 m高程的垂直投影線，東西走向最長(zhǎng)約6 km，南北傾向最寬約5 km，面積約22 km2。規(guī)劃煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量5．33億t，可采儲(chǔ)量1．932億t。礦井于1993年7月開工建設(shè)，1996年10月投產(chǎn)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/年，改擴(kuò)建后設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬(wàn)t/年；2007年，經(jīng)淮南局核定、安徽省批準(zhǔn)，礦井核定生產(chǎn)能力為290萬(wàn)t/年。礦井配套有設(shè)計(jì)年入洗能力400萬(wàn)t原煤選煤廠。在地質(zhì)上，新集二礦位于淮南復(fù)向斜謝橋向斜南翼，潁鳳區(qū)阜鳳推覆構(gòu)造中段，構(gòu)造線方向近東西。根據(jù)陸地和水面地震勘探資料反映，由于受南北主構(gòu)造應(yīng)力的影響和控制，次一級(jí)褶皺構(gòu)造、中小斷層及小褶曲較為發(fā)育。2012年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為39．01 m3/min，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為9．84 m3/t，經(jīng)安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)批復(fù)新集二礦為突出礦井。

2 瓦斯壓力的測(cè)定及其規(guī)律的分析

煤層瓦斯壓力是煤層瓦斯流動(dòng)和涌出的最基本參數(shù)，也是煤層發(fā)動(dòng)突出的動(dòng)力之一。因此，要準(zhǔn)確地對(duì)煤層的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行區(qū)域劃分，必須測(cè)定各點(diǎn)的煤層瓦斯壓力，并由此研究煤層的瓦斯壓力分布規(guī)律。

2．1 瓦斯壓力的測(cè)定

煤層瓦斯壓力的測(cè)定是煤礦進(jìn)行區(qū)域防突危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的主要方法之一。為了對(duì)標(biāo)高在-600～-550 m范圍內(nèi)6#、13#煤的突出危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，在6#煤選取了6個(gè)點(diǎn)作為區(qū)域劃分的測(cè)壓地點(diǎn)；13#煤由于條件所限，選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置2個(gè)測(cè)壓孔。通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定后，拋棄明顯存在誤差的點(diǎn)后，-600～-550 m范圍內(nèi)6#、13#煤瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 6#煤、13#煤瓦斯壓力測(cè)定地點(diǎn)布置及測(cè)定結(jié)果表

2．2 瓦斯壓力分布規(guī)律的研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層瓦斯壓力大量的測(cè)定結(jié)果表明，在甲烷帶內(nèi)，煤層的瓦斯壓力隨深度的增加而增加，多數(shù)煤層呈線性增加，瓦斯壓力梯度因地質(zhì)條件而異，在地質(zhì)條件相近的塊段內(nèi)相同深度的同一煤層具有大體相同的瓦斯壓力，如此，可以按下式預(yù)測(cè)深部煤層的瓦斯壓力：

式中：

P—甲烷帶內(nèi)深度為H（m）處煤層相對(duì)瓦斯壓力，MPa；

P1—甲烷帶內(nèi)深度為H1（m）已知的煤層相對(duì)瓦斯壓力，MPa；

c—瓦斯壓力梯度，MPa/m，一般變化范圍為0．01 ±0．005。

通過(guò)在井田范圍內(nèi)煤層傾向上選取具有代表性的地點(diǎn)，記錄下標(biāo)高、經(jīng)緯坐標(biāo)等參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行瓦斯壓力的測(cè)定，進(jìn)而求得礦井的瓦斯壓力梯度。同樣的方法，對(duì)煤層相同標(biāo)高走向上多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，也能夠得到瓦斯壓力在走向上的變化規(guī)律［3-5］。

1）6#煤、13#煤層傾向上瓦斯壓力分布規(guī)律。

式中：θ為日角，θ=2πt0-365.2422，其中t0=N-1，N為積日，即日期在年內(nèi)的順序號(hào)(1月1日為1，以此類推，12月31日為365(非潤(rùn)年))，經(jīng)查證該小區(qū)某年冬至為12月22日，N為356。

根據(jù)測(cè)壓點(diǎn)的位置X標(biāo)高及煤層瓦斯壓力進(jìn)行擬合，得到6#煤和13#煤瓦斯壓力與X標(biāo)高之間的關(guān)系見圖1，2。

圖1 -600～-550 m范圍內(nèi)6#煤傾向瓦斯分布規(guī)律圖

圖2 -600～-550 m范圍內(nèi)13#煤傾向瓦斯分布規(guī)律圖

根據(jù)測(cè)定的結(jié)果，可以得到6#煤在傾向上的瓦斯壓力變化規(guī)律，6#煤瓦斯壓力分布和標(biāo)高存在以下關(guān)系：

由擬合曲線及瓦斯賦存規(guī)律可得在標(biāo)高-600～-550 m范圍內(nèi)傾向上6#煤瓦斯壓力分布規(guī)律為：隨標(biāo)高降低，滿足每降低10 m，瓦斯壓力上升0．094 MPa，即增加速率為0．094 MPa/10 m。計(jì)算可得，6#煤標(biāo)高在-564 m處瓦斯壓力為0．74 MPa，即僅按照標(biāo)高劃分突出危險(xiǎn)時(shí)，6#煤層在-550～-564 m標(biāo)高為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，在-564～-600 m標(biāo)高為突出危險(xiǎn)區(qū)。

根據(jù)測(cè)定的結(jié)果，可以得到13#煤在傾向上的瓦斯壓力變化規(guī)律，13#煤瓦斯壓力分布和標(biāo)高存在以下關(guān)系：

由擬合曲線及瓦斯賦存規(guī)律可得在標(biāo)高-600～-550 m范圍內(nèi)傾向上13#煤瓦斯壓力分布規(guī)律為：隨標(biāo)高降低，滿足每降低10 m，瓦斯壓力上升0．021 MPa，即增加速率為0．021 MPa/10 m。計(jì)算可得，13#煤標(biāo)高在-550 m處瓦斯壓力已超過(guò)0．74 MPa，即僅按照標(biāo)高劃分突出危險(xiǎn)時(shí)，13#煤層在-550～-600 m標(biāo)高范圍內(nèi)均為突出危險(xiǎn)區(qū)。

2）6#煤、13#煤層走向上瓦斯壓力分布規(guī)律。

根據(jù)測(cè)壓點(diǎn)的位置X坐標(biāo)及煤層瓦斯壓力進(jìn)行擬合，得到6#煤、13#煤瓦斯壓力與X坐標(biāo)之間的關(guān)系見圖3，4。

圖3 -600～-550 m范圍內(nèi)6#煤走向瓦斯分布規(guī)律圖

圖4 -600～-550 m范圍內(nèi)13#煤走向瓦斯分布規(guī)律圖

根據(jù)圖3可得，6#煤走向上的瓦斯壓力變化規(guī)律為：瓦斯壓力分布和X坐標(biāo)差值存在以下關(guān)系：

根據(jù)圖4可以得到，13#煤走向上的瓦斯壓力變化規(guī)律為：瓦斯壓力分布和X坐標(biāo)存在以下關(guān)系：

13#煤在X坐標(biāo)39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)，走向上瓦斯壓力分布規(guī)律為：滿足X坐標(biāo)增大100 m，瓦斯壓力上升0．018 MPa，即上升速率為0．018 MPa/100 m。由圖4可得，13#煤層在走向上X坐標(biāo)在39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)瓦斯壓力均大于0．74 MPa，故如果僅按照走向劃分13#煤層在突出危險(xiǎn)時(shí)，X坐標(biāo)在39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)均為突出危險(xiǎn)區(qū)。

3 單項(xiàng)指標(biāo)分析法

在進(jìn)行煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)時(shí)若單獨(dú)采用瓦斯壓力法，可能會(huì)造成誤判，尤其是在煤層堅(jiān)固性系數(shù)較大、瓦斯放散初速度較小且地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)參考煤層突出危險(xiǎn)性鑒定單項(xiàng)指標(biāo)或其它經(jīng)驗(yàn)證有效的指標(biāo)。單項(xiàng)指標(biāo)分析法雖然是對(duì)突出煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性鑒定的方法及指標(biāo)，并不是對(duì)突出煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)的方法，但是相對(duì)于采用瓦斯壓力或瓦斯含量進(jìn)行突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)而言，其充分考慮了區(qū)域內(nèi)煤層受地應(yīng)力、構(gòu)造破壞等因素的影響，并且對(duì)其影響提出了具體的量化指標(biāo)，包括瓦斯指標(biāo)、煤層性質(zhì)指標(biāo)、地應(yīng)力指標(biāo)和綜合指標(biāo)。因此，預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠［6，7］。突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值見表2。

表2 突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值表

只有當(dāng)4個(gè)指標(biāo)全部達(dá)到或超過(guò)臨界值時(shí)，才能確定為突出煤層。但是突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)畢竟不是突出危險(xiǎn)性鑒定，因此，采用單項(xiàng)標(biāo)法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)時(shí)其臨界值的大小需要進(jìn)行考察確定。對(duì)于新集二礦6#、13#煤層而言，未對(duì)臨界值考察，因此，參考突出煤層鑒定的臨界值。

實(shí)測(cè)新集二礦6#煤層和13#煤層的4個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，其結(jié)果見表3。

表3 6#煤層、13#煤層的四個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果表

通過(guò)對(duì)比表2和表3可知，在所有測(cè)定的單項(xiàng)指標(biāo)中，煤的破壞類型均超過(guò)了臨界值；瓦斯放散初速度均未超過(guò)臨界值；除了西6煤新集運(yùn)巷SB3點(diǎn)2#孔處測(cè)點(diǎn)的f大于臨界值外，其余點(diǎn)的f值均小于臨界值；只有6#煤-587 m中部車場(chǎng)處和西6煤新集運(yùn)巷SB3點(diǎn)2#孔的相對(duì)瓦斯壓力小于臨界值，其余的煤層瓦斯壓力均大于臨界值。因此，從單項(xiàng)指標(biāo)并不能判定在-600～-550 m范圍內(nèi)6#、13#煤為突出危險(xiǎn)區(qū)域。但結(jié)合單項(xiàng)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域煤的破壞類型、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、相對(duì)瓦斯壓力均已超過(guò)臨界值，而這些區(qū)域與通過(guò)瓦斯壓力分布規(guī)律劃分出的突出危險(xiǎn)區(qū)域相吻合。

所以，各單項(xiàng)指標(biāo)為劃分突出危險(xiǎn)區(qū)域和無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域提供了可靠的參考依據(jù)，使得預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

結(jié)合走向和傾向瓦斯分布規(guī)律，對(duì)新集二礦標(biāo)高在-600～-550 m范圍內(nèi)6#煤、13#煤的突出危險(xiǎn)性做出如下劃分：

1）該礦6#煤層X(jué)坐標(biāo)在39 459 200～39 461 520 m范圍內(nèi)，標(biāo)高在-564～-550 m范圍內(nèi)為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)；X坐標(biāo)在39 461 520～39 464 600范圍內(nèi)，標(biāo)高在-600～-564 m區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)。

2）該礦13#煤層X(jué)坐標(biāo)在39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)，標(biāo)高在-600～-550 m區(qū)域均為突出危險(xiǎn)區(qū)。

3）采用單項(xiàng)指標(biāo)法對(duì)該礦6#、13#煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域劃分結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，單項(xiàng)指標(biāo)法與瓦斯壓力劃分的突出危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)果一致。

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Study on Danger Zone Compartment of Coal and Gas Outburst in Xinji No．2 Coal Mine

Dai Wei，Zhang Lei-lin，Shen Hong-min

Through measured the gas pressure of No．6 and No．13 coal seam in Xinji No．2 coal mine，the gas pressure distribution law of the coal seams was analyzed．And according to the gas pressure distribution law，the outburst dangerous zones were divided of No．6 and No．13 coal seam in level-600～-550 m．Combines with three indexes of the coal damage types，initial speed of methane diffusion and firmness coefficient of coal，the effect of the zone division about outburst dangerous was verified．The result shows that the single index method is consistent with the gas pressure distribution．

Gas pressure；Outburst dangerous zone；Zone compartment；Single index

TD713

B

1672-0652（2013）07-0042-05

2013-04-25

代 衛(wèi)（1988—），男，安徽淮北人，2010年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，工程師，主要從事礦井通風(fēng)防滅火和瓦斯防治的工作（E-mail）liusun2011＠163．com