周少璽，李 普

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;2.鄭州煤炭工業(yè) (集團(tuán))楊河煤業(yè)有限公司，河南新密452382;3.鄭州煤炭工業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司通風(fēng)管理部，河南鄭州450042)

平煤四礦位于平頂山礦區(qū)中部，東與一礦、二礦，西與五礦、六礦相鄰，南與三礦相接。2006年礦井核定生產(chǎn)能力2.8Mt/a，主采四組九層煤層，其中丁5－6煤段開(kāi)采標(biāo)高與埋深分別為105～－510m和283～860m，己16－17煤段分別為 －50～ －800m和205～1100m。礦井現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)與延伸開(kāi)拓區(qū)由于位于井田中深部，致使礦山壓力與瓦斯含量增大。高地應(yīng)力、高瓦斯含量和壓力、煤層低滲透性等復(fù)雜條件交織，動(dòng)力災(zāi)害愈加嚴(yán)重。

煤與瓦斯突出危害性極大，嚴(yán)重威脅礦工的生命，影響礦井的生產(chǎn)［1］。平煤四礦自1991年首次發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害至今，已經(jīng)發(fā)生具有煤與瓦斯突出典型特征的動(dòng)力現(xiàn)象共21次，其中丁組煤層17次，己組煤層4次 (表1)。突出煤量1～72t，突出瓦斯量140～3206m3。

2000年與2011年，煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷悍謩e鑒定丁、己煤層為突出煤層。通過(guò)對(duì)這些動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行分析，探尋這些動(dòng)力現(xiàn)象的特征和規(guī)律，可以為平煤四礦煤巖瓦斯突出災(zāi)害的防治工作提供有力的科學(xué)依據(jù)。

表1 四礦歷次煤與瓦斯突出災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

1 空間分布特征

(1)存在始突深度 通過(guò)對(duì)歷次突出災(zāi)害時(shí)間標(biāo)高分析 (圖1)，四礦存在煤與瓦斯突出的初始臨界深度，標(biāo)高－390m是各煤層組的始突深度。從突出等深度圖 (圖2)可以看出，絕大部分突出分布在埋深620～800m之間，最淺的一次發(fā)生在622.5m處，發(fā)生在己16－17煤層中最深的突出災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)埋深944.6m。這表明埋深超過(guò)620m，達(dá)到突出發(fā)生的應(yīng)力條件，而埋深大于800m的突出次數(shù)變少主要是因?yàn)榈V井加強(qiáng)了對(duì)瓦斯的治理。

圖1 四礦煤與瓦斯突出事件標(biāo)高分布

圖2 發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害點(diǎn)等深度分布

(2)分帶特征明顯 四礦丁5－6煤層的煤與瓦斯突出具有顯著的分帶特征。煤與瓦斯突出集中發(fā)生在一個(gè)長(zhǎng)1600m，寬700m的區(qū)域范圍內(nèi)，沿北西-南東方向展布的狹長(zhǎng)條帶內(nèi)。該條帶與四礦煤層走向基本一致，可見(jiàn)條帶分布方向受埋藏深度控制。該條帶應(yīng)確定為四礦區(qū)域煤與瓦斯突出高危帶，其南側(cè)邊界基本可以確定，北側(cè)邊界和東西2個(gè)延伸方向隨著開(kāi)采深度增加可能還將擴(kuò)展。

四礦突出絕大部分分布在井田西翼，這與“井田內(nèi)東部瓦斯小，西部瓦斯大”的地質(zhì)勘探結(jié)果相吻合［2］。

(3)地表起伏大 從突出點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造分析，四礦井田內(nèi)沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造，唯一顯著的特征是地表起伏較大，最高處達(dá)到506m，最低處僅200m左右，地表高程陡增，煤層的埋藏深度梯度變大，應(yīng)力 (地應(yīng)力與瓦斯壓力)強(qiáng)度等值線(xiàn)在此將會(huì)密集，梯度陡增。另外，小斷層發(fā)育較多，相當(dāng)部分 (共有13次，占總突出次數(shù)的62%)的突出發(fā)生在小斷層附近，表明斷層附近應(yīng)力梯度高，煤質(zhì)松軟、構(gòu)造煤發(fā)育使這些區(qū)域非常利于突出發(fā)生。

在四礦的瓦斯地質(zhì)條件下，盡管地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，但地應(yīng)力強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到一定程度，便不具備發(fā)生突出的作用力和內(nèi)能，而達(dá)到一定埋藏深度后，應(yīng)力強(qiáng)度增高使得煤與瓦斯具備了發(fā)生突出的內(nèi)能，即使地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，突出也會(huì)發(fā)生。同一煤層組存在一個(gè)始突深度，在此深度之上一般不會(huì)發(fā)生突出，但接近這一深度如遇有導(dǎo)致地應(yīng)力增高的特殊地質(zhì)構(gòu)造 (例如逆斷層)，便補(bǔ)充了由于深度不夠而應(yīng)力強(qiáng)度和煤與瓦斯發(fā)生突出內(nèi)能的不足，使得在淺于具有普遍意義的始突深度條件下也有偶發(fā)情況。因此，相同煤層組，應(yīng)力強(qiáng)度是發(fā)生突出的最重要因素，應(yīng)力梯度增大的部位易于發(fā)生煤與瓦斯突出［3－5］。

2 強(qiáng)度分布特征

(1)動(dòng)力災(zāi)害類(lèi)型 煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象按成因分為突出、壓出和傾出。丁組煤層的突出全部發(fā)生在丁5－6煤層的丁5－6－19160采面及以下，突出時(shí)煤體整體位移或煤體有一定距離的拋出，有時(shí)無(wú)孔洞，有時(shí)有呈口大腔小的楔形孔洞;壓出的煤呈塊狀，無(wú)分選現(xiàn)象;壓出后，在煤層與頂板之間的裂隙中常留有細(xì)煤粉，整體位移的煤體上有大量裂隙;壓出后巷道瓦斯涌出量增大，符合壓出的基本特征。己16－17煤層突出4次，其中在1991年發(fā)生的是規(guī)模很小的2次壓出，2次突出，其中瓦斯涌出量最大的1次發(fā)生在地面標(biāo)高陡升的擂鼓臺(tái)山峰下面，埋深達(dá)到了935m。

(2)突出煤體總量 突出煤體總量一般反映參與突出作用力 (地應(yīng)力與瓦斯壓力)的強(qiáng)度。己16－17煤層出現(xiàn)過(guò)2次規(guī)模很小的壓出，突出煤體的總量分別為1t和8t。丁組突出煤體的總量均小于50t/次，平均21.3t/次;己組突出2次，分別為40t/次和72t/次，平均56t/次，強(qiáng)度均不高。但己組煤突出強(qiáng)度明顯高于丁組 (見(jiàn)圖3)，這與己組煤層埋深更大、瓦斯含量更高相符合。

圖3 煤與瓦斯突出事件突出煤量等值線(xiàn)

(3)突出瓦斯總量 突出瓦斯總量反映瓦斯參與突出的作用。由于突出災(zāi)害前未采取防突措施，己16－17煤層出現(xiàn)2次突出卻沒(méi)有瓦斯涌出量數(shù)據(jù)記錄。丁5－6煤層突出瓦斯的總量煤較低，大部分在1000m3/次以下，平均487m3/次，己16－17煤層突出瓦斯量較高，2次突出均大于1000m3/次，平均2628m3/次 (見(jiàn)圖4)。這與前述己組煤層瓦斯含量高的客觀規(guī)律相吻合，還表現(xiàn)出采深增加，瓦斯在突出中的絕對(duì)作用力漸次增強(qiáng)的規(guī)律［6－7］。

(4)拋出煤體的噸煤瓦斯涌出量 突出事件的噸煤瓦斯涌出量是判斷是否突出的一個(gè)指標(biāo)，也是反映瓦斯在突出作用中的相對(duì)貢獻(xiàn)程度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》(AQ1024－2006)指出，當(dāng)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的煤與瓦斯突出基本特征不明顯，尚不能確定為排除煤與瓦斯突出現(xiàn)象時(shí)，其中的一個(gè)判斷指標(biāo)是用拋出煤的噸煤瓦斯涌出量是否大于或等于30m3/t判斷［8］。

四礦丁5－6煤層突出的噸煤瓦斯涌出量普遍不高 (見(jiàn)圖 5)，平均 28.8m3/t，最大的一次為61.6m3/t，相對(duì)平煤集團(tuán)其他礦井，瓦斯壓力和瓦斯含量均相對(duì)較低，瓦斯參與突出的作用不甚顯著。己16－17煤層發(fā)生在23080機(jī)巷的突出，埋深達(dá)到了935m，噸煤瓦斯涌出量達(dá)到了80.15m3/t，瓦斯參與突出的作用顯著，發(fā)生在23020切眼的突出噸煤瓦斯涌出量為28.47 m3/t，但涌出煤量為歷次最多 (72t)，此區(qū)域地表起伏較大，煤層應(yīng)力梯度大，應(yīng)力參與突出的作用更為顯著。

圖5 煤與瓦斯突出事件噸煤瓦斯涌出量等值線(xiàn)

3 時(shí)間分布特征

根據(jù)煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的深度和強(qiáng)度特征，大體可分為3個(gè)順序排列的時(shí)序階段 (圖6)。

圖6 煤與瓦斯突出災(zāi)害時(shí)序分布

第Ⅰ階段 全部發(fā)生在己組煤層掘進(jìn)巷道;埋藏深度680m，原巖地應(yīng)力的環(huán)境強(qiáng)度不高，一般需要借助特殊的地質(zhì)構(gòu)造和采動(dòng)應(yīng)力才能具備發(fā)動(dòng)突出的內(nèi)能和初始推動(dòng)力;全部為壓出，表現(xiàn)為低煤、低瓦斯和低噸煤瓦斯的“三低”特征，反映出參與突出的總體作用力強(qiáng)度不高，瓦斯在一定程度上參與了突出過(guò)程但其相對(duì)貢獻(xiàn)較低;發(fā)生的概率較低，具有偶發(fā)性特征。

第Ⅱ階段 主要發(fā)生在丁5－6－19160工作面以下的井田西翼，埋藏深度670～850m，原巖應(yīng)力和瓦斯的作用開(kāi)始增強(qiáng)，勿需借助特殊的地質(zhì)構(gòu)造即已具備發(fā)動(dòng)突出的內(nèi)能，采動(dòng)應(yīng)力可以成為突出的觸發(fā)動(dòng)力;部分突出已表現(xiàn)為低煤、高瓦斯和高噸煤瓦斯的“一低兩高”特征，瓦斯的作用顯著加強(qiáng)，瓦斯內(nèi)能是推動(dòng)持續(xù)壓出的主要?jiǎng)恿Γl(fā)生的概率較高，具有多發(fā)性特征。

第Ⅲ階段 雖然開(kāi)采強(qiáng)度增大，開(kāi)采深度持續(xù)增加，但2003年至今，四礦已連續(xù)數(shù)年沒(méi)有發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出現(xiàn)象。其原因主要是:客觀方面，井田丁5－6煤層西翼的儲(chǔ)量大部分回采結(jié)束，東翼煤層瓦斯含量和壓力明顯較低，發(fā)生突出的瓦斯應(yīng)力條件沒(méi)有達(dá)到。主觀方面:四礦經(jīng)過(guò)前一階段的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，掌握了礦井動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律，制定了較完善的預(yù)測(cè)和防治措施。尤其是成立了防突科和防突隊(duì)后，采用抽放瓦斯和開(kāi)采保護(hù)層區(qū)域防突措施，很好地控制了突出事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)四礦煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的深度和強(qiáng)度特征，可分為3個(gè)順序排列的時(shí)序階段。

(2)存在發(fā)生煤與瓦斯突出的初始臨界深度，標(biāo)高－390m是四礦各煤層組的始突深度。埋深超過(guò)620m，達(dá)到了突出發(fā)生的應(yīng)力條件。

(3)四礦煤與瓦斯突出具有顯著的分帶特征。煤與瓦斯突出集中發(fā)生在長(zhǎng)1600m，寬700m，沿北西－南東方向展布的狹長(zhǎng)條帶內(nèi)。該條帶與本礦煤層走向基本一致，分布方向受埋藏深度控制。

(4)己組煤層雖然發(fā)生的突出事件很少，但突出強(qiáng)度、突出瓦斯量和噸煤瓦斯涌出量都明顯超過(guò)丁組煤層。己16－17煤層是四礦的主采煤層，堅(jiān)持開(kāi)采淺部己15煤層做為己16－17的保護(hù)層，進(jìn)行深部開(kāi)采后 (1000m以深)，己15煤層本身也具有潛在突出危險(xiǎn)，在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)應(yīng)先對(duì)己15煤層消除突出危險(xiǎn)。

［1］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.

［2］中平能化集團(tuán).一、四、六礦深部擴(kuò)勘地質(zhì)報(bào)告［R］.2011.

［3］張友誼，黃戰(zhàn)峰，余貴軍，等.地質(zhì)條件影響下的煤與瓦斯突出特征及防治對(duì)策［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(12):39－42，45.

［4］邱賢德，莊乾城，等.采場(chǎng)應(yīng)力和煤結(jié)構(gòu)與煤和瓦斯突出關(guān)系的淺析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1994，23(8):2－6，64.

［5］張鐵崗.平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出與預(yù)測(cè) ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(2):172 －177.

［6］李如波.平頂山礦區(qū)深部己組煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究［J］.中國(guó)煤炭，2010，36(1):81－83，127.

［7］李中鋒.平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出特征及對(duì)策［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1999，27(5):18－20.

［8］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2006.