黃戰(zhàn)峰　梁躍強(qiáng)　王晶

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 資源與安全工程學(xué)院　北京100083; 2.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院　河南平頂山 467036)

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平煤八礦煤與瓦斯突出特征及其與預(yù)測(cè)指標(biāo)關(guān)系的研究*

黃戰(zhàn)峰1, 2梁躍強(qiáng)1王晶1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 資源與安全工程學(xué)院北京100083; 2.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院河南平頂山 467036)

摘要針對(duì)平煤八礦煤與瓦斯突出特征，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及瓦斯地質(zhì)方法，研究煤與瓦斯突出規(guī)律及其與日常預(yù)測(cè)參數(shù)的關(guān)系。研究表明，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出有明顯的控制作用，日常預(yù)測(cè)參數(shù)q，S值超標(biāo)嚴(yán)重位置與煤與瓦斯突出點(diǎn)分布具有一致性。通過(guò)跟蹤觀測(cè)瓦斯地質(zhì)異常變化及日常校檢參數(shù)超標(biāo)情況，將二者有效結(jié)合起來(lái)預(yù)測(cè)采掘工作面前方煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，對(duì)提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，保證采掘工作面安全高效生產(chǎn)有著重要的意義。

關(guān)鍵詞煤與瓦斯突出特征地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)指標(biāo)校檢參數(shù)

0引言

煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，造成井下人員傷亡和設(shè)施破壞，威脅煤礦安全生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理和預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了大量研究[1]，提出了多種預(yù)測(cè)方法和指標(biāo)，包括地質(zhì)指標(biāo)和瓦斯指標(biāo)等，其中廣泛采用的預(yù)測(cè)指標(biāo)是瓦斯涌出初速度q值和鉆屑量S值，臨界值根據(jù)礦井具體條件研究確定。瓦斯地質(zhì)研究表明[2]，突出煤層的突出危險(xiǎn)性具有分區(qū)、分帶規(guī)律，地質(zhì)條件對(duì)煤與瓦斯突出起控制作用，不同地質(zhì)構(gòu)造、不同構(gòu)造部位突出危險(xiǎn)性不同[3-4]。隨著礦井開(kāi)采深度增加，地應(yīng)力增大，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，上山掘進(jìn)面片幫嚴(yán)重，對(duì)測(cè)試人員人身安全造成威脅。加上采掘工作面環(huán)境惡劣，測(cè)試人員無(wú)法規(guī)范地完成測(cè)試，造成預(yù)測(cè)(校檢)參數(shù)存在誤差，不能真實(shí)反映工作面前面突出危險(xiǎn)性。因此，采取措施保證參數(shù)測(cè)試規(guī)范、準(zhǔn)確，研究參數(shù)超標(biāo)與煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的關(guān)系，對(duì)提高煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)有著重要的意義。

1礦井概況

平煤八礦位于平頂山市東部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬(wàn)t/a，采用豎井二水平、巖石集中大巷、石門(mén)、采區(qū)上下山開(kāi)拓。主要開(kāi)采二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組四層煤，總厚度平均11.6 m。礦井1984年10月13日發(fā)生第一次煤與瓦斯突出，至今累計(jì)突出45次，距今最近一次發(fā)生在己15-14120機(jī)巷掘進(jìn)期間，突出煤396 t、瓦斯35 053 m3，造成1人遇難。隨著開(kāi)采強(qiáng)度和深度的增加，煤體破壞嚴(yán)重，地應(yīng)力增大，預(yù)測(cè)(校檢)參數(shù)超標(biāo)情況增多，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增大。

2煤與瓦斯突出特征及影響因素

2.1煤與瓦斯突出特征

對(duì)45次煤與瓦斯突出事故的記錄卡片進(jìn)行深入分析，總結(jié)煤與瓦斯突出特征如下：

(1)突出點(diǎn)分布受地質(zhì)構(gòu)造帶控制、小斷層影響明顯。地質(zhì)構(gòu)造帶附近發(fā)生突出18次，突出點(diǎn)多分布在斷層兩盤(pán)附近的構(gòu)造應(yīng)力集中帶內(nèi)。煤層變厚、變軟、層理紊亂及合層處易發(fā)生突出，軟分層厚度增加，突出危險(xiǎn)性增大。

(2)突出以壓出為主，地應(yīng)力起主要作用。對(duì)礦井突出卡片記錄信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)生壓出36次，占80%，說(shuō)明地應(yīng)力尤其是水平構(gòu)造應(yīng)力在突出過(guò)程中起主要作用，是發(fā)生突出的動(dòng)力因素；發(fā)生突出7次，占16%，說(shuō)明瓦斯在突出過(guò)程中也起到重要作用。

(3)突出與作業(yè)方式有關(guān)。放炮引起突出31次，割煤引起突出9次，打鉆引起突出3次，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)引起突出1次，手鎬落煤引起突出1次。對(duì)煤擾動(dòng)大的作業(yè)方式易誘發(fā)煤與瓦斯突出。

(4)1989—1993年間突出比較集中，總結(jié)原因有兩點(diǎn)：一是當(dāng)時(shí)科研投入不夠，防突技術(shù)受限，防突措施的效果不理想，不能有效降低煤層瓦斯含量、壓力，構(gòu)造附近應(yīng)力釋放不充分，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段，突出發(fā)生頻繁；二是突出主要發(fā)生在四月、十月和十二月，其次是三月和八月，原因跟大氣壓有關(guān)，在三月、四月和十月份，氣溫相對(duì)低，井下巷道空氣壓力大，煤體內(nèi)外氣壓差小，瓦斯涌出困難，造成煤體內(nèi)瓦斯壓力大、含量高，突出危險(xiǎn)性大。

2.2煤與瓦斯突出影響因素

煤與瓦斯突出受工程因素和地質(zhì)因素控制，工程因素起誘導(dǎo)作用，地質(zhì)因素是必要條件，對(duì)煤與瓦斯突出的分布起控制作用。地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯賦存及構(gòu)造煤是影響煤與瓦斯突出發(fā)生及分布的主要地質(zhì)因素。

八礦處于李口向斜軸南東轉(zhuǎn)折仰起端，是NW向和NE向構(gòu)造交匯部位，地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力集中，形成煤與瓦斯突出的有利條件。己組煤層突出點(diǎn)集中在辛店正斷層尖滅端附近50～100 m范圍內(nèi)，區(qū)域內(nèi)13170機(jī)巷掘進(jìn)不到200 m就連續(xù)發(fā)生過(guò)8次突出。戊組煤突出點(diǎn)集中在焦贊向斜軸部，在已發(fā)生的26次突出中，該區(qū)域發(fā)生16次，占61.5%。

煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞形成構(gòu)造煤，抵御外力的能力降低，是煤與瓦斯突出的有利條件。戊組構(gòu)造煤在全礦井發(fā)育，剖面上有明顯的兩硬一軟“三層結(jié)構(gòu)”，構(gòu)造煤厚度在1.0 m以上，局部區(qū)域增大，在礦井次級(jí)褶皺轉(zhuǎn)折端和斜切斷層影響帶，厚度達(dá)到2.0 m以上，甚至全層發(fā)育。煤層中可見(jiàn)順層滑動(dòng)鏡面，使構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤的分界清晰，在滑動(dòng)面下常發(fā)育碎粒煤和糜棱煤，對(duì)煤與瓦斯突出有利。3煤與瓦斯突出與預(yù)測(cè)指標(biāo)及校檢參數(shù)的關(guān)系

3.1工作面煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)選擇

工作面煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)有很多，因測(cè)量工序復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)以及結(jié)果不直觀，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不多，而瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S值因反映了決定煤層突出危險(xiǎn)性的多種因素，是評(píng)價(jià)突出危險(xiǎn)性的綜合指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方便，對(duì)生產(chǎn)影響小，結(jié)果直觀可靠，被廣泛應(yīng)用。

鉆孔瓦斯涌出初速度(q值)全面反映了工作面前方煤體原始瓦斯壓力、含量、應(yīng)力狀態(tài)、透氣性及力學(xué)性質(zhì)等因素，幾乎反映了決定煤層突出危險(xiǎn)性的全部因素，所以該指標(biāo)能很好地反映出煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性[5]。1969—1980年間，蘇聯(lián)在頓巴斯127個(gè)礦井進(jìn)行了預(yù)測(cè)實(shí)踐，準(zhǔn)確率高達(dá)98%[6]，說(shuō)明鉆孔瓦斯涌出初速度法是一種預(yù)測(cè)可靠的方法。

鉆屑量(S值)是一個(gè)綜合性指標(biāo)[7-8]，綜合反映了煤體在地應(yīng)力、瓦斯壓力作用下的破碎程度。打鉆時(shí)煤體位移、摩擦、擠出、破碎等方式釋放的潛能以鉆屑增量形式表現(xiàn)出來(lái)[9]。在相同的打鉆工藝條件下，煤層應(yīng)力越大，瓦斯壓力越大，煤的強(qiáng)度越小，所產(chǎn)生的鉆屑量就越多，從而反映出突出危險(xiǎn)性也越大。煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)鉆屑量指標(biāo)臨界值表達(dá)式為[10]

根據(jù)平煤八礦開(kāi)采技術(shù)和瓦斯地質(zhì)條件，確定臨界值q=4 L/m，S=5 kg/m(低于按公式計(jì)算的6 kg/m)。對(duì)采掘工作面進(jìn)行突出預(yù)測(cè)指標(biāo)跟蹤考察及整理分析歷史資料, 收集數(shù)據(jù)673組(表1)，結(jié)合突出卡片記錄，發(fā)現(xiàn)在突出發(fā)生前均出現(xiàn)多次q，S值超標(biāo)，而且突出點(diǎn)附近有煤厚急劇變化等地質(zhì)現(xiàn)象。經(jīng)研究，q，S值對(duì)突出預(yù)測(cè)比較敏感，且q值敏感性略強(qiáng)，故采用二者為防突預(yù)測(cè)及效檢指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表1　采掘工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2煤與瓦斯突出與預(yù)測(cè)(校檢)參數(shù)的關(guān)系

礦井最近一次突出發(fā)生在己15-14120機(jī)巷距開(kāi)口618 m處，突出點(diǎn)之前一段范圍內(nèi)(600 m段)效檢參數(shù)超標(biāo)嚴(yán)重，q值達(dá)15.2 L/min，S值達(dá)9.0 kg/m，且有兩處出現(xiàn)二指標(biāo)同時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象(q=6.7 L/min，S=9.0 kg/m和q=8.3 L/min，S=7.8 kg/m)，巷道掘進(jìn)期間預(yù)測(cè)(校檢)參數(shù)超標(biāo)點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1。對(duì)突出點(diǎn)附近地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況分析得知，該處位于背斜構(gòu)造軸部，煤層傾角發(fā)生由緩變陡再變緩，交替變化明顯，煤層厚度變薄，附近頂板內(nèi)發(fā)育5條小斷層群，和預(yù)測(cè)(校檢)超標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)位置具有一致性。對(duì)礦井煤與瓦斯突出情況分析，研究煤與瓦斯突出特征及其與預(yù)測(cè)參數(shù)和地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系，為鄰近采區(qū)及工作面采掘期間突出預(yù)測(cè)提供科學(xué)指導(dǎo)，對(duì)突出預(yù)測(cè)效果工業(yè)性驗(yàn)證提供條件。

圖1　平煤八礦己15-14120機(jī)巷效檢參數(shù)超標(biāo)情況

選擇最近一次突出點(diǎn)鄰近的己15-14140采面機(jī)巷為研究對(duì)象，掘進(jìn)期間測(cè)得最大瓦斯質(zhì)量濃度16 m3/t，瓦斯壓力 1.6 MPa。ΔP值10.7～21.4，f值0.21～0.52，大多小于0.5，執(zhí)行防突措施時(shí)多次出現(xiàn)噴孔、夾鉆、頂鉆和響煤炮等現(xiàn)象。巷道掘進(jìn)期間揭露5條正斷層，最大斷距2.0 m，斷層附近頂板破碎，煤體破壞嚴(yán)重，預(yù)測(cè)(校檢)參數(shù)超標(biāo)點(diǎn)多。對(duì)機(jī)巷揭露小斷層和小節(jié)理發(fā)育情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并作玫瑰花圖進(jìn)行受力方向定性分析(圖2，圖3)，判斷該工作面受力方式以NE-SW向?yàn)橹?，其次是NW-SE向，與礦井所處地質(zhì)構(gòu)造背景相一致。

圖2　平煤八礦己15-14140機(jī)巷斷層走向玫瑰花圖

圖3　平煤八礦己15-14140機(jī)巷節(jié)理走向玫瑰花圖

對(duì)巷道掘進(jìn)期間預(yù)測(cè)(效檢)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖4)，在超標(biāo)點(diǎn)附近取樣測(cè)試參數(shù)和觀測(cè)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，查詢(xún)當(dāng)班打鉆日?qǐng)?bào)記錄。研究發(fā)現(xiàn)，超標(biāo)點(diǎn)存在不同程度噴孔、頂鉆及夾鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，在800 m前后段連續(xù)發(fā)育4條斷層，測(cè)試f值普遍小于0.3，ΔP大于17，說(shuō)明超標(biāo)點(diǎn)位置具有突出危險(xiǎn)性。將地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)和日常預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)有效結(jié)合起來(lái)，對(duì)預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性是可行的，同時(shí)也可以彌補(bǔ)因人為操作不規(guī)范引起測(cè)試參數(shù)出現(xiàn)誤差，不能真實(shí)反映預(yù)測(cè)范圍內(nèi)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的情況，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，對(duì)防止出現(xiàn)低指標(biāo)煤與瓦斯突出的現(xiàn)象有指導(dǎo)意義。

圖4　平煤八礦己15-14140機(jī)巷效檢參數(shù)超標(biāo)情況

4結(jié)論

(1)平煤八礦突出點(diǎn)分布受地質(zhì)構(gòu)造控制，小斷層影響明顯，以壓出為主，與作業(yè)方式有關(guān)；工程因素主要起誘導(dǎo)作用，地質(zhì)因素是煤與瓦斯突出的必要條件。

(2)日常預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)q值和S值能反映決定煤層突出危險(xiǎn)性的全部因素。研究發(fā)現(xiàn)，q值和S值超標(biāo)點(diǎn)分布與煤與瓦斯突出發(fā)生地點(diǎn)具有一致性，說(shuō)明采用預(yù)測(cè)(效檢)參數(shù)q值和S值對(duì)煤與瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測(cè)是有效可行的。

(3)將地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)和日常預(yù)測(cè)(效檢)指標(biāo)有效結(jié)合起來(lái)，規(guī)范參數(shù)測(cè)試流程，可減小人為原因造成參數(shù)測(cè)試誤差，防止出現(xiàn)低指標(biāo)煤與瓦斯突出情況，提高煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

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Study of the Relationship Between Coal and Gas Outbursts Characteristics and Prediction Index in Pingdingshan Coal Mine No.8

HUANG Zhanfeng1,2LIANG Yueqiang1WANG Jing1

(1.FacultyofResource&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&TechnologyBeijing100083)

AbstractAimed at the features of coal and gas outburst in Coal Mine No.8, the relationship between coal and gas outburst rules and daily forecast parameters is researched by utilizing the methods of in-situ observation, mathematical statistics and gas geology. The results show that geological structure is the major factor to control coal and gas outburst, seriously excessive position of daily prediction parameter q and S value has much consistency with coal and gas outburst points. Coal and gas outburst danger ahead the mining working face is predicted by tracking the observation of abnormal changes of gas geological and daily forecast parameters exceeding situation and combining them effectively, which is significant to improve the prediction accuracy and ensure the safety and high-efficiency production of heading face.

Key Wordscoal and gas outburstfeaturesgeological structureprediction indexinspection results parameter

*基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目 (20110023110016)。

作者簡(jiǎn)介黃戰(zhàn)峰，男，1982年生，講師，博士研究生，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害防治方面的教學(xué)和科研工作。

(收稿日期：2015-04-08)