查文鋒

(陽煤集團(tuán) 地質(zhì)測量部,山西 陽泉 045000)

新景礦井田面積為64.747 7 km2,開采深度由+850 m～+230 m標(biāo)高,批準(zhǔn)生產(chǎn)規(guī)模580萬t/a,現(xiàn)階段設(shè)計(jì)主采煤層有3號、8號、15號煤層,井田為瓦斯突出礦井。

隨著煤礦采區(qū)不斷開拓,煤與瓦斯突出的致災(zāi)性,已嚴(yán)重影響了煤礦安全、高效生產(chǎn)。之前的研究表明影響煤與瓦斯突出的因素主要為地應(yīng)力、瓦斯含量,高地應(yīng)力環(huán)境使瓦斯壓力和瓦斯含量增加,從而增加了突出的動(dòng)力,總體上高地應(yīng)力環(huán)境下含瓦斯煤體更容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，發(fā)生煤與瓦斯突出。含煤地層在高構(gòu)造應(yīng)力作用下形成高的瓦斯壓力,在強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下形成的構(gòu)造煤具有強(qiáng)度低、瓦斯吸附和放散能力強(qiáng)等特點(diǎn),地應(yīng)力對煤體結(jié)構(gòu)和瓦斯壓力均起到控制作用,可以認(rèn)為地應(yīng)力在突出災(zāi)害中起主導(dǎo)控制作用,是煤體破壞的主要?jiǎng)恿ΑＲ虼?在研究區(qū)開展地應(yīng)力、瓦斯賦存影響因素研究,最終完成煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測,對礦井預(yù)防瓦斯事故意義重大,同時(shí)對礦井安全高效生產(chǎn)有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 研究區(qū)概況

1.1 瓦斯地質(zhì)概況

新景礦井田3#煤層為瓦斯突出煤層,礦井瓦斯來自本煤層和開采層的鄰近層(煤層和含有機(jī)質(zhì)的圍巖)。據(jù)有關(guān)單位統(tǒng)計(jì)測定,鄰近層涌入開采層的瓦斯占礦井瓦斯涌出總量的50%～70%,而對于開采強(qiáng)度較大的綜采工作面此現(xiàn)象更為明顯。

根據(jù)新景礦提供的最新資料(截至2017年3月底),研究區(qū)3#煤層瓦斯含量為10 m3/t～30 m3/t,分布特征大致表現(xiàn)為研究區(qū)中部偏東側(cè)-東北角含量高、東南角略高,中部偏西-西北、南部地段較低,其高值區(qū)大致呈NE-SW條帶狀分布;瓦斯壓力為0.4 MPa～2.4 MPa,瓦斯絕對涌出量為6 m3/min～26 m3/min,瓦斯壓力和瓦斯絕對涌出量的分布特征與瓦斯含量類似。

1.2 實(shí)測地應(yīng)力特征

陽煤集團(tuán)與有關(guān)單位合作,運(yùn)用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量儀對主要生產(chǎn)礦井國陽一礦、國陽二礦、陽煤五礦和新景礦進(jìn)行了地應(yīng)力的測試工作,獲得了研究區(qū)及其鄰近礦區(qū)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)(如表1所示)。其中在新景煤礦測試采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測量,采用鉆孔觸探法進(jìn)行頂板以上10 m范圍內(nèi)和對應(yīng)的煤幫10 m范圍內(nèi)的煤巖體強(qiáng)度測試,采用孔壁觀察法對頂板巖層分布情況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。

表1 陽泉礦區(qū)地應(yīng)力測試成果Table 1 Ground stress test results in Yangquan mining area

表1中第11測點(diǎn)、第12測點(diǎn)位置大致在新景礦東區(qū),第13測點(diǎn)位于8#煤北三補(bǔ)軌200 m處,測點(diǎn)所在處巷道沿8#煤層頂板掘進(jìn),測點(diǎn)埋深約468 m。第14測點(diǎn)位于8#煤北三正巷100 m處,沿8#煤層頂板掘進(jìn),測點(diǎn)埋深約465 m。

根據(jù)研究區(qū)及其鄰近礦井的地應(yīng)力測試成果(剔除了個(gè)別異常數(shù)據(jù)),可以看出垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力的大小一般隨深度遞增,具有較好的線性關(guān)系，見圖1。

圖1 研究區(qū)地應(yīng)力與深度的相關(guān)性Fig.1 Relationship between ground stress and buried depth in the mining area

2 主采煤層地應(yīng)力場特征

根據(jù)研究區(qū)地層、構(gòu)造特征,建立二維剖面地質(zhì)模型,依據(jù)有限元原理,結(jié)合數(shù)值模擬軟件進(jìn)行地應(yīng)力模擬計(jì)算。以主采煤層3#煤作為目標(biāo)層位,取煤層底板的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),繪制表征研究區(qū)地應(yīng)力場特征的有關(guān)圖件。

2.1 地應(yīng)力模擬成果檢驗(yàn)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力實(shí)測成果,對最大水平主應(yīng)力進(jìn)行檢驗(yàn)。13測點(diǎn):測深454 m,最大水平主應(yīng)力15.23 MPa;14測點(diǎn):測深447 m,最大水平主應(yīng)力12.77 MPa;平均測深:450.5 m,最大水平主應(yīng)力平均值14.0 MPa。

根據(jù)3號煤層底板等高線圖,13、14測點(diǎn)處地面標(biāo)高約983.45 m(鉆孔3-73孔口標(biāo)高),底板標(biāo)高530 m,底板埋深453.45 m。測點(diǎn)的平均測深與3#煤層底板埋深近似一致?？紤]到地應(yīng)力實(shí)測值自身的偏差,以及數(shù)值模擬中巖石組合、約束條件等簡化造成的偏差,該結(jié)果應(yīng)屬于正常偏差范圍,因此認(rèn)為模擬結(jié)果可以接受。

2.2 地應(yīng)力分布的主控因素

研究區(qū)地應(yīng)力分區(qū)性較明顯,現(xiàn)以3#煤層底板為例,分析影響地應(yīng)力分布的主控因素。

首先,地應(yīng)力場是一個(gè)空間場,除了區(qū)域地應(yīng)力背景之外,影響地應(yīng)力分布的主要因素包括埋深、巖石組合的力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等,而巖石組合只是在垂向上發(fā)生變化,對于煤層底板而言,其巖石力學(xué)性質(zhì)基本不變,因此可以排除巖石組合的因素。

其次,研究區(qū)的地應(yīng)力場分布特征具有較明顯的方向性,應(yīng)力的高值區(qū)總體上均為NE-SW走向條帶狀分布,與區(qū)內(nèi)主體褶皺軸的走向基本一致,比如:高值區(qū)A、B處于三條NE-SW向褶皺軸之間,兩向斜夾一背斜,中間的背斜軸即為應(yīng)力集中區(qū)見圖2所示。

圖2 3#煤層底板地應(yīng)力場與構(gòu)造的關(guān)系Fig.2 Relationship between ground stress field and structure of the floor in No.3 coal seam

第三,研究區(qū)疊加褶皺及其發(fā)育,除NE-SW向褶皺外,還有一組近EW向的褶皺發(fā)育(個(gè)別為NEE-SWW向),兩組褶皺疊加,走向大角度斜交。褶皺的疊加作用顯然導(dǎo)致了應(yīng)力的降低,比如:低值區(qū)D發(fā)育多條近EW向褶皺,而該區(qū)是整個(gè)研究區(qū)內(nèi)最大的地應(yīng)力低值區(qū),EW向褶皺最密集的東南角亦是地應(yīng)力最小值所在地段,見圖2所示。

第四,埋深是影響地應(yīng)力的重要因素,從前文的地應(yīng)力實(shí)測成果分析中,即可看出無論是垂向應(yīng)力,還是水平主應(yīng)力,均隨著埋深的增大而增加。研究區(qū)內(nèi)西北地段的煤層底板等高線顯示,該地段煤層底板埋深最淺,因此,盡管該地段也是NE-SW向褶皺發(fā)育區(qū),且無疊加褶皺發(fā)育,但低值區(qū)C分布在該地段顯然是受埋深太淺的影響。

綜上所述,研究區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力分布特征主要受埋深與構(gòu)造的控制。

3 研究區(qū)瓦斯賦存的主要影響因素

3.1 埋深

瓦斯含量與煤層埋深的相關(guān)性是比較顯著的,因?yàn)殡S著煤層埋深的增加,溫度、壓力隨之增大,有利于瓦斯的吸附,因此瓦斯含量與煤層埋深一般呈正相關(guān)關(guān)系。

新景礦在生產(chǎn)過程中統(tǒng)計(jì)了工作面的瓦斯涌出量,在剔除褶皺軸部、斷層、沖刷面等異常影響因素后,編制了3#煤層瓦斯相對涌出量與底板標(biāo)高的相關(guān)性散點(diǎn)圖，見圖3。由圖3可以看出,3#煤層的瓦斯涌出量隨著底板標(biāo)高的增加呈遞減的趨勢。

圖3 3#煤層瓦斯相對涌出量與埋深關(guān)系Fig.3 Relationship between relative gas outburst quantity and buried depth in No.3 coal seam

3.2 構(gòu)造及陷落柱

構(gòu)造改造作用破壞了煤層的原始產(chǎn)狀,一般不利于瓦斯的保存,尤其是斷層構(gòu)造。新景礦已采區(qū)查明的斷層絕大多數(shù)為落差5 m以下的小斷層,盡管研究區(qū)尚未開采,亦可推測斷層發(fā)育特征相似,因此,斷層構(gòu)造對研究區(qū)瓦斯賦存的影響相對較小。

研究區(qū)的褶皺構(gòu)造發(fā)育程度較為顯著,且具疊加作用,對煤層底板形態(tài)影響較大,但研究區(qū)瓦斯的賦存特征與褶皺發(fā)育條件匹配性不明顯,因此,褶皺構(gòu)造形態(tài)并未直接控制研究區(qū)瓦斯的分布格局。

現(xiàn)有的勘探成果顯示,研究區(qū)的低瓦斯區(qū)陷落柱較為發(fā)育,故認(rèn)為研究區(qū)陷落柱的發(fā)育造成了瓦斯的逸散,不利于瓦斯賦存。

3.3 圍巖封閉性

通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)鉆孔資料,繪制了研究區(qū)3#煤層頂板泥巖厚度等值線圖,并疊加了瓦斯含量分區(qū)圖，見圖4。

圖4 3#煤層頂板泥巖厚度等值線與瓦斯含量分區(qū)圖Fig.4 Mud rock thickness contour and gas content zones of the roof in No.3 coal seam

對比瓦斯含量分區(qū)情況與煤層頂板泥巖厚度,可以看出一定厚度的頂板泥巖對瓦斯賦存具有一定的封閉作用,研究區(qū)的中-高瓦斯區(qū),煤層頂板泥巖厚度一般均大于1 m,普遍都在3 m以上,而低瓦斯區(qū)頂板泥巖厚度則相對較薄,說明研究區(qū)煤層頂板泥巖的封閉性是影響瓦斯賦存的主要因素之一。

4 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測

通過研究地應(yīng)力分布特征及瓦斯賦存主要影響因素,綜合評價(jià)和預(yù)測研究區(qū)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

在地應(yīng)力場的等效應(yīng)力等值線圖中,綜合考慮應(yīng)力數(shù)值及應(yīng)力梯度大小,將低于14 MPa區(qū)域劃分為低應(yīng)力區(qū),將大于等于14 MPa的應(yīng)力區(qū)域劃分為高應(yīng)力區(qū)。

在瓦斯含量等值線圖中,將低于10 m3/t的區(qū)域劃分為低瓦斯區(qū),將大于等于20 m3/t的區(qū)域劃分為高瓦斯區(qū),兩者之間為中等瓦斯區(qū)。將構(gòu)造煤破壞值分區(qū)、高地應(yīng)力分區(qū)和中-高瓦斯含量分區(qū)進(jìn)行疊加,據(jù)此圈定研究區(qū)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)，見圖5。

圖5 研究區(qū)煤與瓦斯危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.5 Coal and gas outburst risk zones in the mining area

煤與瓦斯突出的影響因素較為復(fù)雜,在礦井深部及構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)域仍應(yīng)引起重視,應(yīng)該按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的相關(guān)要求,制定相應(yīng)的區(qū)域和局部綜合防突措施,加強(qiáng)煤與瓦斯突出的預(yù)測預(yù)報(bào)工作,防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

在總結(jié)研究區(qū)的礦井地質(zhì)條件和瓦斯賦存條件的基礎(chǔ)上,分析了新景礦及鄰近礦區(qū)的地應(yīng)力實(shí)測成果,通過建立二維地質(zhì)模型,運(yùn)用有限元法模擬了研究區(qū)的地應(yīng)力分布,得到了研究區(qū)主采煤層底板的地應(yīng)力場,并在綜合地應(yīng)力、瓦斯賦存影響因素的基礎(chǔ)上,預(yù)測了研究區(qū)煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。主要取得了以下成果:

1)在分析區(qū)域現(xiàn)代地應(yīng)力場的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)已有的地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù),通過有限元數(shù)值模擬方法,獲得了研究區(qū)3#和15#煤層底板的地應(yīng)力分布特征,探討了地應(yīng)力的主要影響因素。

2)分析了研究區(qū)埋深、礦井構(gòu)造及圍巖封閉性對瓦斯賦存的影響,綜合地應(yīng)力、瓦斯賦存各項(xiàng)影響因素等條件,評價(jià)了研究區(qū)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。