王百戰(zhàn),王 江
(三門峽龍王莊煤業(yè)有限責任公司,河南 澠池 472434)
煤與瓦斯突出事故一直以來都是煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域最為嚴重的動力災(zāi)害,由于其影響因素的復(fù)雜性、后果的災(zāi)難性以及事故的難預(yù)測性和突發(fā)性,嚴重制約著煤礦的正常發(fā)展以及職工的生命財產(chǎn)安全[1-2]. 隨著我國近幾年煤炭開采深度不斷增加,發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性也越來越大。因此,進行煤與瓦斯突出的主要規(guī)律研究非常迫切[3-4].
國內(nèi)外眾多學者對此進行了專題研究。胡千庭等[5]基于力學機理對煤與瓦斯突出過程進行了研究,得出采掘工作面周圍巖體原始應(yīng)力遭破壞失穩(wěn)和煤巖體的迅速拋出是發(fā)生煤與瓦斯突出的的主要原因。鮮學福、李成武等[6-7]結(jié)合理論算法和現(xiàn)場實例對煤與瓦斯突出過程機理進行了解釋,并得出瓦斯是煤與瓦斯突出能量的主要來源。韓軍等[8]通過對我國華北、華南等7個礦區(qū)進行實地勘察并對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析得出,地應(yīng)力是誘發(fā)煤與瓦斯突出的關(guān)鍵因素,且在突出礦井中水平地應(yīng)力普遍較高。李小雙等[9]基于實驗室平臺分析得出,煤與瓦斯突出現(xiàn)象是一種復(fù)雜的力學行為,是煤體、瓦斯壓力和地應(yīng)力等因素耦合作用下產(chǎn)生的。雷文杰等[10-12]通過相似模擬對煤與瓦斯突出過程微震響應(yīng)特征進行了專題研究,并得出臨突前的調(diào)整期是預(yù)測煤與瓦斯突出事故的關(guān)鍵時段,此過程中微震響應(yīng)事件呈現(xiàn)出低能量高密度性。
由于煤與瓦斯突出事件的高度復(fù)雜性和地域分布差異性,目前尚未形成統(tǒng)一規(guī)范的理論體系能夠?qū)γ号c瓦斯突出事件進行普遍的闡述。根據(jù)資料記載顯示,鑫隆礦區(qū)歷史記載突出次數(shù)高達112次,突出總煤量高達12 778 t,單次最大突出瓦斯涌出量高達167 425 m3,多次煤與瓦斯突出的發(fā)生,影響了鑫隆礦區(qū)的安全生產(chǎn)。該礦區(qū)的突出事故大多為小型突出、中型突出和次大型突出,如果能有效地利用歷史突出資料,充分挖掘其內(nèi)部規(guī)律,對避免安全事故的發(fā)生有重大的意義。因此,基于鑫隆礦區(qū)6對礦井中,4對煤與瓦斯突出礦井所發(fā)生的動力現(xiàn)象統(tǒng)計數(shù)據(jù),對該礦區(qū)煤與瓦斯突出的一般特征及其分布規(guī)律進行統(tǒng)計分析。
鑫隆礦區(qū)作為典型的煤與瓦斯突出礦區(qū),區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜,井田內(nèi)局部發(fā)育有小落差、隱伏斷層,并伴有次一級褶曲。煤層平均煤厚2.3 m,傾角7°~11°. 鏡煤組最大反射率2.86%,平均密度1.56×103kg/ m3;其頂板、底板都為粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖,平均密度2.54×103kg/m3,孔隙率6.2%,單軸抗壓、抗拉強度分別為12.3 MPa、1.9 MPa. 鑫隆礦區(qū)瓦斯動力災(zāi)害嚴重,煤層瓦斯含量16.8~18.6 m3/t,瓦斯壓力0.9~1.4 MPa,礦井在首采工作面掘進和回采期間發(fā)生多起煤與瓦斯突出事故。
該礦業(yè)所屬煤礦由于煤層及瓦斯賦存條件、開采條件與技術(shù)的不同,其始突深度也呈現(xiàn)不同規(guī)律。對龍山煤礦、大眾煤礦和銅冶煤礦3對突出礦井始突深度、始突標高的近幾年數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,見表1. 其中,始突深度最大的是大眾煤礦,始突深度為304 m,最小的為龍山煤礦,始突深度為155 m.
表1 煤與瓦斯突出深度表
突出煤量是表征突出強度的重要參數(shù)之一,理論條件下,可根據(jù)突出煤量的多少來劃分突出強度等級,一般可劃分為5種類型。對鑫隆礦業(yè)龍山煤礦、大眾煤礦、銅冶煤礦和果園煤礦4對突出礦井的歷史記載資料進行統(tǒng)計分析,得出其突出強度情況,見表2.
表2 突出數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
以最為典型的龍山煤礦為例,5種突出強度類型均有發(fā)生記錄,其中,按照其發(fā)生次數(shù)進行排序為:小型突出(47.6%)>次大型突出(25.7%)>中型型突出(22.9%)>大型及特大型突出(3.8%). 大眾煤礦、果園煤礦、銅冶煤礦的突出強度規(guī)律分析也滿足此特征。
理論上以單位時間(一般為年)內(nèi)突出的平均次數(shù)來表征突出頻度。對龍山煤礦、大眾煤礦和銅冶煤礦的資料進行統(tǒng)計分析,其突出頻度結(jié)果見表3.
表3 煤與瓦斯突出頻度表
由表3結(jié)果可知,龍山煤礦突出頻度最高,說明該礦受煤與瓦斯突出的災(zāi)害影響嚴重,相比之下大眾煤礦與銅冶煤礦頻度稍低,突出頻度受礦井地質(zhì)條件、煤層瓦斯賦存條件的影響。
理論上利用突出點在臨突前的瓦斯壓力表征突出壓力。對受瓦斯災(zāi)害影響最為嚴重的龍山煤礦的瓦斯壓力資料進行統(tǒng)計分析,并進行預(yù)測,其結(jié)果見表4,圖1.
表4 龍山煤礦瓦斯壓力表
圖1 埋深與瓦斯壓力趨勢圖
根據(jù)表4及圖1可知,龍山煤礦的始突深度為215 m,且突出處的瓦斯壓力約為0.8 MPa.
煤與瓦斯突出分為突出、壓出和傾出3種類型。對近幾年鑫隆礦區(qū)的煤與瓦斯突出類型進行統(tǒng)計,得出結(jié)果見表5.
表5 煤與瓦斯突出類型表
由表5可知,鑫隆礦區(qū)所屬礦井的主要突出類型以突出為主。其中,龍山煤礦突出次數(shù)占總次數(shù)的83%,大眾煤礦為87.5%,銅冶煤礦為65.2%,果園煤礦為65%. 可見,龍山煤礦和大眾煤礦受突出影響較多。
基于鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的一般規(guī)律分析結(jié)果,選取受煤與瓦斯突出影響最為嚴重的龍山煤礦為對象,從煤與瓦斯突出發(fā)生地點及作業(yè)方式兩方面,對該礦區(qū)煤與瓦斯突出的分布規(guī)律進行分析。
1) 在巷道掘進過程中易發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。對龍山煤礦有準確巷道類型記錄的80次突出發(fā)生部位及其強度、次數(shù)進行統(tǒng)計,其結(jié)果見表6.
由表6可知,龍山煤礦煤與瓦斯突出一般發(fā)生在平巷中,71.25%占比且其發(fā)生強度較上山掘進巷道稍大。因此,在以后的實際生產(chǎn)中應(yīng)有針對性地對該區(qū)域采取一定的防范措施。
2) 突出常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶及煤層傾角突然變化處。通過對龍山煤礦有準確巷道類型記錄的80次
表6 突出強度同巷道類型表
突出部位的地質(zhì)構(gòu)造進行統(tǒng)計,具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表7.
表7 突出部位統(tǒng)計數(shù)據(jù)表
通過表7可知,突出的發(fā)生受地質(zhì)構(gòu)造影響較大,斷層對突出的影響最大占53.6%,其次是煤傾角變化及褶曲。
對龍山煤礦作業(yè)方式引發(fā)突出數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,其結(jié)果見表8.
表8 作業(yè)方式引發(fā)突出統(tǒng)計數(shù)據(jù)表
現(xiàn)場作業(yè)也是誘發(fā)突出的主要方式。根據(jù)表8可知,放炮由于巨大的沖擊破壞作用,是最主要的作業(yè)誘導(dǎo)方式,在全部作業(yè)誘導(dǎo)方式中占比74.67%.
鑫隆礦區(qū)作為典型的突出礦區(qū),通過對其突出一般規(guī)律進行系統(tǒng)分析,并結(jié)合其突出發(fā)生的一般分布規(guī)律,可以得出發(fā)生煤與瓦斯突出的原因在于其地質(zhì)條件和作業(yè)方式,其中斷層、煤層傾角忽變和褶曲的存在是造成該煤與瓦斯突出的地質(zhì)因素,也是其內(nèi)部因素。其次,就其現(xiàn)場擾動方面,該礦區(qū)采用炮采掘進,其巨大的沖擊破壞作用,構(gòu)成了現(xiàn)場煤與瓦斯突出的外部誘因。
1) 小型、中型突出是鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的的主要形式,從其突出發(fā)生的突出強度、始突深度、突出壓力和突出頻度等方面分析,得出該礦區(qū)突出事故介于嚴重突出與一般突出之間。
2) 通過系統(tǒng)分析得出,鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出大多發(fā)生于平巷,占比高達71%以上。因此,實際生產(chǎn)應(yīng)針對性地對該區(qū)域采取一定的防范措施。炮采產(chǎn)生的瞬時能量釋放會使得破碎煤層和圍巖的穩(wěn)定性驟降,建議根據(jù)前方煤壁和圍巖的穩(wěn)定性決定每次炮采的裝藥量,防止打破其承受極限。
3) 從龍山煤礦基礎(chǔ)資料得出,鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的分布具有明顯的規(guī)律特征。其中斷層、煤層傾角忽變和褶曲的存在是造成鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的內(nèi)部因素,炮采掘進因其巨大的沖擊破壞作用,是鑫隆礦區(qū)煤與瓦斯突出的外部誘因。