新密煤田煤与瓦斯突出的主要控制因素分析

作者简介:孙启文(1984 ),男,河南开封人,助理工程师,2008年毕业于河南理工大学,现从事煤矿通风管理工作。

新密煤田煤与瓦斯突出的主要控制因素分析

孙启文1

,孙浩博2

,张飞虎1

,王遂让

1

(1.郑煤集团公司,河南郑州 450042;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221008)

摘要:近年来,随着郑煤集团生产规模不断扩大,瓦斯灾害逐渐成为制约郑煤集团安全高效开采的一个重要影响因素。为有效控制煤矿瓦斯突出事故、遏制瓦斯突出灾害的发生,总结了新密煤田煤与瓦斯突出特征,并经过分析,得出结论:影响新密煤田煤与瓦斯突出的主要因素为煤层埋深、地质构造、瓦斯及构造软煤。关键词:新密煤田;煤与瓦斯突出;控制因素

中图分类号:TD 713 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2011)01-0030-03

近年来随着郑煤集团生产规模不断扩大,新老矿井的开采水平不断向下延深,瓦斯灾害逐渐成为制约郑煤集团安全高效开采的一个重要影响因素[1]

。新密煤田是郑州矿区的四大煤田之一,新密煤田主要生产矿井有大平矿、告成矿、超化矿、米村矿、裴沟矿、张沟矿、振兴二矿和芦沟矿,目前告成、大平、超化、裴沟、振兴二矿5对矿井均已被鉴定为突出矿井,芦沟、米村、张沟矿为低瓦斯矿井。选取新密煤田所属的告成、大平、超化3对矿井为研究对象,通过对矿井历年来发生的煤与瓦斯突出动力现象研究,揭示新密煤田煤与瓦斯突出的控制因素。

1 新密煤田煤与瓦斯突出特征

截至2008年底,新密煤田共发生煤与瓦斯突出动力现象21次,自从19年11月1日在大平矿11111下辅切巷50m 处发生首次突出以来,各类突出均有发生。其中,2004年10月20日,在大平矿21回风下山发生了1次特大型突出,突出煤(岩)量达14,t 突出瓦斯量达25万m 3

。大型突出2次,分别发生在大平矿16071运输巷、告成矿21021运输巷回风联巷,其余18次均为小型突出。统计分析新密煤田发生的21次煤与瓦斯突出资料,发现新密煤田煤与瓦斯突出存在以下一些特征:

(1)突出类型以压出[2]

为主。新密煤田所发生的21次煤与瓦斯突出中,16次为压出,占突出总数的76%;3次为倾出,占突出总数的14%;2次为典型突出,占突出总数的10%。

(2)从突出规模来看

[3]

,以小型突出为主。21

次突出中,特大型突出有1次,大型突出有2次,其余18次均为小型突出,占突出总数的85%。

(3)绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面。在21次突出中,19次发生在煤巷掘进工作面,占突出总次数的90%,但煤巷掘进时,突出量小,大多为小型突出。2次典型突出均发生在岩巷掘进工作面,突出煤量大。

2 影响矿井突出的主要因素

对大平矿、告成矿和超化矿3对矿井21次煤与瓦斯动力现象记录卡中记录的瓦斯参数、埋深、巷道类别、顶底板岩性、附近区域地质构造类型及相对距离、构造煤厚度等参数量化后,利用数据统计理论进行分析,得出结论:埋深、构造软煤、地质构造类型及相对距离是控制新密煤田矿井突出的主要因素。2.1 埋藏深度

煤层埋深越深则意味着煤层所受地应力越大,煤层瓦斯向地表逸散的距离越长,煤层瓦斯含量就会越大。煤层埋深是影响突出的一个重要因素,煤层埋深越大,煤体受到的地应力和储存在煤层中的瓦斯含量越大,瓦斯压力越高,煤体中积蓄的弹性潜能和瓦斯内能越大,煤层发生突出的危险性也就越大[4]

。新密煤田煤与瓦斯突出动力现象均发生在埋深215m 以下,埋深215~250m 阶段内,最大突出强度是20,t 平均突出强度8 6;t 250~300m 阶段内,平均突出强度33 25;t 300~350m 阶段内,平均突出强度42 75;t 350~400m 阶段内,平均突出强度26;t 400m 以下,平均突出强度634t 。而埋深在350~400m 阶段离散数据点偏离直线较远,分析其原因认为,郑煤集团近几年加大了瓦斯治理力度,

30 2011年第1期 中州煤炭

总第181期

在防治煤与瓦斯突出方面增加了投入和技术创新,有效地遏制了煤与瓦斯发生频率和强度。2 2 构造软煤厚度变化

新密矿区受层间滑动构造影响,二1煤全区发育一构造软分层,而软分层煤体强度低,抵抗破坏能力弱,在相同地应力作用下软分层最先发生破坏进而引起附近煤体失稳,煤岩体自由面增加煤岩体释放瓦斯表面积,瓦斯进而向采掘空间迅速解吸膨胀

引起动力现象[5]

。新密矿区突出现象分析表明,当煤层由厚变薄时,比较容易出现压出动力现象,这是由于在煤层尖灭或变薄区的薄煤带易形成应力集中区;当煤层由薄突然增厚时,新密煤田在此类构造附近几乎没出现过动力现象,分析认为,这是由于构造地应力合力水平分量指向巷道里端,阻碍煤岩体向采掘空间移动(图1)。因此,新密煤田深部采区动力现象以压出为主,并且往往发生在煤层由厚变薄区域;而在深部采区当煤层由厚急剧变薄时,则会发生以突出形式为特征的动力现象,这是由于采掘活动破坏了原岩应力平衡状态,使掘进面煤岩体应力状态由三向改变为二向,煤岩体弹性能迅速释放而

表现出突出动力现象。

图1 煤厚变化引起的瓦斯突出力学机制示意

郑州矿区新密煤田区内发育有芦店滑动构造

[6]

。滑动构造的主滑脱面沿二1煤及附近层位发

育,煤层被铲蚀或积聚,煤层厚度剧烈变化,瓦斯赋存不均

[7]

。新密煤田二1煤构造软煤全层发育,而

且普遍达到!防治煤与瓦斯突出规定∀规定的#~∃类煤,平均厚约5m,新密煤田二1煤赋存极不稳定,地勘钻孔资料显示,深部煤厚变化范围通常在0~20m 之间,煤厚在1 5~6 0m 之间地勘钻孔频数占到50%以上。新密矿区由于受滑动构造影响,二1煤层厚度变化较大,煤层巷道在掘进过程中则经常遇到煤厚变化的情况,分析煤层厚度对新密煤田煤与瓦斯突出的影响有利于指导新密煤田煤层巷道掘进工作,提高煤巷掘进效率。2 3 瓦斯含量及压力

瓦斯是决定煤与瓦斯突出的一个主要因素,如

果没有瓦斯参与则表现为冲击矿压(有的学者将煤与瓦斯突出归类为冲击矿压)。突出发生时煤岩中吸附瓦斯迅速由吸附状态转变成游离状态,煤岩体的瓦斯压力越高,初始瓦斯解吸速度越快,瓦斯动能

越大,其破坏力越强[8]

。不同矿井始突深度最小瓦斯含量有一定的差异,说明突出还受煤体结构、地质构造等条件的控制。从21个突出点附近瓦斯压力来看,其分布与瓦斯含量具有较好的对应性,瓦斯含量高,则瓦斯压力大,反之,瓦斯压力小。瓦斯含量、瓦斯压力和对应突出点如图2所示。

图2 突出点瓦斯含量、压力分布直方图

依据突出点附近21组比较完整的瓦斯压力与瓦斯含量数据,绘制了瓦斯压力与瓦斯含量之间的

相关关系图(图3),相关系数达到0 7201,显示了较好的相关性。从以上分析可以看出,瓦斯压力与瓦斯含量具有较好的对应关系,瓦斯含量高则瓦斯压力也大。因此,这两个数据均可作为评价瓦斯突

出的参数。

图3 突出点瓦斯压力与瓦斯含量关系散点图

2 4 地质构造

煤与瓦斯突出是多种因素综合作用的结果,地质构造控制着地应力的分布、瓦斯的赋存及运移。新密煤田在成煤后古地理环境中受秦岭造山带隆起由南向北推挤作用、燕山中期的构造运动以及后期大规模滑动构造作用的影响,使二1煤层受到了强烈挤压、剪切作用,煤层变形强烈,煤厚变化较大,在新密煤田几乎全区发育有构造软煤层。煤与瓦斯突出综合作用学说认为,煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤岩物理力学性质三因素共同作用的结果。根

31 2011年第1期 孙启文等:新密煤田煤与瓦斯突出的主要控制因素分析 总第181期

(1)二1煤成煤后受后期地壳运动的影响,二1煤层和其他岩层一样受到拉伸、挤压、扭曲等作用,作用力超过煤岩层极限强度后煤岩层就发生断裂破坏;而当构造应力低于煤岩层强度时煤岩层发生弹性或塑性形变,并积聚高能量的弹性能,当采掘活动改变煤岩层平衡状态时,煤岩的弹性能迅速释放而发生煤与瓦斯突出或冲击地压。

(2)构造应力使煤岩体结构破坏,煤体强度变低,煤岩层整体力学性能改变,抵抗形变或破坏的能力降低。

(3)封闭性地质构造不利于瓦斯逸散,使封闭区内煤层瓦斯含量明显高于其他地点,在煤层中形成高瓦斯聚集区或突出区,增加发生突出的可能性。

大平矿、告成矿和超化矿3对矿井的21次煤与瓦斯动力现象几乎都发生在地质构造破坏影响范围内。大平矿16次煤与瓦斯动力现象中,有15次与地质构造有关,突出点位于大冶向斜的转折端和背斜轴部和吴庄逆断层附近;告成矿2次突出均发生在构造附近,即刘碑向斜的转折端附近,刘碑向斜和F134断层的叠加破坏带内;超化矿3次突出均发生在由F9断层尖灭端、F10和F12断层形成的构造破坏带内。需要强调的是,虽然断层的发育有利于瓦斯突出,但突出点一般距断层有20~30m的不等距离,而在断层位置,正常情况下一般不容易突出,因为在断层位置不仅地应力小,而且瓦斯含量小。

3 结语

通过对新密煤田大平矿、告成矿和超化矿3对矿井的21次煤与瓦斯突出动力现象进行分析,得出新密煤田突出特征以小型突出为主,绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面,且以压出为主,突出几乎都发生在地质构造带附近的结论。煤与瓦斯突出是一种比较复杂的动力现象,是由多种因素综合作用的结果。经过对郑煤集团新密煤田9对生产矿井278组数据统计分析认为,新密煤田影响煤与瓦斯突出地质方面主控因素有:煤层埋藏深度、软分层厚度、低角度滑移带与二1煤相对距离、断层的开放性与封闭性(落差)等。因此,查明煤田地质构造、瓦斯分布是今后防突工作的切入点和重点。

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(责任编辑:梁郁鑫)

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(责任编辑:梁郁鑫)

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