論地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤和瓦斯突出的控制作用

李東慧，張 虎，趙 慧

1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東泰安 271000 2.山東省地質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南 250013

0 引言

“煤與瓦斯突出”在近年來(lái)瓦斯事故中比例趨升，危害極大。目前國(guó)際上還沒(méi)有找到有效的防治“煤與瓦斯突出”的辦法，隨著開(kāi)采深度的加大，“煤與瓦斯突出”事故呈持續(xù)上升趨勢(shì)我國(guó)50%左右的煤礦是高瓦斯礦井，60%～70%的煤礦是在復(fù)雜和極復(fù)雜的構(gòu)造條件下進(jìn)行開(kāi)采的。因此，做好煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，不僅對(duì)提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)提高礦井的安全和社會(huì)效益有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文就地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤和瓦斯突出的控制作用進(jìn)行深入的探討。

1 煤和瓦斯突出的巨大危害

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的構(gòu)造與物理現(xiàn)象，外力誘發(fā)“煤與瓦斯突出”，就如同突然打開(kāi)了可樂(lè)瓶蓋，煤層中蘊(yùn)蓄的一氧化碳等有害氣體攜帶著煤與碴石驟然涌出，躲避不及的人們可能被掩埋，高濃度的瓦斯迅速充盈巷道，空氣中的氧氣迅速降到不能保障人類(lèi)生存的12%以下，無(wú)法避開(kāi)的人們因缺氧窒息而死。此時(shí)如果有電器火花或其他細(xì)微的明火，又可能導(dǎo)致燃燒或爆炸、擴(kuò)大危害。以某省為例，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2009年該省發(fā)生的煤礦事故中，瓦斯事故67起，死亡200人。在各類(lèi)事故中，瓦斯事故起數(shù)雖然位居第二，但每起瓦斯事故的平均傷亡人數(shù)卻高居榜首。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還顯示，“煤與瓦斯突出”事故的危害性日趨嚴(yán)重。湖南煤業(yè)2 000個(gè)左右的礦井中，有高瓦斯礦井900個(gè)，占礦井總數(shù)的43%，其中突出礦井約有400個(gè)占19%。2005年至209年，該省發(fā)生的173起重特大煤礦事故中，死亡1 026人。其中重大事故149起、死亡664人，重大事故中瓦斯爆炸34起、死亡170人，煤與瓦斯突出58起、死亡288人，瓦斯窒息17起、死亡67人；特大事故24起、死亡362人，其中瓦斯爆炸6起、死亡85人，煤與瓦斯突出11起、死亡179人。

2 煤與瓦斯突出的預(yù)兆

煤與瓦斯突出的預(yù)兆分為無(wú)聲預(yù)兆和有聲預(yù)兆兩類(lèi)。

2.1 無(wú)聲預(yù)兆

1）煤層結(jié)構(gòu)變化，層理紊亂，煤層由硬變軟、由薄變厚，傾角由小變大，煤由濕變干，光澤暗淡，煤層頂、底板出現(xiàn)斷裂，煤巖嚴(yán)重破壞等；2）工作面煤體和支架壓力增大，煤壁外鼓、掉碴、煤塊進(jìn)出等；3）瓦斯增大或忽小忽大，煤塵增多。

2.2 有聲預(yù)兆

煤爆聲、悶雷聲、深部巖石或煤層的破裂聲、支柱折斷等。每次突出前都有預(yù)兆出現(xiàn)，但出現(xiàn)預(yù)兆的種類(lèi)和時(shí)間是不同的，熟悉和掌握預(yù)兆，對(duì)于及時(shí)撤出人員、減少傷亡具有重要的意義。

3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤和瓦斯突出的影響

煤與瓦斯突出基本特征有：突出的煤向外拋出距離較遠(yuǎn)，具有分選現(xiàn)象。拋出的煤堆積角小于煤的自然安息角。拋出的煤破碎程度高，含有大量的塊煤和手捻無(wú)粒感的煤粉。有明顯的動(dòng)力效應(yīng)，破壞支架，推倒礦車(chē)，破壞和拋出安裝在巷道內(nèi)的設(shè)施。有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)突出煤的瓦斯含量，有時(shí)會(huì)使風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤物理力學(xué)性質(zhì)的影響極其嚴(yán)重

主要通過(guò)構(gòu)造煤的發(fā)育程度及分布范圍表現(xiàn)出來(lái)。我們以某礦區(qū)為例，與北部5對(duì)礦井相比，南部3對(duì)礦井構(gòu)造煤的發(fā)育非常明顯，非常普遍。觀測(cè)表明，南部3對(duì)礦井在斷層附近及向、背斜軸部，構(gòu)造煤普遍發(fā)育；在非構(gòu)造帶由于南部3對(duì)礦井距離煤層底板1.5m～2.0m處的夾矸厚度只有北部5對(duì)礦井的0.3～0.5倍，巖石力學(xué)強(qiáng)度嚴(yán)重降低，在較強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造影響下，在煤層內(nèi)部發(fā)生大面積的層滑構(gòu)造。這是一種煤層層位不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，但煤層頂?shù)装灏l(fā)生相對(duì)位移的層間滑動(dòng)構(gòu)造，厚度較小的夾矸由于與上、下煤層的粘結(jié)力弱常常發(fā)揮滑動(dòng)面的作用。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力的控制作用

地質(zhì)歷史時(shí)期的燕山和雪中喜山2次主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)六礦井田疊加，造成南部3對(duì)礦井地應(yīng)力明顯偏大。六礦地應(yīng)力實(shí)測(cè)值表明，重直應(yīng)力為金尼克理論值的1.05～1.78倍，而水平應(yīng)力為金屬尼克理論值的2.69～4.76倍，且分布很不均勻。應(yīng)力實(shí)測(cè)值還表明六礦井田煤系地層內(nèi)存在較大剪應(yīng)力。殘余構(gòu)造應(yīng)力的存在起到了激發(fā)突出的作用，極大地增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。計(jì)算結(jié)果表明，六礦井田內(nèi)磚瓦向壓縮狀態(tài)煤體的彈性潛能約為與瓦斯內(nèi)能的4倍，是破碎煤體、激發(fā)突出的主要?jiǎng)恿Γ瑸槊号c瓦斯突出主要激發(fā)因素。

4 煤與瓦斯突出的一般規(guī)律

1）突出與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系,突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)，如斷層、褶曲和火成巖侵入?yún)^(qū)附近。

2）突出與瓦斯的關(guān)系,煤層中的瓦斯壓力與含量是突出的重要因素之一。一般說(shuō)來(lái)，瓦斯壓力和瓦斯含量越大，突出的危險(xiǎn)性越大。但突出與煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力之間，沒(méi)有固定的關(guān)系。瓦斯壓力低、含量小的煤層可以發(fā)生突出；反之，瓦斯壓力高，含量大的煤層也可能不突出，因?yàn)橥怀鍪嵌喾N因素綜合作用的結(jié)果。

3）突出與地壓的關(guān)系,地壓愈大，突出的危險(xiǎn)性愈大。當(dāng)深度增加時(shí)，突出的次數(shù)和強(qiáng)度都可能增加；在集中壓力區(qū)內(nèi)突出的危險(xiǎn)性增加。

4）突出與煤層構(gòu)造的關(guān)系,煤層構(gòu)造主要指煤的破壞類(lèi)型和煤的強(qiáng)度。一般情況下煤的破壞類(lèi)型愈高強(qiáng)度愈小，突出的危險(xiǎn)性愈大。故突出多發(fā)生在軟煤層或軟分層中。

5）突出與圍巖性質(zhì)的關(guān)系,若煤層頂?shù)装鍨閳?jiān)硬而致密的巖層且厚度較大時(shí)，其集中應(yīng)力較大，瓦斯不易排放，故突出危險(xiǎn)性愈大；反之則小。若頂?shù)装逯芯哂腥菀罪L(fēng)化和遇水變軟的巖層時(shí)，將減少突出危險(xiǎn)性。

6）突出與水文地質(zhì)的關(guān)系,實(shí)踐表明，煤層比較濕潤(rùn)，礦井涌水量較大，則突出危險(xiǎn)性較小；反之則大，這是由于地下水流動(dòng)，可帶走瓦斯，溶解某些礦物，給瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造了條件。

7）突出具有延期性突出的延期性變化就是震動(dòng)放炮后沒(méi)有誘導(dǎo)突出而相隔一段時(shí)間后才發(fā)生突出。其延遲時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)。

5 結(jié)論

地應(yīng)力、瓦斯、煤體結(jié)構(gòu)性能這三者與地質(zhì)構(gòu)造有直接的聯(lián)系，斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的形成又和構(gòu)造應(yīng)力不可分割，活動(dòng)斷裂構(gòu)造又制約著構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布，因此，礦區(qū)應(yīng)力的分布情況對(duì)瓦斯含量、瓦斯壓力、煤體的破壞等都有一定控制作用。

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