平煤四礦煤與瓦斯突出災害分布特征

周少璽，李 普

(1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454000;2.鄭州煤炭工業(yè) (集團)楊河煤業(yè)有限公司，河南新密452382;3.鄭州煤炭工業(yè) (集團)有限責任公司通風管理部，河南鄭州450042)

平煤四礦位于平頂山礦區(qū)中部，東與一礦、二礦，西與五礦、六礦相鄰，南與三礦相接。2006年礦井核定生產(chǎn)能力2.8Mt/a，主采四組九層煤層，其中丁5－6煤段開采標高與埋深分別為105～－510m和283～860m，己16－17煤段分別為 －50～ －800m和205～1100m。礦井現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)與延伸開拓區(qū)由于位于井田中深部，致使礦山壓力與瓦斯含量增大。高地應力、高瓦斯含量和壓力、煤層低滲透性等復雜條件交織，動力災害愈加嚴重。

煤與瓦斯突出危害性極大，嚴重威脅礦工的生命，影響礦井的生產(chǎn)［1］。平煤四礦自1991年首次發(fā)生煤與瓦斯突出災害至今，已經(jīng)發(fā)生具有煤與瓦斯突出典型特征的動力現(xiàn)象共21次，其中丁組煤層17次，己組煤層4次 (表1)。突出煤量1～72t，突出瓦斯量140～3206m3。

2000年與2011年，煤炭科學研究總院撫順分院分別鑒定丁、己煤層為突出煤層。通過對這些動力現(xiàn)象進行分析，探尋這些動力現(xiàn)象的特征和規(guī)律，可以為平煤四礦煤巖瓦斯突出災害的防治工作提供有力的科學依據(jù)。

表1 四礦歷次煤與瓦斯突出災害統(tǒng)計

1 空間分布特征

(1)存在始突深度 通過對歷次突出災害時間標高分析 (圖1)，四礦存在煤與瓦斯突出的初始臨界深度，標高－390m是各煤層組的始突深度。從突出等深度圖 (圖2)可以看出，絕大部分突出分布在埋深620～800m之間，最淺的一次發(fā)生在622.5m處，發(fā)生在己16－17煤層中最深的突出災害發(fā)生點埋深944.6m。這表明埋深超過620m，達到突出發(fā)生的應力條件，而埋深大于800m的突出次數(shù)變少主要是因為礦井加強了對瓦斯的治理。

圖1 四礦煤與瓦斯突出事件標高分布

圖2 發(fā)生煤與瓦斯突出災害點等深度分布

(2)分帶特征明顯 四礦丁5－6煤層的煤與瓦斯突出具有顯著的分帶特征。煤與瓦斯突出集中發(fā)生在一個長1600m，寬700m的區(qū)域范圍內(nèi)，沿北西-南東方向展布的狹長條帶內(nèi)。該條帶與四礦煤層走向基本一致，可見條帶分布方向受埋藏深度控制。該條帶應確定為四礦區(qū)域煤與瓦斯突出高危帶，其南側(cè)邊界基本可以確定，北側(cè)邊界和東西2個延伸方向隨著開采深度增加可能還將擴展。

四礦突出絕大部分分布在井田西翼，這與“井田內(nèi)東部瓦斯小，西部瓦斯大”的地質(zhì)勘探結(jié)果相吻合［2］。

(3)地表起伏大 從突出點的地質(zhì)構(gòu)造分析，四礦井田內(nèi)沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，唯一顯著的特征是地表起伏較大，最高處達到506m，最低處僅200m左右，地表高程陡增，煤層的埋藏深度梯度變大，應力 (地應力與瓦斯壓力)強度等值線在此將會密集，梯度陡增。另外，小斷層發(fā)育較多，相當部分 (共有13次，占總突出次數(shù)的62%)的突出發(fā)生在小斷層附近，表明斷層附近應力梯度高，煤質(zhì)松軟、構(gòu)造煤發(fā)育使這些區(qū)域非常利于突出發(fā)生。

在四礦的瓦斯地質(zhì)條件下，盡管地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，但地應力強度沒有達到一定程度，便不具備發(fā)生突出的作用力和內(nèi)能，而達到一定埋藏深度后，應力強度增高使得煤與瓦斯具備了發(fā)生突出的內(nèi)能，即使地質(zhì)構(gòu)造簡單，突出也會發(fā)生。同一煤層組存在一個始突深度，在此深度之上一般不會發(fā)生突出，但接近這一深度如遇有導致地應力增高的特殊地質(zhì)構(gòu)造 (例如逆斷層)，便補充了由于深度不夠而應力強度和煤與瓦斯發(fā)生突出內(nèi)能的不足，使得在淺于具有普遍意義的始突深度條件下也有偶發(fā)情況。因此，相同煤層組，應力強度是發(fā)生突出的最重要因素，應力梯度增大的部位易于發(fā)生煤與瓦斯突出［3－5］。

2 強度分布特征

(1)動力災害類型 煤與瓦斯動力現(xiàn)象按成因分為突出、壓出和傾出。丁組煤層的突出全部發(fā)生在丁5－6煤層的丁5－6－19160采面及以下，突出時煤體整體位移或煤體有一定距離的拋出，有時無孔洞，有時有呈口大腔小的楔形孔洞;壓出的煤呈塊狀，無分選現(xiàn)象;壓出后，在煤層與頂板之間的裂隙中常留有細煤粉，整體位移的煤體上有大量裂隙;壓出后巷道瓦斯涌出量增大，符合壓出的基本特征。己16－17煤層突出4次，其中在1991年發(fā)生的是規(guī)模很小的2次壓出，2次突出，其中瓦斯涌出量最大的1次發(fā)生在地面標高陡升的擂鼓臺山峰下面，埋深達到了935m。

(2)突出煤體總量 突出煤體總量一般反映參與突出作用力 (地應力與瓦斯壓力)的強度。己16－17煤層出現(xiàn)過2次規(guī)模很小的壓出，突出煤體的總量分別為1t和8t。丁組突出煤體的總量均小于50t/次，平均21.3t/次;己組突出2次，分別為40t/次和72t/次，平均56t/次，強度均不高。但己組煤突出強度明顯高于丁組 (見圖3)，這與己組煤層埋深更大、瓦斯含量更高相符合。

圖3 煤與瓦斯突出事件突出煤量等值線

(3)突出瓦斯總量 突出瓦斯總量反映瓦斯參與突出的作用。由于突出災害前未采取防突措施，己16－17煤層出現(xiàn)2次突出卻沒有瓦斯涌出量數(shù)據(jù)記錄。丁5－6煤層突出瓦斯的總量煤較低，大部分在1000m3/次以下，平均487m3/次，己16－17煤層突出瓦斯量較高，2次突出均大于1000m3/次，平均2628m3/次 (見圖4)。這與前述己組煤層瓦斯含量高的客觀規(guī)律相吻合，還表現(xiàn)出采深增加，瓦斯在突出中的絕對作用力漸次增強的規(guī)律［6－7］。

(4)拋出煤體的噸煤瓦斯涌出量 突出事件的噸煤瓦斯涌出量是判斷是否突出的一個指標，也是反映瓦斯在突出作用中的相對貢獻程度。國家標準《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》(AQ1024－2006)指出，當瓦斯動力現(xiàn)象的煤與瓦斯突出基本特征不明顯，尚不能確定為排除煤與瓦斯突出現(xiàn)象時，其中的一個判斷指標是用拋出煤的噸煤瓦斯涌出量是否大于或等于30m3/t判斷［8］。

四礦丁5－6煤層突出的噸煤瓦斯涌出量普遍不高 (見圖 5)，平均 28.8m3/t，最大的一次為61.6m3/t，相對平煤集團其他礦井，瓦斯壓力和瓦斯含量均相對較低，瓦斯參與突出的作用不甚顯著。己16－17煤層發(fā)生在23080機巷的突出，埋深達到了935m，噸煤瓦斯涌出量達到了80.15m3/t，瓦斯參與突出的作用顯著，發(fā)生在23020切眼的突出噸煤瓦斯涌出量為28.47 m3/t，但涌出煤量為歷次最多 (72t)，此區(qū)域地表起伏較大，煤層應力梯度大，應力參與突出的作用更為顯著。

圖5 煤與瓦斯突出事件噸煤瓦斯涌出量等值線

3 時間分布特征

根據(jù)煤與瓦斯突出災害發(fā)生的深度和強度特征，大體可分為3個順序排列的時序階段 (圖6)。

圖6 煤與瓦斯突出災害時序分布

第Ⅰ階段 全部發(fā)生在己組煤層掘進巷道;埋藏深度680m，原巖地應力的環(huán)境強度不高，一般需要借助特殊的地質(zhì)構(gòu)造和采動應力才能具備發(fā)動突出的內(nèi)能和初始推動力;全部為壓出，表現(xiàn)為低煤、低瓦斯和低噸煤瓦斯的“三低”特征，反映出參與突出的總體作用力強度不高，瓦斯在一定程度上參與了突出過程但其相對貢獻較低;發(fā)生的概率較低，具有偶發(fā)性特征。

第Ⅱ階段 主要發(fā)生在丁5－6－19160工作面以下的井田西翼，埋藏深度670～850m，原巖應力和瓦斯的作用開始增強，勿需借助特殊的地質(zhì)構(gòu)造即已具備發(fā)動突出的內(nèi)能，采動應力可以成為突出的觸發(fā)動力;部分突出已表現(xiàn)為低煤、高瓦斯和高噸煤瓦斯的“一低兩高”特征，瓦斯的作用顯著加強，瓦斯內(nèi)能是推動持續(xù)壓出的主要動力，發(fā)生的概率較高，具有多發(fā)性特征。

第Ⅲ階段 雖然開采強度增大，開采深度持續(xù)增加，但2003年至今，四礦已連續(xù)數(shù)年沒有發(fā)生過煤與瓦斯突出現(xiàn)象。其原因主要是:客觀方面，井田丁5－6煤層西翼的儲量大部分回采結(jié)束，東翼煤層瓦斯含量和壓力明顯較低，發(fā)生突出的瓦斯應力條件沒有達到。主觀方面:四礦經(jīng)過前一階段的學習和實踐，掌握了礦井動力現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律，制定了較完善的預測和防治措施。尤其是成立了防突科和防突隊后，采用抽放瓦斯和開采保護層區(qū)域防突措施，很好地控制了突出事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)四礦煤與瓦斯突出災害發(fā)生的深度和強度特征，可分為3個順序排列的時序階段。

(2)存在發(fā)生煤與瓦斯突出的初始臨界深度，標高－390m是四礦各煤層組的始突深度。埋深超過620m，達到了突出發(fā)生的應力條件。

(3)四礦煤與瓦斯突出具有顯著的分帶特征。煤與瓦斯突出集中發(fā)生在長1600m，寬700m，沿北西－南東方向展布的狹長條帶內(nèi)。該條帶與本礦煤層走向基本一致，分布方向受埋藏深度控制。

(4)己組煤層雖然發(fā)生的突出事件很少，但突出強度、突出瓦斯量和噸煤瓦斯涌出量都明顯超過丁組煤層。己16－17煤層是四礦的主采煤層，堅持開采淺部己15煤層做為己16－17的保護層，進行深部開采后 (1000m以深)，己15煤層本身也具有潛在突出危險，在進行開采時應先對己15煤層消除突出危險。

［1］俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1992.

［2］中平能化集團.一、四、六礦深部擴勘地質(zhì)報告［R］.2011.

［3］張友誼，黃戰(zhàn)峰，余貴軍，等.地質(zhì)條件影響下的煤與瓦斯突出特征及防治對策［J］.煤炭科學技術(shù)，2013，41(12):39－42，45.

［4］邱賢德，莊乾城，等.采場應力和煤結(jié)構(gòu)與煤和瓦斯突出關(guān)系的淺析［J］.煤炭科學技術(shù)，1994，23(8):2－6，64.

［5］張鐵崗.平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出與預測 ［J］.煤炭學報，2001，26(2):172 －177.

［6］李如波.平頂山礦區(qū)深部己組煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究［J］.中國煤炭，2010，36(1):81－83，127.

［7］李中鋒.平頂山礦區(qū)煤與瓦斯突出特征及對策［J］.煤炭科學技術(shù)，1999，27(5):18－20.

［8］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2006.