淺埋煤層地質控制因素瓦斯動力災害發生機理研究

張淑同，楊志恒，傅道春，王 波

(1.山東交通學院交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.山東財經大學 區域經濟研究院， 山東 濟南 250014；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶 400037)

?

淺埋煤層地質控制因素瓦斯動力災害發生機理研究

張淑同1，楊志恒2，傅道春1，王 波3

(1.山東交通學院交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.山東財經大學 區域經濟研究院， 山東 濟南 250014；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶 400037)

以某礦淺埋松軟煤層在瓦斯較低的條件下發生的瓦斯動力現象事故為背景，研究事故發生的機理及預防措施。研究表明：事故的發生由地質因素起主控作用，淺埋巨厚頂板、大面積采空區、正斷層形成的“孤島區”結構為事故的發生提供了應力條件；“孤島區”內淺埋巨厚頂板沿煤層垂直方向產生的應力，為煤體破壞、瓦斯動力現象的孕育提供了條件，沿傾斜方向的應力，為事故煤層及煤體的拋出提供了彈性能；煤層瓦斯解吸速度快、低透氣性、松軟結構、厚度變化大的特征，為事故的發生提供了良好的瓦斯條件。根據事故發生的機理，提出了從地質構造賦存、高地應力、瓦斯三個方面進行災害預防的方法。

淺埋煤層；地質構造；孤島結構；瓦斯動力現象

煤與瓦斯突出是發生在煤礦中的一種極其復雜的動力現象[1]，具有發生時間短、噴出大量瓦斯及碎煤、煤體中形成特殊形狀的孔洞、造成一定的動力效應的特點。自從1834年3月22日，在法國盧瓦爾(Loire)煤田以薩克(Issac)煤礦急傾斜厚煤層平巷掘進工作面發生第一次有記載的煤與瓦斯突出事故以來，已有二十多個國家和地區發生過煤與瓦斯突出[2-6]。我國于1950年4月20日在遼源礦務局富國礦的西二坑煤巷掘進工作面發生首次煤與瓦斯突出[5]，此后隨著開采深度的增加煤與瓦斯災害日趨嚴重，目前我國煤與瓦斯突出事故約占全球煤與瓦斯突出事故的1/3[7]，已成為煤與瓦斯突出災害最嚴重的國家之一。

從世界上首例有記載的煤與瓦斯突出事故發生開始，前蘇聯、日本、烏克蘭、中國、捷克、波蘭和德國等近20個國家學者開展了煤與瓦斯突出發生機理的研究工作，取得了豐碩的成果[8]，相繼提出了瓦斯主導作用假說、地應力主導作用假說、化學本質假說等[3，5]。目前，國內外學者對于突出機理的認識已經統一到綜合假說上，認為突出是由地應力、瓦斯壓力和煤的力學性質綜合作用的結果[9-11]，我國學者在試驗研究的基礎上提出了眾多假說，如周世寧、何學秋[12-13]提出了“流變假說”、蔣承林、俞啟香[14-15]提出了“球殼失穩假說”、胡千庭等[16-19]提出了“煤與瓦斯突出的力學作用機理”等理論，并針對由瓦斯主導的煤與瓦斯突出制定了多以瓦斯為主的預測指標和防治措施，有效遏制了煤與瓦斯突出事故的發生。

2011年11月15日，某淺埋煤層掘進工作面發生較大瓦斯動力災害事故，事故導致6名工人死亡，造成直接經濟損失300多萬元。本文根據瓦斯動力災害事故調查分析及現場地質條件等資料，研究本次事故掘進工作面含瓦斯煤層賦存、地質構造、采掘空間巖層結構，分析發生瓦斯動力現象的應力條件、瓦斯異常涌出來源、煤體失穩原因，得出本次事故瓦斯動力現象發生的機理，提出了類似條件下的瓦斯動力災害危險性預測方法，為災害防治供科學依據。

1 概 況

1.1 事故區域概況

事故礦井所采煤層為上二疊系吳家坪組中上部的吳家坪煤層，煤層厚度0～3m，平均0.47m，為單一煤層開采，采用長壁后退式采煤法、爆破落煤工藝，自然垮落法管理頂板。煤層偽頂為厚0～0.2m的黑色炭質頁巖，直接頂厚平均107m，為條帶狀含燧石灰巖、灰黃色泥質粉砂巖。底板為灰黃色塊狀粘土巖、白色泥質粉砂巖、鋁質泥巖及灰色含植物根部化石泥巖，煤層頂板穩定性較好，底板遇水易膨脹，礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井。

事故發生地點為+750m水平東一煤上山93m處掘進工作面，標高+795m，埋深約120m。東一煤上山巷高1.5m，頂寬1.6m，底寬2.4m，梯形木支架支護；上山0～45m段坡度24°左右，45～59m段坡度28°左右，59～93m段坡度26°左右；上山0～7m范圍內煤厚1.3m、7～26m段煤厚0.3m、26～41m段煤厚0.5m、41～93m段煤厚0.8～1.2m。上山20～69m段頂板有淋水或滴水。事故地點東部有F6正斷層，落差5～6m，西部有F5正斷層，落差為3～5m，南部+900～+1130m范圍為采空區。

事故地點巷道布置如圖1所示，東一煤上山剖面見圖2。

圖1 事故地點周邊采掘情況

圖2 東一煤上山剖面圖

1.2 瓦斯動力災害事故概況

本次瓦斯動力災害事故發生于2011年11月15日14時，共涌出煤巖量151t，導致6人死亡，事故發生后巷道兩側可見堆積粉末煤，堆積煤具有明顯的分選性；煤堆積坡度小于自然安息角；涌出瓦斯量1200m3；+750m水平采區軌道上山+800m標高車場內兩處支架斷裂，東一煤上山下部有支架歪倒現象。上山內20～69m段頂板有淋水或滴水，58～62m段巷道內堆積的粉煤已成煤泥、煤漿。

2 瓦斯動力災害應力條件

發生本次瓦斯動力現象的礦井瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為0.5m3/min，實測煤層瓦斯含量為3.33m3/t，瓦斯動力現象噸煤瓦斯涌出量僅7.95m3/t，遠低于典型煤與瓦斯突出噸煤瓦斯涌出量30m3/t，瓦斯含量較低，瓦斯動力災害的能量主要來源于地質因素引起的應力。

2.1 地質因素及采空區引起垂直方向應力集中

本次事故煤層頂板平均厚度為107m，事故發生地點埋深約為120m。由于煤層開采厚度小、埋深較淺且上覆巖層結構完整，因此，事故發生地點南部+900～+1130m范圍的采空區內頂板難以垮落，易于形成固支結構。在事故發生地點東部F6正斷層、西部F5正斷層的切割作用下，在事故發生地點所在區域形成了巨厚頂板的兩端固支結構，如圖3所示，由斷層、巨厚頂板及大范圍采空區形成的上覆巖層兩端固支結構，易于呈現臺階下沉，對瓦斯動力災害事故應力集中起主導作用。

圖3 地質因素及大范圍采空區引起的淺埋上覆巖層兩端固支結構

采空區傾斜長約500m、走向長560～680m，屬大范圍采空區；本次事故發生區域煤層埋深較淺、巨厚上覆巖層結構完整，在斷層的切割下形成了“孤島區”(如圖4所示)，上覆巖層的自重完全由采空區兩端煤體支承，在煤體上形成了支承壓力區，造成應力集中。由于采空區范圍較大、為淺埋“孤島區”，易于形成臺階下沉，且煤體強度較低(煤的堅固性系數f僅為0.16)，造成支承壓力分布范圍廣、應力集中大。

圖4 斷層切割與采空區形成的“孤島區”結構示意圖

事故發生地點煤層上支承壓力σ由兩部分組成，見式(1)。

σ=σ空+σq

(1)

式中：σ空為采空區內懸空厚巖層傳遞到煤體上的支承壓力；σq為事故發生地點上覆巖層自重產生的支承壓力。

2.2 煤層傾角引起沿傾斜方向應力集中

發生本次瓦斯動力現象的煤層傾角平均約為26°，事故發生地點位于采空區下水平，采空區內懸空的上覆巖層巖對事故地點煤層產生沿傾斜方向的應力作用。另外，事故地點與采空區之間的上覆巖層也會對事故地點的煤體產生沿傾斜方向力應力作用。

因此，事故發生地點煤層沿傾斜方向的壓力σZ也由兩部分組成，見式(2)。

(2)

本次瓦斯動力現象沿煤層的傾斜方向發生，沿傾斜方向的集中應力為突出煤層的彈性潛能積聚提供了良好的條件，為瓦斯動力現象的發動、發展提供了能量來源。

3 瓦斯涌出來源分析

瓦斯是煤與瓦斯的能量來源和基礎，在瓦斯動力現象過程中參與煤體的破碎，又是拋出煤體的主要動力[16]。本次瓦斯動力現象涌出瓦斯涌出瓦斯量1200m3，噸煤瓦斯涌出量7.9m3/t。

1)煤層變厚。根據已有的突出統計資料，煤層厚度和傾角變化地質構造易于發生瓦斯動力現象，當煤層厚度增大時單位斷面煤量增加，瓦斯含量相應增加，瓦斯動力現象次數及突出強度均呈現增大趨勢[16]。事故發生礦井的吳家坪煤層厚度平均0.47m，+750m水平東一煤上山事故發生地點煤層厚度變為1.2m，為瓦斯動力現象的發生提供了瓦斯條件。

2)煤層軟透氣性差。松軟煤層瓦斯難以放散，尤其是當外載荷較大時，松軟煤層中的孔裂隙更容易閉合，使得煤層中的瓦斯難以放散，瓦斯壓力梯度大，瓦斯動力現象的危險性就越高。該礦吳家坪煤層較軟，實測煤的堅固性系數f僅為0.16，煤的破壞類型為IV類，較差的煤層透氣性導致瓦斯不易散逸，為突出的發生提供了良好的瓦斯壓力梯度。

3)瓦斯放散初速度大。實測該礦吳家坪煤層瓦斯放散初速Δp值高達61mmHg，說明煤層初始解吸瓦斯速度快，當煤層卸壓后能夠將吸附態瓦斯迅速解吸為游離態瓦斯，拋出煤巖及伴隨煤巖涌出。

4 預防措施

4.1 預測指標

本次事故礦井2008年、2009年瓦斯等級鑒定均為低瓦斯礦井，未采取區域預測措施，采用鉆屑瓦斯解吸指標△h2作為日常預測指標。礦方在生產過程中測定的△h2指標值處于0～8mmH2O之間，遠小于《防治煤與瓦斯突出規定》推薦的20mmH2O的臨界值，現有瓦斯指標及推薦臨界值均已失效。

1)區域預測方法采用實測煤層瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數、煤的破壞類型等指標，進行綜合分析的方式預測瓦斯動力災害的危險性。

2)工作面預測指標采用綜合反映地應力、瓦斯的復合指標預測瓦斯動力災害的危險性。

3)針對礦井或采區的實際，進行預測指標臨界值的考察，以便保證預測的針對性與準確性。

4.2 防治措施

1)掌握井田范圍內地質構造賦存情況，對于工作面內存在高應力帶的區域，堅持先卸壓，后回采。

2)采掘過程中當出現噴孔、頂鉆、卡鉆、冒頂等瓦斯地質異常變化或瓦斯動力現象時應采取措施。

3)采用邊探邊掘的方法進行地質構造探測，確保與地質構造破壞帶法向距離不小于20m。

4)堅持區域防突措施先行、局部防突措施補充的原則，做到采掘工作“不掘突出頭，不采突出面”。

5)在巷道交岔處、構造變化帶及地壓增大帶，加強支護，防止煤體片幫、垮塌失穩引起煤與瓦斯突出。

5 結 論

1)本次瓦斯動力現象的發生由地質因素起主導作用，淺埋巨厚頂板、大面積采空區、斷層形成的“孤島區”賦存結構為瓦斯動力現象的發生提供了應力條件。

2)大范圍采空區內淺埋巨厚頂板沿煤層垂直方向產生的應力，對煤體進行了破壞，為瓦斯動力現象的發生提供了孕育條件。

3)瓦斯動力現象發生煤層傾角較大，采空區內淺埋巨厚頂板自重沿煤層傾斜方向產生的應力，對突出煤層提供了彈性能，為煤體的拋出提供了能量。

[1] 于不凡.煤和瓦斯突出機理[M].北京：煤炭工業出版社，1985：1-2.

[2] 中國礦業學院通風安全教研室瓦斯組.煤和瓦斯突出的防治[M].北京：煤炭工業出版社，1979：2-4.

[3] 李希建，林柏泉.煤與瓦斯突出機理研究現狀及分析[J].煤田地質與勘探，2010，38(1)：7-13.

[4] 鄧濤.含瓦斯煤巖卸圍壓實驗及上解放層解放范圍的研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[5] 孫文革，李純寶.煤與瓦斯突出機理研究現狀[J].山東煤炭科技，2009 (6)：163-165.

[6] 孫葉，譚成軒，孫煒鋒，等.煤瓦斯突出研究現狀及其研究方向探討[J].地質力學學報，2008，14(2)：117-134.

[7] Norbert Skoczylas.Laboratory study of the phenomenon of methane and coal outburst[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2012，55：102-107.

[8] 張春華，劉澤功.實驗室煤與瓦斯突出模擬試驗回顧及展望[J].中國安全科學學報，2011，21(3)：48-53.

[9] 孟祥躍，丁雁生，陳力，等.煤與瓦斯突出的二維模擬實驗研究[J].煤炭學報，1996，21(1)：57-62.

[10] 蔡成功.煤與瓦斯突出三維模擬實驗研究[J].煤炭學報，2004，29(1)：66-69.

[11] 鄧全封，欒永祥，王佑安.煤與瓦斯突出模擬試驗[J].煤礦安全，1989，20(11)：6-11.

[12] 周世寧，何學秋.煤和瓦斯突出機理的流變假說[J].中國礦業大學學報，1990，19(2)：1-8.

[13] He Xueqiu，Zhou Shining.Rheological hypothesis of coal and gas outburst mechanism[J].Journal of China University of Mining & Technology，1994，4(1)：15-23.

[14] 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出機理的球殼失穩假說[J].煤礦安全，1995 (2)：17-25.

[15] 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩機理及防治技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，1998：157-201.

[16] 胡千庭，文光才.煤與瓦斯突出的力學作用機理[M].北京：科學出版社，2013：227-305.

[17] 胡千庭.煤與瓦斯突出的力學作用機理及應用研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2007.

[18] 金洪偉.煤與瓦斯突出發展階段煤的破壞機理研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2012.

[19] 唐俊，蔣承林，李曉偉，等.煤與瓦斯突出機理與突出預測的關系及研究進展[J].煤礦安全，2016，47(4)：186-190.

Study on the mechanism of coal and gas outburst caused by geological factors in shallow seam

ZHANG Shu-tong1，YANG Zhi-heng2，FU Dao-chun1，WANG Bo3

(1.Institute of Traffic and Civil Engineering，Shandong Jiaotong University，Jinan 250357，China； 2.Regional Economy Institute，Shandong University of Finance and Economics，Jinan 250014，China； 3.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

The mechanism and prevention of coal and gas outburst are investigated based on a rare coal and gas outburst accident in which the seam is shallow，soft，and lows gas.The results show that the accident caused by geological factors.The island area constituted by shallow and extremely thick roof，large area gob，and normal fault provides stress conditions for the accident.Vertical stress caused by the extremely thick roof’s weight in the island area provides stress condition for coal seam damage and pregnant of the accident.Stress along the oblique direction provides ballistic performance for accident seam and throw coal.Such characteristics of coal seam as large gas desorption speed，low permeability，soft structure，thickness provides gas condition.According to the mechanism of the accident，the accident prevent and control methods is put forward which should prevent and control from the aspects of geological storage，high stress，gas.

shallow seam；geological structure；island structure；coal and gas outburst

2016-03-28

國家自然科學基金(面上)項目資助(編號：51574280)

張淑同(1979-)，男，博士，副教授，主要從事煤巖瓦斯動力災害防治、工程建設安全管理方面的教學與研究工作。E-mail：zstsdust@hotmail.com。

TD713

A

1004-4051(2016)11-112-04