煤礦地質構造與瓦斯災害的預測分析

楊 鑫

(山西陽泉煤業(集團)有限責任公司二礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

經過多年的研究和實踐，在煤礦開采領域，已經歸納總結出礦井瓦斯量與煤層瓦斯賦存狀態和礦區地質構造等情況具有一定的因果關聯。礦井安全生產有序地開展必須要先期對礦區地質構造進行了解，并完成對煤體斷裂或者碎裂情況、構造應力以及殘余應力的具體參數進行分析，從而獲知瓦斯賦存情況、采取有針對性地措施消除隱患，確保后續生產安全。

1 礦區地質構造分析

對于礦區地質構造分析來說，需要從地形構造、煤層分布以及深部預測等幾個方面入手。本文結合礦區的地理特征開展地質構造的分析，從而簡要概述地質構造的分析方法。

1.1 礦區控制性構造分布特征

對于山西的煤炭礦區來說，秦嶺的造山運動是使其形成構造分布和區域性構造的重要條件，因此礦區所在山區的演化受到了秦嶺造山帶變化的影響。因此從構造演化過程來看，礦區主要構造應當具備向斜、斷裂、背斜、逆斷層等十分顯著的地質特征。針對這一特點，本文選取了李口向斜、竹園逆斷層、郭莊背斜、洛崗斷裂等具有代表性的構造特征進行了分析，并從傾角、落差以及影響等方面作了對比分析。從中可以看出，地質構造的變化，導致控制性構造會對礦區煤層產生直接影響。就礦井的特點來說，除了具有礦區級別構造的礦井之外，其余多為以小型斷層、褶曲為采掘工作面構造的大中型礦井。

礦區構造煤分布特征：就礦區已經開采的13#煤層的礦井中，15#～17#煤層中可以看出煤層厚度的變化存在一定的規律。例如井田己組煤層，普遍存在構造煤，并能夠以下謝正斷層、紫云寺正斷層作為主要分界線，劃分為東西兩個區域。其中東區域構造煤層較厚，分層明顯，破壞較為嚴重。而西區域構造煤幾乎沒有發育，分層模糊不清，主要以原生結構煤為主，厚度在0.3～0.7 m區間，如圖1所示。

構造煤發育特征：礦區的構造煤發育特征具有多層性、選層型以及分區分帶性的主要特征。其中多層性主要是指在煤層發育中呈現出層發育的軟-硬-軟三層構造特征，并且煤層位置十分穩定，其中破壞類型和厚度在不同的區域中擁有較為明顯的區別。選層型則表現為一定厚度的構造煤發育十分復雜，以致于出現大規模的原生構造煤，并凸顯出清晰的界限。分區分帶的特性則表現在不同的開采組別之中存在著十分顯著的層位、厚度、區劃的區別。以戊組和己組為例，其中，戊組表現為剖面3層構造，且原生構造煤接觸滑動面不發育，而己組則構造煤發育，同時破壞類型豐富[1]。

圖1 煤層分布特點

1.2 礦區深部構造預測

通過對于開采區的煤層構造規律特點的總結，可以斷定構造煤的分布與構造分區之間存在一定的關聯，因此在構造分區中，對于深部構造進行預測，便有了理論性的依據。在同一構造分區當中，會受到相同的地質構造控制作用，因此深部構造與開采區煤層構造應當具有一致性的規律，依照力學理論和模擬方法，可以對未開采區的背斜翼部構造煤情況進行預測，并判定其發育現狀和發育規律，從而可繪制構造分區的構造煤分布圖。

2 瓦斯賦存與瓦斯災害預測

2.1 煤層瓦斯賦存特征分析

礦井13#煤所在的李口向斜沿礦區東部處于李口的西南方向收斂，因此可判定次級褶曲十分發育，使其構造應力增加，同時加速構造煤的發育。與此同時，在構造演化過程當中，向斜的中和面上層會由于受到嚴重擠壓而出現不發育裂隙現象，并以李口向斜的軸部為深部，進行深度埋藏。隨著地質發展，上層基巖覆蓋越來越深，使其內部瓦斯生成且不會擴散。而相對應的西部礦井則會隨著地質變動逐漸遠離李口向斜的軸部，因此李口向斜的構造不會對西部礦井產生影響。由此可以獲知，李口向斜的地質構造會促使東部礦井出現瓦斯含量、瓦斯壓力明顯大于西部礦井的特征，且瓦斯賦存極具規律。由于受到李口向斜的控制，斷裂構造和褶皺構造會形成東北方向為主的背向斜平行的特點，并據此出現了如鍋底山、牛莊的斷裂地質構造和郭莊、白石山的褶皺構造。同時受到斷層封閉的影響，埋藏深度以及上層巖石控制，使得瓦斯含量十分巨大，且涌出量變化較為穩定[2]。其中，上部戊組煤層瓦斯已經出現了大規模的逸散，因此瓦斯含量小于己組。

2.2 構造煤與瓦斯富集

隨著地質變化，構造應力會不斷作用于煤炭分層，并發生擠壓、破碎和流變。在煤巖的原生結構當中，構造煤往往表現為光澤暗淡、呈現出棱角狀和板裝特征，且已經遭受到嚴重破壞。因此在研究過程中通常并不視其具有危險性。但在對礦區中不同層位的原煤和構造煤進行采集中可以發現不同煤體之間裂隙缺乏連通性，無法使瓦斯從中流動。由于構造煤受到的地質變化破壞作用，使得構造煤的裂隙和孔隙更加發達，同時比表面積也隨之增大，通過實驗，可以看出構造煤會對瓦斯起到物理化學作用和吸附作用，因此在礦區煤層當中，富含構造煤的煤層相較于原生煤來說，會擁有更多的瓦斯富集。

2.3 瓦斯突出地質單元劃分

為了控制煤與瓦斯突出的發生，將地質構造中地應力、構造煤和瓦斯分布進行總結，從而制定出瓦斯地質單元。仍以李口向斜為例，在李口向斜北東翼，可以判定為褶皺緊閉的斷裂構造，且以褶皺構造的控制為主，層滑構造發育，同時煤層遭受過嚴重破壞，瓦斯壓力大，地應力高。因此可根據特點進行瓦斯突出類型構造的劃分，可分為垂直應力區、構造應力區、高構造應力區等不同的地質單元[3]。

3 避免瓦斯災害的預防策略

在確定開采區礦井內部具有較為富集的瓦斯賦存，同時該區域發生過多次瓦斯突出現象，就需要制定有針對性的策略，以保證生產安全。

3.1 確保礦井通風條件

需要保證礦井內部的通風條件。從前文的論述中可以看出，瓦斯賦存的相對富集主要是由于構造煤具有較強的吸附力和地質構造發展過程中造成了巖層的厚度，無法使瓦斯得到逸散，因此在煤礦生產中，需要著重注意礦井內部的通風，避免瓦斯濃度達到臨界點，例如采用機械通風、安排通風筒等，但需要時刻注意通風量和風速的控制[4]。

3.2 禁止火源產生

在礦井當中要嚴格禁止明火火源，尤其在機械操作當中，需要避免不良操作帶來的設備過熱，甚至產生火星。除此之外，還要將先進的生產技術應用到煤礦生產工作當中，利用煤礦瓦斯全自動檢測裝置提升瓦斯檢測能力，及時發現瓦斯超標泄露問題。

3.3 防突解突措施

依據不同的地質單元劃分，主動采取釋放應力的解突措施，如開采解放層或瓦斯予抽的區域性措施；加強微震監測和井下防突管理；實施打瓦斯鉆孔或震動性放炮的局部解突措施等。

4 結語

對于煤礦的瓦斯控制是提升生產安全的關鍵。對于煤礦來說，瓦斯賦存富集的主要原因還是在于構造煤的大量發育，雖然目前學術界對于構造煤的定義尚未形成統一意見，但不可否認，由于破碎和孔隙造成的煤炭對于瓦斯的吸附作用是影響煤礦生產安全的重要方面[5]，因此需要通過對煤礦區地質特征進行分析，從而判斷礦區中瓦斯富集的具體情況，及時采取消除隱患的安全措施。