新景礦煤與瓦斯突出危險性預測研究

查文鋒

(陽煤集團 地質測量部,山西 陽泉 045000)

新景礦井田面積為64.747 7 km2,開采深度由+850 m～+230 m標高,批準生產規模580萬t/a,現階段設計主采煤層有3號、8號、15號煤層,井田為瓦斯突出礦井。

隨著煤礦采區不斷開拓,煤與瓦斯突出的致災性,已嚴重影響了煤礦安全、高效生產。之前的研究表明影響煤與瓦斯突出的因素主要為地應力、瓦斯含量,高地應力環境使瓦斯壓力和瓦斯含量增加,從而增加了突出的動力,總體上高地應力環境下含瓦斯煤體更容易出現失穩破壞，發生煤與瓦斯突出。含煤地層在高構造應力作用下形成高的瓦斯壓力,在強烈構造運動作用下形成的構造煤具有強度低、瓦斯吸附和放散能力強等特點,地應力對煤體結構和瓦斯壓力均起到控制作用,可以認為地應力在突出災害中起主導控制作用,是煤體破壞的主要動力。因此,在研究區開展地應力、瓦斯賦存影響因素研究,最終完成煤與瓦斯突出危險性預測,對礦井預防瓦斯事故意義重大,同時對礦井安全高效生產有巨大的經濟效益和社會效益。

1 研究區概況

1.1 瓦斯地質概況

新景礦井田3#煤層為瓦斯突出煤層,礦井瓦斯來自本煤層和開采層的鄰近層(煤層和含有機質的圍巖)。據有關單位統計測定,鄰近層涌入開采層的瓦斯占礦井瓦斯涌出總量的50%～70%,而對于開采強度較大的綜采工作面此現象更為明顯。

根據新景礦提供的最新資料(截至2017年3月底),研究區3#煤層瓦斯含量為10 m3/t～30 m3/t,分布特征大致表現為研究區中部偏東側-東北角含量高、東南角略高,中部偏西-西北、南部地段較低,其高值區大致呈NE-SW條帶狀分布;瓦斯壓力為0.4 MPa～2.4 MPa,瓦斯絕對涌出量為6 m3/min～26 m3/min,瓦斯壓力和瓦斯絕對涌出量的分布特征與瓦斯含量類似。

1.2 實測地應力特征

陽煤集團與有關單位合作,運用小孔徑水壓致裂地應力測量儀對主要生產礦井國陽一礦、國陽二礦、陽煤五礦和新景礦進行了地應力的測試工作,獲得了研究區及其鄰近礦區的地應力數據(如表1所示)。其中在新景煤礦測試采用水壓致裂法進行地應力測量,采用鉆孔觸探法進行頂板以上10 m范圍內和對應的煤幫10 m范圍內的煤巖體強度測試,采用孔壁觀察法對頂板巖層分布情況和結構進行觀測。

表1 陽泉礦區地應力測試成果Table 1 Ground stress test results in Yangquan mining area

表1中第11測點、第12測點位置大致在新景礦東區,第13測點位于8#煤北三補軌200 m處,測點所在處巷道沿8#煤層頂板掘進,測點埋深約468 m。第14測點位于8#煤北三正巷100 m處,沿8#煤層頂板掘進,測點埋深約465 m。

根據研究區及其鄰近礦井的地應力測試成果(剔除了個別異常數據),可以看出垂直應力和最大水平應力的大小一般隨深度遞增,具有較好的線性關系，見圖1。

圖1 研究區地應力與深度的相關性Fig.1 Relationship between ground stress and buried depth in the mining area

2 主采煤層地應力場特征

根據研究區地層、構造特征,建立二維剖面地質模型,依據有限元原理,結合數值模擬軟件進行地應力模擬計算。以主采煤層3#煤作為目標層位,取煤層底板的節點數據,繪制表征研究區地應力場特征的有關圖件。

2.1 地應力模擬成果檢驗

根據研究區內的地應力實測成果,對最大水平主應力進行檢驗。13測點:測深454 m,最大水平主應力15.23 MPa;14測點:測深447 m,最大水平主應力12.77 MPa;平均測深:450.5 m,最大水平主應力平均值14.0 MPa。

根據3號煤層底板等高線圖,13、14測點處地面標高約983.45 m(鉆孔3-73孔口標高),底板標高530 m,底板埋深453.45 m。測點的平均測深與3#煤層底板埋深近似一致。考慮到地應力實測值自身的偏差,以及數值模擬中巖石組合、約束條件等簡化造成的偏差,該結果應屬于正常偏差范圍,因此認為模擬結果可以接受。

2.2 地應力分布的主控因素

研究區地應力分區性較明顯,現以3#煤層底板為例,分析影響地應力分布的主控因素。

首先,地應力場是一個空間場,除了區域地應力背景之外,影響地應力分布的主要因素包括埋深、巖石組合的力學性質和地質構造等,而巖石組合只是在垂向上發生變化,對于煤層底板而言,其巖石力學性質基本不變,因此可以排除巖石組合的因素。

其次,研究區的地應力場分布特征具有較明顯的方向性,應力的高值區總體上均為NE-SW走向條帶狀分布,與區內主體褶皺軸的走向基本一致,比如:高值區A、B處于三條NE-SW向褶皺軸之間,兩向斜夾一背斜,中間的背斜軸即為應力集中區見圖2所示。

圖2 3#煤層底板地應力場與構造的關系Fig.2 Relationship between ground stress field and structure of the floor in No.3 coal seam

第三,研究區疊加褶皺及其發育,除NE-SW向褶皺外,還有一組近EW向的褶皺發育(個別為NEE-SWW向),兩組褶皺疊加,走向大角度斜交。褶皺的疊加作用顯然導致了應力的降低,比如:低值區D發育多條近EW向褶皺,而該區是整個研究區內最大的地應力低值區,EW向褶皺最密集的東南角亦是地應力最小值所在地段,見圖2所示。

第四,埋深是影響地應力的重要因素,從前文的地應力實測成果分析中,即可看出無論是垂向應力,還是水平主應力,均隨著埋深的增大而增加。研究區內西北地段的煤層底板等高線顯示,該地段煤層底板埋深最淺,因此,盡管該地段也是NE-SW向褶皺發育區,且無疊加褶皺發育,但低值區C分布在該地段顯然是受埋深太淺的影響。

綜上所述,研究區內的地應力分布特征主要受埋深與構造的控制。

3 研究區瓦斯賦存的主要影響因素

3.1 埋深

瓦斯含量與煤層埋深的相關性是比較顯著的,因為隨著煤層埋深的增加,溫度、壓力隨之增大,有利于瓦斯的吸附,因此瓦斯含量與煤層埋深一般呈正相關關系。

新景礦在生產過程中統計了工作面的瓦斯涌出量,在剔除褶皺軸部、斷層、沖刷面等異常影響因素后,編制了3#煤層瓦斯相對涌出量與底板標高的相關性散點圖，見圖3。由圖3可以看出,3#煤層的瓦斯涌出量隨著底板標高的增加呈遞減的趨勢。

圖3 3#煤層瓦斯相對涌出量與埋深關系Fig.3 Relationship between relative gas outburst quantity and buried depth in No.3 coal seam

3.2 構造及陷落柱

構造改造作用破壞了煤層的原始產狀,一般不利于瓦斯的保存,尤其是斷層構造。新景礦已采區查明的斷層絕大多數為落差5 m以下的小斷層,盡管研究區尚未開采,亦可推測斷層發育特征相似,因此,斷層構造對研究區瓦斯賦存的影響相對較小。

研究區的褶皺構造發育程度較為顯著,且具疊加作用,對煤層底板形態影響較大,但研究區瓦斯的賦存特征與褶皺發育條件匹配性不明顯,因此,褶皺構造形態并未直接控制研究區瓦斯的分布格局。

現有的勘探成果顯示,研究區的低瓦斯區陷落柱較為發育,故認為研究區陷落柱的發育造成了瓦斯的逸散,不利于瓦斯賦存。

3.3 圍巖封閉性

通過統計研究區鉆孔資料,繪制了研究區3#煤層頂板泥巖厚度等值線圖,并疊加了瓦斯含量分區圖，見圖4。

圖4 3#煤層頂板泥巖厚度等值線與瓦斯含量分區圖Fig.4 Mud rock thickness contour and gas content zones of the roof in No.3 coal seam

對比瓦斯含量分區情況與煤層頂板泥巖厚度,可以看出一定厚度的頂板泥巖對瓦斯賦存具有一定的封閉作用,研究區的中-高瓦斯區,煤層頂板泥巖厚度一般均大于1 m,普遍都在3 m以上,而低瓦斯區頂板泥巖厚度則相對較薄,說明研究區煤層頂板泥巖的封閉性是影響瓦斯賦存的主要因素之一。

4 煤與瓦斯突出危險區預測

通過研究地應力分布特征及瓦斯賦存主要影響因素,綜合評價和預測研究區煤與瓦斯突出危險性。

在地應力場的等效應力等值線圖中,綜合考慮應力數值及應力梯度大小,將低于14 MPa區域劃分為低應力區,將大于等于14 MPa的應力區域劃分為高應力區。

在瓦斯含量等值線圖中,將低于10 m3/t的區域劃分為低瓦斯區,將大于等于20 m3/t的區域劃分為高瓦斯區,兩者之間為中等瓦斯區。將構造煤破壞值分區、高地應力分區和中-高瓦斯含量分區進行疊加,據此圈定研究區煤與瓦斯突出危險區，見圖5。

圖5 研究區煤與瓦斯危險性分區圖Fig.5 Coal and gas outburst risk zones in the mining area

煤與瓦斯突出的影響因素較為復雜,在礦井深部及構造較為復雜的區域仍應引起重視,應該按照《防治煤與瓦斯突出規定》的相關要求,制定相應的區域和局部綜合防突措施,加強煤與瓦斯突出的預測預報工作,防止煤與瓦斯突出事故的發生。

5 結論

在總結研究區的礦井地質條件和瓦斯賦存條件的基礎上,分析了新景礦及鄰近礦區的地應力實測成果,通過建立二維地質模型,運用有限元法模擬了研究區的地應力分布,得到了研究區主采煤層底板的地應力場,并在綜合地應力、瓦斯賦存影響因素的基礎上,預測了研究區煤與瓦斯突出的危險性。主要取得了以下成果:

1)在分析區域現代地應力場的基礎上,結合研究區已有的地應力實測數據,通過有限元數值模擬方法,獲得了研究區3#和15#煤層底板的地應力分布特征,探討了地應力的主要影響因素。

2)分析了研究區埋深、礦井構造及圍巖封閉性對瓦斯賦存的影響,綜合地應力、瓦斯賦存各項影響因素等條件,評價了研究區煤與瓦斯突出危險性。