背斜對煤礦災害的控制作用研究

金明方，李松營，王恩營

（1.義馬煤業集團股份有限公司 地質研究所，河南 義馬 472300；2.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454010）

我國煤礦開采深度以平均10～20 m/a的速度增加[1-2]，地質條件日趨復雜，礦井災害頻發，以突出災害最為嚴重。目前煤與瓦斯突出機理以瓦斯假說、地應力假說、化學本質假說和綜合假說為代表[3-7]，其中綜合假說得到國內外專家的廣泛認同。大量研究證實煤與瓦斯突出的危險性與地質構造復雜程度密切相關[7-12]。而褶皺構造是自然界最為常見的地質構造，對煤層地應力、瓦斯和煤體結構均有較強影響，對煤與瓦斯突出具有較好的控制作用。不同應力及構造煤分布也對突出產生影響，擠壓構造帶是構造煤的主要分布區[13]，因此，在褶皺構造內部，發生煤與瓦斯突出的幾率也不相同。另，不具有自燃傾向的煤層難以發生自燃，但在背斜構造軸部，由于構造熱在一定程度上改變了煤質，其幾何形態又有利于熱量的積聚，可能發生煤層自燃事故[14]。

1 義安背斜概況

義安礦業主采二1煤屬于豫西“三軟煤層”，埋深超過600 m，瓦斯含量及壓力較高，系煤與瓦斯突出礦井。該礦近年來雖然采用了重裝設備進行災害防治，但礦井災害仍時有發生，特別是瓦斯動力災害和煤層自燃事故，給礦井安全生產帶來了較大威脅。根據三維地震勘探成果和現場實際揭露情況分析，在該礦12采區中部分布著1個小區域性的背斜，控制工作面8～10個。其軸部區域占礦井已采掘面積不足20%，但礦井3個瓦斯異常區均分布在此處，6起煤與瓦斯突出事故4起發生在此處，2次煤層自然發火全部發生在此處，此處的斷層密度是整個礦區的39倍，通過大量數據分析可得，該背斜對這些礦井災害有較強的控制作用。義安背斜軸部災害分布如圖1。

圖1 義安背斜軸部災害分布圖

2 義安背斜對瓦斯賦存的控制

2.1 義安背斜應力分析

1）背斜構造演化力學分析。一般煤與瓦斯突出大多發生在褶曲的軸部，這是因為地殼擠壓運動使褶曲兩翼存在1個壓應力p1；當地殼運動停止后，煤層有恢復原狀的趨勢，產生1個拉應力p2，則背斜軸部勢必存在1個潛能p3（可認為是兩側p2的合力（圖2）），其方向來自頂板[15]。這種來自頂板的地應力，在一定程度上會封閉圍巖中的裂隙，造成瓦斯不易散逸；同時會壓縮煤體的孔隙和裂隙，造成較高的瓦斯壓力。

圖2 背斜受力示意圖

2）背斜中和面上、下力學分析。褶皺中和面上下受力分析、產狀和構造如圖3。由圖3可知，背斜外凸的一側受到平行于彎曲弧的引張而拉伸，內凹一側則受到平行與彎曲弧的擠壓而壓縮，二者之間有一個既無拉伸也無壓縮的無應變的中和面[16]。中和面上下的應力正好相反，因此若為塑性巖層（特別是煤層），則在背斜上層會變薄，在背斜下層會變厚（圖3（b））；若為脆性巖層則會在背斜上層產生楔狀張性裂面或在背斜下層產生壓剪性斷層[17]（圖3（c））。

圖3 褶皺中和面上下受力分析、產狀和構造

3）義安背斜定性描述。背斜區域內二1煤層等厚線如圖4。由圖4可知，義安背斜的控煤作用非常顯著，其軸部煤層變厚，最厚處達16.7 m，向兩翼逐漸變薄至3 m。可見，在義安背斜區域內，二1煤層應該位于中和面以下，受到強烈的擠壓應力作用。因此，義安背斜應為彎流作用形成的縱彎褶皺，二1煤層在背斜區域內受到強烈的擠壓應力作用，軸部煤層變厚，兩翼變薄[18]；同時受到頂板指向核部的應力作用，地應力較大。

圖4 背斜區域內二1煤層等厚線圖

2.2 義安背斜對瓦斯的控制作用

1）義安背斜控制煤厚對瓦斯的影響。一般而言，在其他條件相同的情況下，煤厚大的區域瓦斯含量也相對偏大，煤層厚度與瓦斯含量表現為正相關的特點[19]。在對義安背斜區域內工作面瓦斯含量進行統計分析可知，義安背斜使小區域內煤層厚度產生了有規律的變化，而煤厚又影響了瓦斯的賦存，煤厚與瓦斯含量呈正相關（圖5）。

圖5 煤層厚度與瓦斯含量關系圖

2）義安背斜控制富水性對瓦斯的影響。水文地質條件控氣作用有水力運移散逸作用、水力封閉和水力封堵作用[20]，取決于地下水的補、徑、排條件及其與煤層之間的水力聯系。二1煤直接頂板大占砂巖為承壓裂隙含水層，富水性極不均一。而在義安背斜區域內，煤巖層的彎曲必然引起層內各部質點的相對變位和應變，頂板層間滑動在翼部可能產生節理、破碎帶或劈理，在拐點處最強[21]。通過義安背斜區域內斷層帶分布圖（圖6）可以看出，在距離背斜軸部120 m左右的拐點附近出現了斷層群，可以印證此點。而義安背斜翼部密布的斷裂構造會導致該區域裂隙連通性更好，使富水性變強。在位于義安背斜軸部的12080工作面涌水量較少，而在其一翼展布的工作面水量均較大（12060屬于薄煤帶，未回采），與煤層有較好的水力聯系。由于裂隙的導通作用，在漫長的地質年代中地下水會不斷溶解煤層中的瓦斯并排泄，使翼部瓦斯含量降低。在義安背斜控制范圍內，涌水量與瓦斯含量正相關（圖7）。

圖6 義安背斜區域二1煤層斷層帶及突出點分布圖

圖7 12采區工作面原始瓦斯含量與涌水量關系圖

3）義安背斜區域瓦斯賦存規律。義安背斜在彎流作用下煤層由兩翼向軸部流動，造成軸部煤層變厚，兩翼變薄。厚煤層不但可以積聚更多的瓦斯，而其本身透氣性差也對瓦斯起到了封蓋作用；構造運動中產生的構造煤增加了煤層的比表面積，使煤層的儲氣能力增強。而背斜軸部較兩翼富水性差，也更有利于瓦斯的保存，因此在背斜軸部瓦斯較為富集，向兩翼逐漸減少，義安背斜軸部區域瓦斯含量等值線圖如圖8，背斜軸部瓦斯含量分布圖如圖9）。

圖8 義安背斜軸部區域瓦斯含量等值線圖

圖9 背斜軸部瓦斯含量分布圖

3 義安背斜對煤與瓦斯突出的控制

煤與瓦斯突出主要受到地應力、瓦斯和煤體結構的影響。在此以200701#煤與瓦斯突出為例進行分析。

3.1 地應力對煤與瓦斯突出的控制

義安背斜區域內，二1煤層位于中和面以下，受到強烈的擠壓應力和來自頂板向下的壓力，地應力較強，而軸部范圍內沒有揭露大量的斷層，說明此處地應力保存完好。在200701#煤與瓦斯突出中，突出的巖石量約占總突出體積的40%，且巖石噴出最遠近30 m。如此高比例的巖石量以及噴出距離，說明此處的地應力較大，在突出的瞬間通過彈性變形集中釋放，破壞了大量的圍巖，隨后在地應力和瓦斯的雙重作用下將煤與破碎的巖石噴出，該煤與瓦斯突出事故中地應力發揮了重要的作用。

3.2 瓦斯含量及壓力對煤與瓦斯突出的控制

義安背斜控煤作用使軸部煤層及頂板泥巖變厚，不但增加了瓦斯含量同時也對瓦斯起到封閉作用，阻止瓦斯的散逸，使瓦斯的壓力含量均較高且不均衡。其較高的瓦斯含量填充裂隙產生膨脹能（瓦斯壓力），阻止裂隙在高地應力作用下閉合并對煤體質點起到潤滑作用，在突出的激發、發展過程中均起到了較大的作用。其較強的搬運能力可以維持較高的瓦斯壓力梯度，使突出不斷的向縱深發展。該突出區域在煤層較薄的情況下能夠發生如此大規模的突出，與瓦斯壓力和含量均有較大關系。

3.3 煤體結構對煤與瓦斯突出的控制

義安背斜對煤體結構的控制主要體現在煤層產狀和構造煤上。在義安背斜區域內發生的4起煤與瓦斯突出事故中，2起煤層傾角大于10°，另2起受到底板起伏和沖刷的影響。且4次突出中3次煤層厚度超過6 m（最厚處為9.7 m，義安礦業平均煤厚4.15 m），可見義安背斜對煤與瓦斯突出具有較強的控制作用，200701#煤與瓦斯突出地點剖面圖如圖10。由圖10可以看出，200701#煤與瓦斯突出發生在義安背斜轉折端，煤層坡度16°，煤層在突出點突然變厚（突出孔洞內煤厚2.1 m），且具有分叉和揉搓形態，這樣不但突然增加了瓦斯含量和壓力，也為煤與瓦斯突出提供了突出窗口，減小了煤與瓦斯突出的阻力，使煤與瓦斯突出更容易發生。

圖10 200701#煤與瓦斯突出地點剖面圖

4 義安背斜對自燃發火的控制

義安礦業主采煤層二1煤層為不易自燃煤層，但在義安背斜軸部范圍內發生2起自燃事故（義安礦業共發生2起自燃事故），且均發生在脊線附近（圖1），可見義安背斜對煤層自燃有較好的控制作用。

煤層自燃需要有3個條件：自燃煤層、氧氣、高溫。二1煤層屬于不易自燃煤層，但是在義安背斜構造熱的作用下可能導致煤質發生變化而向易自燃煤層轉化；煤層在彎流作用下會產生流劈理和破劈理，增加煤層空隙度，提高比表面積，使氧氣能夠更好的與煤體接觸、氧化；而義安背斜的幾何形態（圖11），較厚的煤層和泥巖頂板以及較少的涌水量導致了熱量可以在穹窿頂部大量聚集不易散失，為煤體自燃提供了較好的條件。

圖11 背斜幾何形態對煤層自燃的影響

5 結論

1）義安背斜對煤層及瓦斯的賦存均有明顯的影響，在背斜的軸部附近，煤層較厚，瓦斯含量較高，向兩翼逐漸降低。

2）義安背斜對區域內地應力、瓦斯和煤體結構均有較好的控制作用，在瓦斯釋放條件差和煤體結構差異較大的地區，更易發生煤與瓦斯突出事故。

3）受構造作用影響，位于義安背斜軸部的二1煤層地質條件發生了較大變化，導致此區域內煤層自燃事故、瓦斯及煤與瓦斯突出災害多發。因此進入背斜軸部區域，在瓦斯抽放、區域防突措施和防治自燃發火方面要采取更加嚴格的措施，確保煤礦安全生產。