煤層中的低滲透斷裂帶—煤與瓦斯突出事故的案例研究

王 越，張 為，劉亮亮，李德慧，張江華

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室， 山西 晉城 048012； 2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000； 3.晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司， 山西 晉城 048006)

構(gòu)造煤是指煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生擠壓、剪切、變形、破壞或強(qiáng)烈的韌塑性變形及流變遷移的產(chǎn)物,絕大多數(shù)煤與瓦斯突出事故地點都是有構(gòu)造煤發(fā)育的[1-2]. 經(jīng)過地質(zhì)構(gòu)造演化，構(gòu)造煤中發(fā)育由扭壓性斷裂帶形成的瓦斯隔離帶，稱這些斷裂帶為低滲透斷裂帶。我國煤層普遍屬于低滲透煤層，隨著礦井開采向深部延伸，煤層由于受高地應(yīng)力的影響，其滲透率非常低，而在這些低滲透煤層中可能存在一些低滲透斷層[3]，一般發(fā)育在逆平移斷層或逆斷層的上盤。低滲透斷裂帶內(nèi)低滲透斷層的存在可能導(dǎo)致采掘前煤層瓦斯抽采不均衡，在低滲透斷層兩盤煤層間產(chǎn)生較大的瓦斯壓力和瓦斯含量差而誘發(fā)煤與瓦斯突出事故。

1 實例研究

某煤礦為高瓦斯突出型礦井，主要可采煤層為15和18號，核定生產(chǎn)能力300萬t/年。采用工作面沿煤層走向推進(jìn)的機(jī)械化采煤方法，立井開拓，進(jìn)回風(fēng)為設(shè)在礦區(qū)井田中央的并列式通風(fēng)，主動使直接頂自然垮落. 18號煤層平巷掘進(jìn)工作面，此巷道準(zhǔn)備穿過南14號斷層到上盤做為開采11號煤層的總機(jī)道。煤層走向NE10°，傾角20°，煤厚20 m，巷道位于煤層中間，煤層頂板為砂巖，底板為砂頁巖。目前工作面為井田深部開采，瓦斯含量高、壓力大、涌出量大。根據(jù)瓦斯壓力、瓦斯含量以及始突深度，預(yù)測18號煤層-102 m以深為突出危險區(qū)。該礦在二水平-110總機(jī)道的掘進(jìn)過程中穿18號煤層時，發(fā)生煤與瓦斯突出，突出煤量627 t，突出瓦斯量11 830 m3. 根據(jù)現(xiàn)場情況繪出突出煤層剖面圖(圖1)和突出巷道平面圖(圖2).

圖1 突出煤層剖面圖

圖2 突出巷道平面圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析結(jié)果，未探測到工作面前方有一條正斷性低滲透斷裂帶，且進(jìn)一步進(jìn)行有效瓦斯抽放導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

早白堊世到晚白堊世，礦區(qū)煤層沉積受到的主要構(gòu)造控制從燕山晚期運(yùn)動變?yōu)樘窖筮\(yùn)動，表現(xiàn)為從北北東向構(gòu)造左旋扭壓變成北北東向構(gòu)造右旋張扭，目前EW向構(gòu)造表現(xiàn)為左旋性壓扭。礦區(qū)內(nèi)NW向構(gòu)造表現(xiàn)為擠壓作用，受控于NE方向的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力，由此研究分析可知NW向的南14斷層具有明顯的壓扭性特點。按設(shè)計在18號層煤，穿煤60 m見南14號斷層，斷層落差為40～50 m，實際掘了75 m仍未見南14號斷層，只是接近于南14號斷層。根據(jù)井下現(xiàn)場觀察，斷裂帶附近煤層有大量揉皺和剪切構(gòu)造破壞痕跡，形成局部構(gòu)造煤隔離帶。

北西向的南14、17斷層受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，具有一定的封閉性，影響煤層瓦斯的運(yùn)移、釋放，一定程度上控制著礦井瓦斯的分布。根據(jù)相關(guān)研究，構(gòu)造煤的形成受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力控制，煤體結(jié)構(gòu)、煤巖力學(xué)性質(zhì)、孔滲性以及對瓦斯的吸附特性等多方面性質(zhì)都與正常原生煤體有巨大差異，并且其透氣性更差。該礦煤層透氣性系數(shù)很低，在掘進(jìn)工作面由于斷裂帶附近18號煤層含有大量的構(gòu)造煤，煤層的透氣性更低，因此這個低滲透斷裂帶就具有與常規(guī)原生煤迥異的特性，易形成瓦斯?jié)B流的隔離帶，在掘進(jìn)過程中由于抽采的不均等而導(dǎo)致斷層兩盤煤層間形成高瓦斯壓力差和高瓦斯含量差[3]. 當(dāng)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)到斷層附近時，斷層另一端的高壓瓦斯由于放炮等原因的誘導(dǎo)突然釋放，導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故就成了必然結(jié)果。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

利用RFPA軟件模擬巷道掘進(jìn)工作面突出，建立數(shù)值模擬模型，該模擬的具體參數(shù)見表1.

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

具體數(shù)值模擬模型見圖3.

圖3 RFPA數(shù)值模擬示意圖

從模擬結(jié)果可以看出，第二步開挖，隨著工作面的掘進(jìn)，工作面的前方和頂?shù)装宥际峭旰玫模f明采動沒有影響到斷裂帶范圍，沒有產(chǎn)生破壞作用；隨著工作面的推進(jìn)開挖，采動的破壞范圍向前延伸，破壞范圍不斷擴(kuò)大，這個范圍之外是不受采動影響的穩(wěn)定區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)、塑性區(qū)的分布范圍和破壞應(yīng)力狀態(tài)通過采動影響單元的顏色變化體現(xiàn)。聲發(fā)射是煤巖層破壞的直接體現(xiàn)形式，隨著煤巖單元的弱化和破壞就會聲發(fā)射，開挖推進(jìn)過程中煤巖發(fā)生破壞越劇烈聲發(fā)射就越密集，當(dāng)煤巖體破壞達(dá)到一定程度后，使得其與周圍煤巖體接觸作用降低，從而使聲發(fā)射形成一定規(guī)模后漸漸降低。此時，掘進(jìn)前方的煤巖體被完全破壞，失去了支撐保護(hù)，可能造成小型突出。

巷道開挖推進(jìn)過程中煤層瓦斯壓力梯度隨著進(jìn)度的變化見圖4—7. 從圖4—7可以看出，隨著工作面推進(jìn)，煤巖層由于中應(yīng)力場的改變導(dǎo)致發(fā)生扭曲變形、斷裂，形成裂隙直至可以和斷層溝通聯(lián)系。因為巷道的掘進(jìn)導(dǎo)致斷層前方煤巖體被破壞，削弱了其支撐能力，從而使低滲透斷層另一盤的高能量瓦斯攜帶大量煤巖碎屑向工作面內(nèi)異常大量涌入，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。發(fā)生突出后，斷層另一盤煤體內(nèi)瓦斯壓力得以釋放從而形成一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 開挖第2步(1)瓦斯運(yùn)移圖

圖5 開挖第3步(1)瓦斯運(yùn)移圖

圖6 開挖第3步(7)瓦斯運(yùn)移圖

圖7 開挖第3步(14)瓦斯運(yùn)移圖

模擬結(jié)果表明，低滲透斷裂帶是煤層中瓦斯?jié)B流的天然隔離帶，使斷裂兩盤瓦斯無法自發(fā)地從一盤運(yùn)移到另一盤。井下巷道推進(jìn)具有方向性，若大巷推進(jìn)或者采煤前方存在低滲透斷層，在沒有明確勘查構(gòu)造的情況下通過常規(guī)瓦斯抽放手段進(jìn)行抽采后，容易造成煤層中瓦斯壓力和含量失穩(wěn)。就是說針對已經(jīng)實施了瓦斯抽放的一盤瓦斯壓力和含量大幅度降低，由于低滲透斷層阻斷瓦斯流通，在瓦斯抽放孔未能涉及的另一盤瓦斯壓力和含量保持不變，兩盤形成了很大的瓦斯壓力差，構(gòu)成了煤與瓦斯突出的條件。這時候采掘工作面向前推進(jìn)或者采煤，靠近低滲透斷層位置，擾動滲透斷層兩盤得以溝通，同時采掘工作面與高能瓦斯間的隔離煤巖柱不足以阻隔瓦斯壓力的釋放，瓦斯攜帶碎裂的煤巖向工作面的異常涌出，造成煤與瓦斯突出現(xiàn)象[4-5].

3 預(yù)防措施

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出》[6]，在采掘突出煤層工作面時應(yīng)先進(jìn)行工作面突出危險性預(yù)測。采用鉆探取樣、地面物探相結(jié)合探明工作面前方地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及展布情況，采用敏感性指標(biāo)和根據(jù)實際條件測定的一些輔助指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，多元化科學(xué)地深入分析研究工作區(qū)突出危險性，從而做出綜合預(yù)測和判斷。

當(dāng)采掘巷道通過存在有低滲透斷裂帶的低滲透煤巖區(qū)域時，必須嚴(yán)格遵照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求的程序進(jìn)行施工。在掘進(jìn)巷道距推測斷層一定距離時停止施工作業(yè)，并向前布置數(shù)量足夠的前探鉆孔，以掌握低滲透斷裂帶的發(fā)育情況以及斷層上下盤煤層的厚度、瓦斯含量和壓力等參數(shù)的情況。在獲取的斷層位置及相應(yīng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對煤與瓦斯突出危險性以及發(fā)生區(qū)域做出預(yù)測，針對性提出瓦斯抽放鉆孔結(jié)合其他必要的局部防突措施布置方案，通過鉆孔對低滲透性斷層兩盤進(jìn)行均衡抽放，消除煤與瓦斯突出危險，確認(rèn)實施安全防范措施后再進(jìn)行采掘揭煤工作。

4 結(jié) 語

煤礦進(jìn)入深部開采后煤與瓦斯突出事故是制約安全生產(chǎn)最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗表明，在低滲透斷層附近采掘過程中，如果不采取超前預(yù)測和探測，當(dāng)采掘巷道跨越低滲透斷層時，受斷層兩盤煤層瓦斯含量差和瓦斯壓力差，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。由此，務(wù)必科學(xué)地認(rèn)識低滲透斷裂帶以及其潛在的危險性。采掘推進(jìn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)探測掌控實際地質(zhì)情況采取必要且有效的防治措施，以消除低滲透斷層帶來的突出危險性，確保采掘工作面對低滲透斷裂帶的安全跨越，保障煤礦安全生產(chǎn)。