陳四樓煤礦煤與瓦斯突出原因及防治措施研究

王 偉，陳培紅，劉德成

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南永城 476600）

煤與瓦斯突出（簡稱“突出”）是煤礦井下一種復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害，突出發(fā)生受地質(zhì)因素和工程因素的共同影響，隨著開采強(qiáng)度增加，礦井煤與瓦斯突出傾向性增大，是煤礦安全生產(chǎn)中的重點(diǎn)災(zāi)害[1-2]。在煤與瓦斯突出特征分析的基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者提出了“瓦斯地質(zhì)區(qū)劃論”，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)條件控制了突出分布的分區(qū)分帶性特征[3]；郭德勇等研究了地質(zhì)構(gòu)造對突出的控制作用，并提出構(gòu)造組合、構(gòu)造應(yīng)力場、構(gòu)造煤和煤層瓦斯等煤與瓦斯突出構(gòu)造物理環(huán)境四因素的共同作用控制了突出的發(fā)生[4-5]；劉咸衛(wèi)等通過對多個(gè)礦區(qū)突出事故的統(tǒng)計(jì)分析，指出正斷層上盤為突出發(fā)生的主要區(qū)域[6]；張子敏等運(yùn)用瓦斯地質(zhì)理論分析了大平煤礦突出的地質(zhì)原因，認(rèn)為多期地質(zhì)構(gòu)造的疊加，造成煤體結(jié)構(gòu)破壞，是突出發(fā)生的重要原因[7]；朱興珊等系統(tǒng)分析了構(gòu)造應(yīng)力場及其演化對煤與瓦斯突出的作用，指出現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場直接參與突出過程[8]；王漢鵬等分析了吸附氣體對突出能量的影響，指出煤體吸附瓦斯含量越大，突出風(fēng)險(xiǎn)及突出強(qiáng)度越大[9]。此外，井下采掘擾動(dòng)作用下，應(yīng)力升高、煤體結(jié)構(gòu)破碎，突出煤巖體的應(yīng)力和能量平衡被打破，造成結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，導(dǎo)致煤與瓦斯突出發(fā)生[10-12]。陳四樓煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，井田內(nèi)斷層大量發(fā)育，局部密度可達(dá)到100 條/km2，控制了構(gòu)造煤分布和瓦斯賦存，斷裂構(gòu)造發(fā)育的復(fù)雜性和煤與瓦斯突出發(fā)生的不確定性嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。基于此，通過對礦井突出特征的分析，進(jìn)一步探討了突出原因，并提出了針對陳四樓煤礦的綜合防治措施，為礦井煤與瓦斯突出防治提供了理論及技術(shù)支持。

1 礦井概況

陳四樓井田位于永城背斜西翼，燕山期和喜馬拉雅早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較為顯著，地層發(fā)生強(qiáng)烈的NNE 向褶皺變形，并發(fā)育NNE 向-NWW 向網(wǎng)格狀裂隙系統(tǒng)[13]，NWW 向斷層將井田分割為不同的地質(zhì)塊體，構(gòu)成了井田構(gòu)造的基本格局。礦井主采煤層為山西組二2 煤層，屬中等變質(zhì)無煙煤，平均厚度2.45 m，開采標(biāo)高為-300～-900 m；瓦斯含量0.22～11.79 m3/t，整體小于5 m3/t，呈現(xiàn)南北分異、局部富集的分布特征。2015 年4 月10 日，21210 軌道聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)施工中誤揭斷層發(fā)生煤與瓦斯突出，礦井升級為突出礦井。

2 煤與瓦斯突出特征及原因

2.1 “4·10”煤與瓦斯突出特征

“4·10”煤與瓦斯突出主要特征如下：①突出前正在揭露傾向299°、落差0.6 m 的F1212正斷層；②突出后工作面迎頭煤層內(nèi)形成長3.6～4.2 m、寬4.0～6.2 m、高1.6～2.4 m 的突出孔洞，孔洞中心線與F1212斷層走向基本一致；③突出煤量104 t，突出瓦斯量7 623 m3，屬中型突出；④突出煤整體為粉煤，偶見小煤塊和矸石，拋出煤的堆積角為30°；⑤突出點(diǎn)埋深527.3 m，標(biāo)高-492.5 m；⑥突出發(fā)生前約2 s 煤層底部發(fā)生瓦斯噴出現(xiàn)象；⑦突出區(qū)域位于F18斷層下盤的高六灣向斜東翼，NNE 向斷層大量發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，以Ⅲ、Ⅳ類構(gòu)造煤[3]為主，突出點(diǎn)附近瓦斯含量最大值為11.79 m3/t，瓦斯壓力最大值為0.75 MPa。

2.2 煤與瓦斯突出原因

2.2.1 地質(zhì)因素

1）突出點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造組合。突出點(diǎn)位于井田北部高六灣向斜東翼，該區(qū)域構(gòu)造變形強(qiáng)烈，斷層大量發(fā)育，突出點(diǎn)半徑100 m 范圍內(nèi)共有斷層9 條，均為正斷層。陳四樓煤礦“4·10”突出點(diǎn)構(gòu)造示意圖如圖1。F1212與其兩側(cè)F1204、F1209、F12010和F12011等NNE 向正斷層構(gòu)成雁列式斷層，為燕山期F18斷層左行走滑運(yùn)動(dòng)的伴生構(gòu)造；F1205、F1207和F1208斷層形態(tài)特征與雁列式斷層存在明顯差異，結(jié)合井下觀測和區(qū)域構(gòu)造演化分析，其形成時(shí)間晚于雁列式斷層。多期斷層的發(fā)育造成煤體結(jié)構(gòu)破壞，煤層透氣性較差，有利于瓦斯的保存；現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場作用下，NNE 向斷層表現(xiàn)為壓扭性，雁列式斷層長度與間距比均小于0.25，斷層巖橋區(qū)應(yīng)力集中，掘進(jìn)施工揭露斷層上盤時(shí)發(fā)生突出，突出孔洞長軸方向與F1212斷層的走向基本一致。因此，地質(zhì)構(gòu)造是控制本次突出發(fā)生的主要地質(zhì)因素。

圖1 陳四樓煤礦“4·10”突出點(diǎn)構(gòu)造示意圖Fig.1 Structure outline map of coal and gas outburst point in Chensilou Coal Mine

2）突出點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)力場。突出點(diǎn)所在區(qū)域受斷層和向斜影響，應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜，最大主應(yīng)力值為22.5～26.8 MPa，方位角為76.46°～83.77°，最大主應(yīng)力與中間應(yīng)力比值為1.32～1.42，受到較為強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力；最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值為1.93～2.11，且均接近水平方向，2 個(gè)應(yīng)力差值產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。陳四樓煤礦地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。F1212和F1204斷層構(gòu)成左行右階迭復(fù)型組合，斷層間相互作用強(qiáng)烈，巖橋區(qū)受壓剪性應(yīng)力，發(fā)生順斷層轉(zhuǎn)動(dòng)，造成結(jié)構(gòu)性變形，彈性能增加[14]。F1212斷層走向與最大主應(yīng)力軸夾角為34.78°，斷層面主應(yīng)力、剪應(yīng)力分別為16.06、-18.77 MPa，受到強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力。21210 工作面左右兩側(cè)工作面回采形成孤島工作面，工作面覆巖結(jié)構(gòu)為非對稱“T”型結(jié)構(gòu)，斷層發(fā)育造成礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，突出傾向性增大[15]。

表1 陳四樓煤礦地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 In-site stress measurement in Chensilou Coal Mine

3）突出點(diǎn)的構(gòu)造煤。受永城背斜影響，高六灣向斜東翼構(gòu)造變形強(qiáng)烈，構(gòu)造煤全層發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)從煤層中上部向頂?shù)撞坑稍Y(jié)構(gòu)煤逐漸變?yōu)樗榱衙骸⑺榱Ｃ汉兔永饷骸Ｑ懔惺綌鄬痈浇后w結(jié)構(gòu)破碎，斷層上盤煤體受揉搓和擠壓作用，發(fā)育1.2～3 m寬構(gòu)造煤，煤體結(jié)構(gòu)呈揉皺構(gòu)造和透鏡狀構(gòu)造，構(gòu)造煤的普氏系數(shù)f、瓦斯放散初速度△p 和瓦斯吸附常數(shù)a 與原生結(jié)構(gòu)煤存在較大差異。陳四樓煤礦不同結(jié)構(gòu)煤體特征參數(shù)見表2。構(gòu)造煤發(fā)育造成煤體強(qiáng)度降低，降低了突出的力學(xué)條件；高應(yīng)力作用下，煤體滲透率降低，內(nèi)能增加，形成瓦斯突出煤體，提供了突出的物質(zhì)基礎(chǔ)[16]。原生結(jié)構(gòu)煤強(qiáng)度較高，所需破碎比功增加，較低的瓦斯解吸速度和較高的滲透率無法滿足搬運(yùn)功的需求，突出逐漸終止。突出孔洞形成于斷層上盤構(gòu)造煤內(nèi)，孔洞里端煤壁為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，可見，構(gòu)造煤是突出發(fā)展的必要條件。

表2 陳四樓煤礦不同結(jié)構(gòu)煤體特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of coal body of different structures in Chensilou Coal Mine

4）突出點(diǎn)的煤層瓦斯。井田內(nèi)二2 煤層瓦斯賦存受地質(zhì)構(gòu)造控制，封閉性F18斷層將高六灣向斜北段分隔為獨(dú)立的瓦斯地質(zhì)單元。突出點(diǎn)附近壓扭性雁列式斷層發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)破碎，滲透率降低，吸附能力增加，有利于瓦斯賦存；F1212斷層面發(fā)育厚3～4.5 cm 的致密糜棱煤，斷層封閉系數(shù)If為24.71，最大封閉能力超過16 MPa，具有良好的封閉性；煤層面割理和構(gòu)造裂隙走向分別為9°～18°和1°～29°，與聯(lián)絡(luò)巷高角度相交，不利于巷道前方瓦斯向掘進(jìn)空間的運(yùn)移。21210 軌道運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中絕對瓦斯涌出量最大值達(dá)0.88 m3/min，而同水平僅為0.09 m3/min；突出點(diǎn)附近瓦斯含量最大值為11.79 m3/t，瓦斯壓力最大值為0.75 MPa，超出《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的突出臨界值[17]。高瓦斯壓力造成煤基質(zhì)塊體失穩(wěn)，煤體瓦斯膨脹能增加[12]；該起突出瓦斯膨脹能為1.5×106kJ/t，煤體移動(dòng)功1.25×106kJ/t，揭露斷層破壞了原有的壓力環(huán)境，煤層瓦斯快速解吸并向掘進(jìn)空間釋放，提供了突出的直接動(dòng)力。

2.2.2 采掘工程因素

突出發(fā)生前，21210 軌道運(yùn)輸巷已完成施工，聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)15 m 即發(fā)生突出，可見巷道掘進(jìn)造成的采動(dòng)應(yīng)力是突出發(fā)生的重要誘導(dǎo)因素。

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征和巷道布置情況，建立突出區(qū)域幾何模型，斷層單元彈性模量取30 MPa，泊松比取0.3；其它單元彈性模量取3 000 MPa，泊松比取0.3；地應(yīng)力為10 MPa，獲取聯(lián)絡(luò)巷施工前后最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力云圖。

陳四樓煤礦21210 軌道聯(lián)絡(luò)巷施工前后最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布特征如圖2。聯(lián)絡(luò)巷施工前，應(yīng)力場分布受斷層影響，極值區(qū)均位于斷層端部，最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力在F1212斷層中部均較低，普遍低于4.0 MPa 和1.0 MPa；施工后，極值區(qū)均位于巷道與F1212斷層交匯區(qū)，最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力顯著增加，局部達(dá)到20 MPa，聯(lián)絡(luò)巷近垂直揭露F1212斷層導(dǎo)致應(yīng)力場重新分布，造成煤體結(jié)構(gòu)破壞，為突出提供了直接的動(dòng)力。雁列部位應(yīng)力呈擠壓狀態(tài)，順斷層產(chǎn)生剪應(yīng)力分量，巖橋區(qū)穩(wěn)定性較差。揭露斷層導(dǎo)致斷層面主應(yīng)力和剪應(yīng)力的集中，斷層轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)，儲(chǔ)存于巖橋區(qū)的瓦斯內(nèi)能和彈性能快速釋放，突出孔洞中心線與F1212斷層走向基本一致，孔洞右深左淺。

圖2 陳四樓煤礦21210 軌道聯(lián)絡(luò)巷施工前后最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布特征Fig.2 Distribution characteristics of maximum principal stress and maximum shear stress before and after construction

此外，受施工工序影響，工作面前方煤體處于“采掘卸壓-應(yīng)力前移-應(yīng)力集中”的循環(huán)加載-卸載狀態(tài)，隨著巷道采動(dòng)應(yīng)力峰值到工作面距離的減小，前方煤體應(yīng)力峰值迅速增加，超過煤體強(qiáng)度發(fā)生塑性變形，應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移并逐漸衰減[10]。相較于3 m/d 的人工掘進(jìn)速度，8 m/d 的綜掘速度導(dǎo)致應(yīng)力前移速度增加，由于峰值應(yīng)力衰減速度遠(yuǎn)小于峰值應(yīng)力上升速度，極限平衡區(qū)內(nèi)疊加的峰值應(yīng)力不斷加載到前方已損傷的煤體上。斷層上盤裂隙發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)破碎，承載能力較差，應(yīng)力集中導(dǎo)致斷層活化，端頭煤壁被壓垮失穩(wěn)，進(jìn)而誘發(fā)突出。

3 瓦斯綜合防治措施

3.1 加強(qiáng)斷層預(yù)測

受早燕山期盤古寺-豐沛斷裂左行走滑控制，井田內(nèi)發(fā)育F13、F18等NWW 向走滑斷層和高六灣向斜、周莊向斜等NNE 向次級褶皺，向斜東翼發(fā)育多組雁列斷層；中新生代伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，NNE 向-NWW 向網(wǎng)格狀裂隙系統(tǒng)，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場作用下，分別呈壓扭性和張扭性，控制了局部瓦斯富集和突出發(fā)生。陳四樓煤礦F18斷層兩側(cè)走滑構(gòu)造如圖3。

圖3 陳四樓煤礦F18 斷層兩側(cè)走滑構(gòu)造示意圖Fig.3 Diagram of strike-slip structure near F18 strike-slip fault

根據(jù)大中型NNW 向走滑斷層及其影響區(qū)域內(nèi)斷層發(fā)育特征，將井田劃分為10 個(gè)地質(zhì)單元。封閉性雁列式斷層主要發(fā)育于向斜東翼，展布方向?yàn)镹NE 向，斷層長度與間距比為0.04～0.17。選取斷層傾向、傾角和落差為影響因素，建立了雁列式斷層預(yù)測模型。井下觀測顯示，受斷層牽引作用控制，靠近斷層方向，煤巖結(jié)構(gòu)破碎、裂隙大量發(fā)育，裂隙性質(zhì)由壓扭性向張性、再到壓扭性轉(zhuǎn)化，頂板可見“Z”字型追蹤張裂隙；采用盒維數(shù)對煤層中部硬煤分層內(nèi)裂隙發(fā)育特征進(jìn)行定量表征，NNE 向斷層10 m 內(nèi)分維值均大于1.2；分別以裂隙分維值和追蹤張裂隙為定量和定性指標(biāo)，建立了基于裂隙分形維數(shù)的井下斷層預(yù)測方法，防止誤揭斷層的發(fā)生。

3.2 建立煤與瓦斯突出預(yù)警體系

該礦位于嵩（箕）徐（淮）隆起帶上的伸展型構(gòu)造區(qū)內(nèi)，燕山期巖漿活動(dòng)導(dǎo)致二2 煤層變質(zhì)程度增加，瓦斯大量生成，后期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)造成上覆巖層剝蝕嚴(yán)重，瓦斯含量整體較低；但局部受壓扭性斷層控制，提供了有利于瓦斯富集和突出發(fā)生的地質(zhì)條件。在瓦斯含量影響因素分析的基礎(chǔ)上，選取煤層埋深、煤厚、頂板巖性、斷層復(fù)雜程度和褶皺復(fù)雜程度為影響因素，建立了瓦斯含量預(yù)測模型，預(yù)測值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)R 為0.989 8，可對瓦斯富集區(qū)進(jìn)行有效識(shí)別。根據(jù)礦井煤與瓦斯突出構(gòu)造物理環(huán)境研究，結(jié)合日常防突管理經(jīng)驗(yàn)，選取對封閉性斷層和突出均敏感的瓦斯含量、鉆孔瓦斯涌出初速度和鉆屑量為突出預(yù)測指標(biāo)。綜合應(yīng)用WP-1 型井下瓦斯含量快速測定儀、GTC 型瓦斯含量測試儀、鉆孔瓦斯涌出初速度測定裝置等儀器，建立了井下指標(biāo)快速測試工藝和數(shù)據(jù)上報(bào)制度，結(jié)合已安裝的KJ70X 型安全監(jiān)測系統(tǒng)、井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)和GIS 技術(shù)，“點(diǎn)面結(jié)合”實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出的實(shí)時(shí)預(yù)測預(yù)警，確定突出危險(xiǎn)性等級，并及時(shí)采取有效的防治措施，防止事故發(fā)生。

3.3 強(qiáng)化瓦斯抽采

井田內(nèi)二2 煤層中上部向頂?shù)撞坑稍Y(jié)構(gòu)煤逐漸過渡為碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，構(gòu)造煤厚度為0～1.92 m，部分正斷層上盤煤體變形強(qiáng)烈，構(gòu)造煤整層發(fā)育。二2 煤層井下測試滲透率為0.124×10-15～0.163 10-15m2，鉆孔瓦斯抽采半徑為3 m，水力沖孔和水力壓裂增透半徑分別為8、30 m，施工后增透效果顯著。陳四樓煤礦21210 工作面水力壓裂增透前后抽采孔內(nèi)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比如圖4。

圖4 陳四樓煤礦21210 工作面水力壓裂增透前后抽采孔內(nèi)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比Fig.4 Comparison of average gas volume fraction of hole in the investigated area during hydraulic fracturing in 21210 working face

井田內(nèi)斷裂構(gòu)造大量發(fā)育，局部受封閉性斷層影響，常規(guī)抽采消突作業(yè)效果有限，為保障采掘作業(yè)安全，在水力壓裂增透的基礎(chǔ)上，對斷層兩側(cè)煤體開展高壓水力沖孔增透措施作業(yè)，采用“進(jìn)割軟層，退割全層”沖孔增透工藝，以期實(shí)現(xiàn)有效消突。在21210 工作面開展工程試驗(yàn)，由工作面底抽巷向斷層兩側(cè)3 m（斷層兩側(cè)構(gòu)造煤寬度普遍低于3 m）、尖滅端前10 m 范圍內(nèi)煤層分別間距12 m 和3 m布置水力沖孔鉆孔和抽采鉆孔；在其它區(qū)域以間距50 m 和5 m 布置壓裂鉆孔和抽采鉆孔。經(jīng)120 d 瓦斯預(yù)抽且突出驗(yàn)證達(dá)標(biāo)后，施工21210 運(yùn)輸巷，現(xiàn)已掘進(jìn)378 m。掘進(jìn)過程中選用鉆孔瓦斯涌出初速度q 和鉆屑量Smax為超前預(yù)測指標(biāo)，鉆孔瓦斯涌出初速度測試基本為0，鉆屑量為2.8～4.8 kg/m，未出現(xiàn)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，已達(dá)到消突效果。陳四樓煤礦21210 運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面鉆屑量變化趨勢如圖5。

圖5 陳四樓煤礦21210 運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面鉆屑量變化趨勢Fig.5 Variation trend of drilling cuttings value in 21210 working face

4 結(jié) 語

1）對礦井煤與瓦斯突出特征和原因分析表明，壓扭性雁列式斷層引起剪應(yīng)力集中，造成巖橋區(qū)結(jié)構(gòu)性變形，破壞煤體結(jié)構(gòu)，促使瓦斯富集，提供了突出所需的彈性內(nèi)能和瓦斯膨脹能，是控制煤與瓦斯突出的主要地質(zhì)因素。

2）掘進(jìn)揭露斷層導(dǎo)致巷道與斷層交匯區(qū)應(yīng)力集中，不僅為煤與瓦斯突出提供了動(dòng)力，而且造成斷層活化，端頭煤壁被壓垮失穩(wěn)，誘導(dǎo)了突出的發(fā)生。

3）在煤與瓦斯突出原因分析的基礎(chǔ)上，提出了加強(qiáng)斷層預(yù)測、建立煤與瓦斯突出預(yù)警體系及強(qiáng)化瓦斯抽采等措施，保障了礦井安全生產(chǎn)。