浅析西马煤矿煤与瓦斯突出同地质因素的关系

沈煤科技浅析西马煤矿煤与瓦斯突出同地质因素的关系高永奎 王瑞 郝居秋 肖森（沈煤集团西马煤矿）摘要：本文介绍了西马煤矿地质构造的概况，着重分析了煤与瓦斯突出同地质构造的关系、煤层的埋藏深度与突出的关系、煤的变质程度与突出的关系、煤层厚度及其变化与突出的关系、煤层和煤质特性与突出关系、煤层顶板特征与突出的关系，为安全生产提供了保障和有力的技术支持。关键词：地质构造 煤与瓦斯突出 向斜西马煤矿位于辽河平原的东侧,红阳煤田的南端,该井田系一完整的不对称倾伏向斜,轴向为 N30 度40 度 E。西 马煤矿现在开采南一区。南一区为西马煤矿的首采区,该区总体上是由两个向斜构造组成的,一个是该区南部的开阔向斜,轴向为 S75 度85 度 E;一个是该区北部的闭合向斜,轴向为 N45 度 E,除此之外,南一区的主要构造是滑动构造和底凸,主采层是 12 煤和 13 煤,这两个煤层均为石炭系的太原组。12 煤为复合煤层,含夹石 1-2 层,纯煤厚度平均为 1.9 米。13 煤为单 一煤层,平均厚度为 0.8 米。12 煤的伪顶和直接顶为海相泥岩,平均厚度为 5.9 米,老顶为砂岩。直接底为泥质粉砂岩,含大量的植物化石,平均厚度为 0.8 米。老底为砂岩。13 煤直接顶为 砂岩,老顶也是砂岩,直接底为泥岩,老底为砂岩。根据地质报告,西马煤矿属于高沼气矿井,该矿从 1989 年 12 月投产以来,共发生煤与瓦斯突出 200 多次,通过对大量的突出资料统计分析,西马煤矿煤与瓦斯突出与地质因素有非常密切的联系,现简述如下:一、 煤与瓦斯突出同地质构造的关系（一）、 褶曲构造在南一区的开阔向斜是一个不协调褶皱，向斜的北翼煤层发生了强烈的揉皱现象，煤分层发生了层间滑动，煤层结 构遭到破坏，煤 层产状和煤层厚度变化大，滑 动构造和底凸比较多，在采掘过程中，发生在该向斜轴部的煤与瓦斯突出共 18 次，向斜北翼（南翼 现还没开采）发生 144 次煤与瓦斯突出，全矿井共发生 200 多次，有 162 次突出与此向斜构造有联系,因此,褶曲构造对煤与瓦斯突出有着非常密切的联系。既向斜轴部及两翼易发生煤与瓦斯突出。（二）、 滑动构造西马矿的 12 煤滑动构造非常多，由于滑动构造的影响，使 12 煤的顶板有时插入到煤层中，有 时形成顶断底不断的 现象，从而使煤 层局部增后或变薄，煤 层结构发生变化。有滑动构造造成顶板的断裂端和收敛端煤层变厚，中间变薄，同时使煤体变软、破碎，由于煤 层的部位中的瓦斯聚集起来，因此煤层厚的部位就成了煤包和瓦斯包，当采掘工程揭露这些部位时，就容易导致煤与瓦斯的突出如图 1 所示。同时由于滑动构造引起的煤层顶板断裂是隐伏，其上伏岩层为很厚而坚硬的泥岩，使断裂端和收敛端具有一定的潜性潜压，煤层由于顶板断裂滑动的推挤，使两端形成了瓦斯2聚集和储存的良好场所，其他应力未被释放而较活跃，容易导致瓦斯突出。西 马煤矿发生在滑动构造部位的煤与瓦斯突出达 96 次，占全矿总数的 45.7%。图 2易 突 部 位断 裂 端收 敛 端易 突 部 位 12煤 滑 动 构 造 易 突 部 位 剖 面 示 意 图图 1底 凸 易 突 部 位 剖 面 示 意 图易 突 部 位易 突 部 位（三）、 底凸底凸也是西马煤矿常见的构造之一，底凸造成煤层局部变薄和变厚，在底凸的顶端，煤层变薄，底凸的外延部分煤 层增厚。煤 层变薄的部位，阻碍了瓦斯的正常运移，使煤层增厚部位就形成了瓦斯聚集和储存的良好场所，形成了瓦斯包，因此当采掘工程揭露这些部位时，就容易导致瓦斯突出。如图 2 所示。西 马煤矿发 生的与底凸有关系的突出 105 次，占全矿总数的 50%。二、 煤层的埋藏深度与突出的关系煤层的埋藏深度越深，地层重力越大，突出的可能性也越大，西 马煤矿的始突深度为253 米。地 层重力是铅直方向的，它是由上覆地层的厚度与密度决定的，通常以岩石的平均密度计算。由于煤和岩石是 弹性塑性体，重力的垂直压缩可以在水平方向产生一个派生力，3岩石塑性越显著，水平方向的派生力越大，因此一般随着煤层的埋藏深度的增加，突出次数增多，强度加大。西马煤矿当采至垂深 260 米时，最大突出强度 93 吨，突出次数 57 次，当采至垂深 290 米时，最大突出强度 177 吨，突出次数为 81 次，当采至垂深 320 米时最大突出强度 220 吨，当采至垂深 410 米时。最大突出 强度为 856 吨，有此可 见随着煤层埋藏深度的增加，突出次数增加，强度也加大。三、 煤的变质程度与突出的关系沈煤集团由沈南各矿区到沈北各矿区，变质程度是由高变质到低变质，其突出程度有强突出到不突出，西马煤矿为 高变质的无烟煤矿，通过投产以来的生产实践证明，高 变质无烟煤具有一定的突出危险程度，由此可见，突出的危险程度随变质程度的增高而增加，绝大多数的突出发生于高变质煤中。四、 煤层厚度及其变化与突出的关系通过西马矿的生产实践，可以充分说明，突出与煤厚变化密切相关，全 矿共发生 200多次突出有 160 次与煤厚变化有关，其中在煤层增厚情况下更易突出。通过实践，煤厚及其变化与突出的关系是：在厚度较稳定的煤层中，煤与瓦斯突出的危险程度决定于煤层厚度，一般煤层厚度越大，突出的危险程度越大。西 马 煤矿所发生的 200 多次突出均发生在12 煤中。而 13 煤从未发生 过突出，其主要原因是 12 煤的厚度大于 13 煤厚度(12 煤的厚度是 13 煤厚度的 2-3 倍) 。同一煤层中厚度大的块段比厚度小的块段突出的危险性大，被薄煤所包围的厚煤带更易突出。西马矿发生在厚煤中的突出次数高达 143 次。五、 煤层和煤质特性与突出关系（一）、西马煤矿共发生 200 多次突出，有 178 次发生在构造煤中，占总次数的 84.8%，因此突出多发生在构造煤当中，构造煤是煤体受后期构造破坏的产物，其主要特性是煤的原生构造已遭破坏，层理紊乱，煤质松软。煤体破坏程度反映着构造 应力的相对大小，研究构造煤的厚度变化，分布规 律及其特征，有助于推 测 煤于瓦斯突出和对突出机理的研究。 （二）、西马矿有 208 次突出发生在软分层中，占 总数的 99%，由此可 见，煤与瓦斯突出多发生在硬度较小的软分层中，并且软分层的厚度越大突出的危险性就越大。（三）、西马煤矿突出的主要部位是南一区中、南部，并且越往南突出的 频度越高，而北部从未发生过突出。通过对 煤质化验的结果分析发现，南一区南部的灰分为 11.6327.98%，而北部的灰分为 24.9439.5%。因此突出的危险程度与煤的灰分含量成反比关系，灰分越高，突出的危险性越小。究其原因是：1、煤层 中的灰分相对减少了生成瓦斯的物质，据有关质料查证，一吨无烟煤可生成 400 立方米的瓦斯，若灰分增加 20%，则只生成 320立方米瓦斯。2、灰分占据了煤物质的部分空隙，从而降低了煤的吸附能力。3、灰分增加了煤的强度，从而起到“阻突”作用，至于煤层灰分含量达到多少才不会引起突出，有待于今后进一步研究。六、 煤层顶板特征与突出的关系煤层顶板的特征直接影响煤层中瓦斯的聚集和散逸。南一区南部向斜地区发生煤与瓦4斯突出比较严重，而北部的向斜地区从未发生过突出，瓦斯涌出量也远远少于南部向斜地区。除了煤质因素外，为此又进行了井下实际观察发现，南一区北部向斜地区， 12 煤顶板节理普遍比较发育，节理数为 13 条/平方米，并且具有垂直裂隙，顶板也比较破碎；而南一区南部向斜地区，12 煤顶板节理数为 01 条/平方米，并且不具有垂直裂隙，顶板也较北部稳定，由此可见，南一区北部向斜地区同南部向斜地区相比，北部向斜地区 12 煤顶板具有一定的开放性，煤层及围岩中的瓦斯，通 过节理裂隙而散发出去，相反，南一区南部 12煤顶板具有一定的封闭性，这就是南一区北部向斜地区从未发生过煤与瓦斯突出的原因所在，因此在向斜轴部及两翼易发生突出的概念之上，首先要分析煤层顶板的开放性，即煤层顶板特征分析。所以煤层顶板的封闭程度与突出密切相关。另外西马煤矿现回采 12 煤和 13 煤，在采动过程中发现，13 煤瓦斯涌出量少于 12 煤，并且 13 煤从未发生过突出，分析其原因，除了 13 煤厚度普遍比 12 煤薄之外，更主要的原因是 13 煤的煤层顶板为透气性较强的砂岩，不利于瓦斯的保存，而 12 煤的顶板为一层较厚的海相泥岩，透气性差，有