鹤壁矿区煤与瓦斯突出规律及其控制因素分析

1、鹤壁矿区煤与瓦斯突出规律及其控制因素分析刘彦伟, 潘 ! 辉, 刘明举, 魏建平(河南理工大学, 河南 焦作 "#"$%摘 ! 要:鹤壁矿区是煤与瓦斯突出相当严重的矿区, 其中六矿、 八矿和十矿为突出矿井, 通过对这 %个矿井先后发生的 "" 次煤与瓦斯突出事故统计分析, 进而指出了该矿区煤与瓦斯突出规律及 其控制因素。研究表明, 煤层埋藏深度、 地质构造、 构造软煤、 瓦斯等是控制鹤壁矿区煤与瓦斯突 出的主要因素。这为该矿区今后防治煤与瓦斯突出提供了理论指导, 更好地保证煤矿安全生产 的顺利进行。关键词:煤与瓦斯突出; 地质构造; 突出规律; 构造软煤

2、 中图分类号:&(%! ! ! 文献标识码:*! ! ! 文章编号:$%+",-. (/$- /+$%+$"基金项目:国家 “十五” 科技攻关项目 (/$#*01%+%+$ ; “ ,(%” 国家重点基础研究发展计划资助项目 (/$#2*/#$! ! 鹤壁矿区位于华北拗陷和太行山隆起的过渡地 带, 在太行山东麓煤田的中部, 开采对象为二叠系山 西组二 煤层。该煤层为单一结构,局部在煤层下部 见到一层炭质泥岩, 厚度 3$4#5, 煤层厚度在 41-6(4#5之间, 平均煤层厚度为 15左右, 煤层厚 度变异系数在 /$76"(417之间,属结构单一、 厚

3、度较稳定的厚煤层。煤系地层总体呈单斜构造, 走 向近南北, 倾向东, 倾角 "86("8, 矿区内断层和褶 曲较 发 育。煤 的 牌 号 为 贫 瘦 煤, 挥 发 分 "76(7, 水分 4#76/4#7, 灰分 ,767。矿区共有 1对生产矿井, 均为高瓦斯矿井, 其中 煤与瓦斯突出矿井有 %对, 分别为六、 八、 十矿, %个 矿从南向北彼此毗邻。自建局以来, 在煤矿开采过 程中, 先后共发生突出 "" 次, 主要发生在六矿、 八矿 和十矿 %对矿井, 其中鹤壁六矿发生突出 %$次, 八 矿发生突出 , 次, 十矿发生突出 #次。最大突出煤

4、 量 /%#9, 于 /$年 #月 $号发生在六矿北七一横 川 +/"(5标高处。最大突出瓦斯量 /#/$5%,于 /$/年 /月 , 号发生在六矿 /1"下顺槽 +%-/5标高。矿区内二 煤层的始突深度为 %"$5, 于 ,($年 , 月 /#号发生在六矿 %,下顺槽 +,$5标高 处。! 鹤壁矿区煤与瓦斯突出规律通过对鹤壁矿区煤与瓦斯突出情况的统计分析, 煤与瓦斯突出具有以下特征:( 以突出为主, 压出和倾出为辅。在所发生 的 "" 次突出中, %/次为典型突出, 占总突出次数的 (/4(7; (次压出, 占 #4,7; #次倾出, 占 4

5、"7, 如图 所示。图 ! 鹤壁矿区突出类型分布图! ! (/ 中、 小型突出居多。按突出煤量一般将突出分为 " 种强度类型 :! 小型突出:突出煤量 3#$9; " 中型突出:突出煤量 #$6, 9; #大型突出:突 出煤量 $6, 9; $特大型突出:突出煤量 : $9。按照该突出强度划分标准, 大型突出 , 次, 占 /$4#7; 中型突出 , 次, 占 /$4#7; 小型突出 /-次, 占 #,7。由此看出, 鹤壁矿区是以小型突出为主的矿 区, 如图 /所示。! ! (% 突出多发生在煤巷掘进工作面。通过对发 生突出的作业地点统计, 石门揭煤 1次, 占

6、14/7; 煤上山 " 次, 占 ,47; 煤下山 次, 占 /4%7; 煤巷图 !" 鹤壁矿区突出强度频度图掘进工作面 #$次, 占 %& (, 如图 #所示。图 #"突出频度与工作面类型关系图" " (* 大多数突出前均有预兆。预兆包括:构造 软煤加厚、 煤层倾角变大、 连续响煤炮、 瓦斯异常涌 出 (忽大忽小 、 打钻喷孔、 钻杆温度变凉和顶板掉 碴等。( 绝大多数突出是由放炮诱导的。 *次突出 中有 #+次是放炮诱导的, 占 ,$ , 。(+ 突出多发生在地质构造带。 *次突出中, 有 #-次突出发生在地质构造带, 占 , +

7、。突出 点无一例外地存在构造软煤分层中。(% 突出点附近的煤层具有较高的瓦斯涌出 量。如六矿始突的 $#-采面, 标高 . $-&/, 相对瓦 斯涌出量达 $- #(/#01, 而在该矿更深标高 (. !*-/ 的非突出区, 相对瓦斯涌出量仅为 $( , /#01。!" 鹤壁矿区煤与瓦斯突出的主要控制因素鹤壁矿区 *次突出的统计结果表明, 埋藏深 度、 地质构造、 构造软煤、 瓦斯等是控制鹤壁矿区煤 与瓦斯突出的主要因素。! $"埋藏深度突出是煤体弹性潜能、 瓦斯内能快速释放的结 果。一般情况下, 煤层埋藏深度越大, 煤体受到的地 应力和储存在煤层中的瓦斯压力越高,

8、 煤体中积蓄 的弹性潜能和瓦斯内能越大, 煤层发生突出的危险 性也就越大。因此, 埋藏深度是控制突出的主导因 素之一。鹤壁矿区煤层始突深度为 #*&/, 在采深 #*&2 (&&/区间, 由于突出防治力度不大、 措施不到位, 突出的频度和平均强度随开采深度的增加逐渐加 大。可以预见, 开采埋深超过 (&&/后, 瓦斯突出的 强度和频度会不断加大。当采深达到 (&&/以后, 虽然突出危险性增加, 但鹤壁矿区加大了突出防治 力度, 突出频度和平均强度逐渐降低。鹤壁矿区突 出强度和频度随埋深的变化关系见图 *。图 *"突出强度

9、和频度随埋深的变化关系! !" 地质构造鹤壁矿区 *次突出中, #-次突出发生在地质 构造附近, 地质构造主要包括断层、 褶曲、 倾角和煤 厚变化等。*次突出中有 $,次发生在断层附近 (距断层 不超过 #&/ , 占 *& - , 其中 $&&1以上的突出有 (次, 占大型突出的 ( + 。主要发生在断层尖灭 端和小断层 (断距 (/ 两侧。如在六矿北四采区 的 , 次突出中 %次发生在小断层附近。其中有 !+次突出发生在褶曲轴部, 向斜和背斜 均有发生, 且基本都发生在附近没有大断层或连通 地表断层发育的封闭性褶曲内, 这个特征在八矿得 到充分的体

10、现。八矿南翼采区同样有较多褶曲发 育, 但因受到 3(#、 3!&、 3(,等张性较大的正断层影响, 突出危险性明显减小。而只有 4型复式褶曲发育的 中央采区突出危险性就较大, 八矿 -次突出中 +次 发生在该采区。但褶曲附近有小断层发育时, 往往 是突出的多发部位, 例如六矿 !,$*工作面的 #次突 出有 ! 次属这样的情况。倾角变化对突出有较大影响。 *次突出中有 , 次突出发生在倾角剧烈变化的区域, 例如六矿南翼张庄向斜区的 ! 次突出分别发生在煤层倾角由 "#$至 %$、 !&$至 &$和 ($至 "$的变化部位。北翼 *" +*

11、向斜的 ! 次突出都发生在倾角由 (%$至 $的变 化区域。地质构造通过控制瓦斯赋存、 煤体结构类型和 构造应力来控制突出 (。从突出机理看, 地质构造 对瓦斯突出具有 ! 方面的促进作用:其一, 地质构造 区构造应力分布不均衡, 往往存在局部应力集中区, 有利于提高煤体的弹性潜能, 增加发生突出的危险 程度; 其二, 地质构造区煤体结构破坏严重, 往往伴 生着构造软煤, 煤体强度大幅度降低, 造成抵抗突出 的能力下降; 其三, 地质构造可能引起瓦斯聚集, 形 成高压瓦斯, 并且使瓦斯分布不均衡, 煤体内存在高 的瓦斯压力梯度。(,!-构造软煤构造软煤对突出的主要贡献有:削弱煤体的强 度, 减

12、小煤体抵抗突出的能力, 降低发生突出所需的 能量; 瓦斯解吸速度快, 能提供更大的瓦斯膨胀能; 连通性差, 形成高的瓦斯压力梯度, 破坏煤体, 更容 易诱导突出 ! 。从鹤壁矿区的 &&张突出卡片来看, 除 " 张突出 卡片上没有明显记载外, 其余 !. 次突出均出现过 “软煤发育” 、 “ 煤层变软” 、 “ 软煤变厚” 、 “ ! 类煤” 或 “ " 类煤” 等描述, 这说明鹤壁矿区的突出发生在 构造软煤发育区。对部分突出点附近的煤体结构参 数作了收集和测试, 见表 。表 -煤体结构参数比较表时间 地点 ! /01&" /23#/23备

13、注 .%.+#"(#%下顺槽 #,*", %*,! 非突出区 .#+#"("#"工作面 #,(!&"! 突出区 (#+#(# 上顺槽 #,("*#突出区 (#!+#&(%&下顺槽 #,*. #," 突出区-由表 可看出, 突出区软分层煤体的坚固性系 数在 #,("以下, 为碎粒煤或糜棱煤, 不但破坏级别 高, 而且构造软煤厚度较大。根据观测, 六矿 (%&下顺槽的 ! 次突出点附近, 巷道全断面为构造软煤, 厚度达 , %/以上。我国其它发生煤与瓦斯突出的 矿区, 煤层中也

14、普遍存在构造软煤, 例如, 平顶山矿 区瓦斯突出地点的构造软煤厚度一般超过 , &/。 这说明一定厚度的构造软煤发育是发生突出的必要 条件。(,&-瓦斯赋存瓦斯富集是突出的能量来源和基础条件, 在突 出过程中, 瓦斯产生的膨胀能不但参与了破坏煤体, 而且是搬运破碎煤体, 促进突出向深部发展的主要 动力 &。鹤壁矿区二煤层突出区具有始突点瓦斯含量 大特征。根据文献 , 对于煤厚 4&," /的煤层, 回采顶分层时的平均相对瓦斯涌出量与瓦斯含量的 比值大约为 , " 。六矿始突点 !. 工作面顶分层相 对瓦斯涌出量为 ., !(/! 56, 由此

15、反算出 !. 工作 面的瓦斯含量大约为 (,%/! 56, 同标高的 (%#%工 作面突出点附近, 瓦斯含量实测为 (, /! 56。八 矿始突点为 (&# 四横川, 瓦斯含量为 !, " /! 56, 瓦 斯压力为 #,*782。十矿目前最浅的一次突出瓦斯 含量为 !, " /! 56。由此看出, 鹤壁矿区各突出矿 井的始突点瓦斯含量均在 (/! 56以上。到目前为止, 六矿北四采区 +&#/标高以浅 的突出区, 瓦斯含量为 (, 9*,.%/! 56, 瓦斯涌 出量 4., !(/! 56。八矿南翼采区 +&#/标高以 浅的突出区瓦斯含量为 !,

16、 " 9(#/! 56。十矿 +""# /标高以浅的突出区内瓦斯含量为 !, " 9&,#& /! 56, 瓦斯压力为 (, 782。这说明当瓦斯含量 4(/! 56时, 有可能发生突出。(,"-作业工艺作业工艺是发生突出的外因, 对突出具有诱导 作用。鹤壁矿区在放炮、 水枪落煤、 手镐作业、 打钻 扩孔等作业工艺过程中均诱导过突出。在各类可以 诱导突出的作业方式中, 放炮落煤诱导突出的次数 最多, 共诱导突出 (.次, 占总突出次数的 ", . :, 水枪落煤作业位居第二, 共诱导突出 *次, 占总突出 次数的 &q

17、uot;,. :。!-结 -论( 控制鹤壁矿区煤与瓦斯突出的自然因素有 煤层埋藏深度、 地质构造、 构造软煤和瓦斯赋存等, 其中地质构造通过控制地应力、 构造软煤和瓦斯的 分布来控制突出的分布。从鹤壁矿区突出实例也可 看出地质构造附近容易发生突出, 但并非所有地质 构造附近都是突出的多发地段, 有些地方正因为有 地质构造存在而不发生突出。因此, 不同类型、 不同 规模的构造对突出的影响有很大差别, 但对突出均 有控制作用, 且有规律可循。( 突出与煤层埋藏深度、 构造软煤和瓦斯赋 存等密切相关, 发生突出的频度和强度随埋深、 构造 软煤破坏类型、 瓦斯富集程度增高而增高 。结合前神东矿区煤层自

18、然发火综合防治技术尤文顺 ! , 亓中立 "(!#中国神华集团公司 生产与装备部, 北京 !$!; "#中国矿业大学, 江苏 徐州 ""!$%摘 &要:简要介绍了神东矿区的基本情况, 对煤层自燃倾向性、 自燃气体产物, 自燃条件等进行了 分析与研究; 着重论述了 “降压防火” 、 “ 以快治火” 、 “ 以砂防火” 的思想和技术, 成功地研究了山 砂稠化剂, 开发了地面相对固定、 井下灵活移动注浆 (山砂 生产工艺及配套设备, 实现了高产高 效矿井建设与煤炭自燃发火防治工作的完美结合。关键词:降压防火; 以快防火; 以砂防火中图分类号:(*+&q

19、uot;#"&&&文献标识码:,&&&文章编号:!$-. /012("$1 !" . $!1. $/!&神东矿区基本概况神东矿区位于陕西省榆林市北部和内蒙古自治 区鄂尔多斯市南部地区, 矿区属典型的半干旱、 半沙 漠高原大陆性气候。煤层形成于侏罗纪, 煤层地质 构造简单, 赋存稳定, 倾角 !34-3, 属近水平煤层。 主要可采煤层平均厚度 /415, 煤层硬度大 (! ( - , 韧性高 (韧性系数达 % , 埋藏浅 (-$4"-$5 , 易开采, 适合建设特大型高产高效矿井。煤炭质量 优良, 属

20、低灰、 低硫、 低磷、 高挥发份、 中高发热量, 煤 种为长焰煤和不粘结煤。神东矿区经历了 !0%*. !0%0年粗放型简单生 产阶段及 !00$. !00 年技术创新与突破艰苦探索 阶段后, 充分总结和分析国内外煤炭建设与发展经 验, !00%年在 “五高” 矿井建设基础上, 集成国内外 先进技术与装备, 瞄准世界一流高效、 安全、 环保目 标实现了整体跨越式发展。经过 年的努力, 产量 逐年以千万吨速度递增, !00%年原煤产量 !-万 6, "$*年原煤产量 !$"/!万 6, 全员工效 !0#167工, 百万 6死亡率 $#$0%, 百万吨煤层自然发火率为 $。"&神东矿区煤层自燃机理"#!&神东矿区煤层自燃倾向性神东矿区主要可采煤层为:! . " 、 " . " 、 -. ! 、 /. " 、 *. " 、 %8煤, 为准确掌握各煤层自燃特性, 对各不同煤 层采集煤样送抚顺分院、 重庆分院进行自燃倾向性 鉴定, 结果见表 ! 。"#"&神东矿区自然发火情况(! 周围小井自然发火情况。 !00%. &qu