鹤壁矿区地质构造对煤与瓦斯突出的控制

鹤壁矿区地质构造对煤与瓦斯突出的控制CONTENTS目录01矿区概况与瓦斯突出现状02区域地质构造背景03地质构造对突出的控制作用04突出主控因素分析CONTENTS目录05典型突出案例分析06突出防治技术对策07结论与展望01矿区概况与瓦斯突出现状鹤壁矿区矿井分布与开采条件矿井区域划分与分布特征

鹤壁煤业（集团）公司所属8对生产矿井，受区域构造控制分为南部、中部、北部三个相对独立区域。南部为六矿、八矿、十矿3对矿井；中部为三矿、二矿2对矿井；北部为二矿、四矿、九矿3对矿井。主采煤层与赋存特征

矿区主采煤层为二1煤，平均煤厚8m。煤层直接顶为薄层状砂质泥岩，老顶为细粒、中细粒砂岩。南部3对矿井煤层厚度变化大，局部在0~12m之间，薄煤带与厚煤带相间分布，煤厚变化带多为突出危险带。煤层产状与开采难度差异

南部矿井煤层倾角大，深部普遍达30°，局部达50°；北部矿井倾角一般在20°以下。南部托顶煤上山掘进突出风险高，十矿“9.25”“3.19”“4.10”突出事故均与顶煤冒落诱发有关。煤与瓦斯突出事故统计特征

突出发生的主要作业场景鹤壁矿区煤与瓦斯突出均发生在石门揭煤及煤巷掘进作业过程中，这两类场景是突出事故的高发区域。

突出类型分布比例矿区突出事故中，典型突出占比约74%，压出占5%，倾出占21%，典型突出为主要表现形式。

突出诱导因素分析突出事故诱导因素以放炮作业为主，占比64%；风镐、手镐落煤占13%，其他采掘作业占20%，人为作业扰动是重要诱因。

煤巷突出的巷道特征煤巷突出中，托顶煤掘进煤巷占比大，沿顶掘进占比小；上山掘进煤巷占比大，下山及近水平煤巷占比小，巷道布置与突出风险相关。突出类型与诱导因素分析突出类型分布特征鹤壁矿区突出类型包括典型突出、压出、倾出三种，其中典型突出占比74%，压出占5%，倾出占21%，典型突出为主要类型。主要作业诱导因素突出事故主要由采掘作业诱导，其中放炮作业占比64%，风镐、手镐落煤占13%，支护、打钻等其他作业占20%，放炮为首要诱导因素。巷道掘进突出规律煤巷突出中托顶煤掘进占比大，沿顶掘进占比小；上山掘进突出风险高于下山及近水平巷道，十矿"9.25"等事故均与托顶煤上山掘进相关。02区域地质构造背景矿区构造演化与应力环境区域构造背景与演化历程鹤壁矿区西依太行山新华夏系隆起带，东临华北平原新华夏系沉降带，地质历史时期遭受燕山和喜山等多次构造运动，形成了复杂的区域构造格局。矿区主体构造形态特征矿区整体为一单斜构造，区内次一级构造复杂，以断层褶曲为主，发育8条规模较大的倾伏向、背斜相间出现，走向多为北东向，断层均为高角度正断层。控制性构造对矿区的分割作用青羊口断层为京广大断裂伴生断层，走向长100多km，最大落差达1000m，北北东向延伸；贾家地堑和F40断层组累计落差均在200m以上，将矿区分成南、中、北相对独立的三部分。地应力分布特征与影响因素南部3对矿井地应力明显偏大，六矿地应力实测垂直应力为金尼克理论值的1.05-1.78倍，水平应力为其2.69-4.76倍，且分布不均匀，残余构造应力是激发突出的主要动力。控制性断层与井田划分

青羊口断层：区域控制性构造青羊口断层为京广大断裂伴生断层，走向长100多km，最大落差达1000m，北北东向延伸。该断层与矿区最南部的十矿距离最近，在十矿深部穿过，向北逐渐偏离矿区，是控制鹤壁矿区地质构造格局的关键因素。

一级断层组：井田分区的边界矿区一级断层构造为贾家地堑和F40断层组，累计落差均在200m以上。它们共同将矿区分成三个相对独立的部分：南部为六矿、八矿、十矿3对矿井，中部为三矿、二矿2对矿井，北部为一矿、四矿、九矿3对矿井。

断层控制下的瓦斯地质差异在两级断层构造作用下，南部三对矿井与中北部相比，井田内地质构造复杂程度、煤层产状变化、煤厚变化等瓦斯地质条件出现显著差异，导致南部矿井成为煤与瓦斯突出矿井，而北部矿井不发生突出。南北矿井瓦斯地质条件差异

01井田地质构造复杂程度差异南部3对矿井井田内断层相互切割穿插较多，且六矿井田内不同方向褶曲相互交叉形成穹隆或构造盆地；北部5对矿井断层和褶曲均较少。

02煤层产状及倾角差异南部3对矿井煤层产状变化大，倾角深部普遍达30°，局部达50°；北部5对矿井煤层倾角一般在20°以下，煤层倾角增大使自重应力成为突出诱导因素。

03煤层厚度变化差异南部3对矿井井田内煤厚度变化大，薄煤带、厚煤带相对较多，局部煤层厚度在0~12m之间变化，煤厚变化带常为严重突出危险带；北部矿井煤层厚度相对稳定。03地质构造对突出的控制作用构造煤发育特征与分布规律

01区域构造煤发育差异鹤壁矿区南部3对突出矿井构造煤发育明显且普遍，北部5对矿井则相对较弱。南部矿井在断层附近及向、背斜轴部，构造煤普遍发育，多为Ⅲ、Ⅳ类构造煤；北部矿井构造煤发育程度较低。

02构造煤形成的层滑构造作用南部矿井距离煤层底板1.5m-2.0m处的夹矸厚度仅为北部矿井的0.3-0.5倍，岩石力学强度降低，在地质构造影响下易发生层滑构造，导致煤层底部形成普遍发育的构造煤，层滑面多由薄夹矸充当。

03构造煤的坚固性系数差异各矿井Ⅰ类煤（非构造煤）坚固性系数为0.41-0.55，基本相同；南部矿井的Ⅲ类至Ⅳ类构造煤强度差别明显，构造煤的存在降低了煤体强度，成为煤与瓦斯突出的重要因素之一。

04构造煤分布与突出危险区关联构造煤发育区与煤厚变化带、高应力区重叠，形成严重突出危险带。南部矿井因构造煤普遍发育，且在非构造带也受层滑构造影响形成构造煤，导致其突出危险性显著高于北部矿井。地应力场分布与突出动力机制区域构造应力场特征鹤壁矿区南部矿井受燕山和喜山期构造运动叠加影响，地应力显著偏高。六矿实测垂直应力为金尼克理论值的1.05-1.78倍，水平应力达2.69-4.76倍，且分布极不均匀，煤系地层内存在较大剪应力。构造应力与突出能量关系六矿井田内煤体弹性潜能约为瓦斯内能的4倍，是破碎煤体、激发突出的主要动力。残余构造应力的存在极大增加了突出危险性，是煤与瓦斯突出的主要激发因素。采掘支承应力叠加效应构造应力通过采掘活动形成支承应力叠加，进一步激发突出。六矿"9·12"事故（孤岛掘进）突出煤量85t、瓦斯1800m³，"12·5"事故（补掘巷道）突出煤量140t、瓦斯2600m³，两次事故吨煤瓦斯量略高于煤体瓦斯含量，突出动力主要源于支承应力。地应力主控的突出特征南部矿井始突深度较浅，因地应力控制作用，在埋藏较浅处突出动力能量即大于阻力能量。地应力作为主控因素，与构造煤发育、瓦斯参数协同作用，决定了鹤壁矿区突出的时空分布规律。瓦斯赋存运移的构造控制效应地质构造与瓦斯压力的关联性实测结果显示，瓦斯压力与地质构造、煤层埋深关系密切。随着埋深增加，瓦斯压力增大；南部3对矿井构造复杂，煤层透气性差，瓦斯含量与埋深、煤质关系密切。构造煤对瓦斯放散初速度的影响构造煤的发育程度决定着采掘过程中瓦斯放散初速度。实测数据表明，Ⅳ类构造煤的放散初速度为Ⅰ类煤的2~3倍。构造煤受到采掘集中应力后破坏、变形、卸压，吸附瓦斯快速解吸。区域构造对瓦斯分布的差异性控制受青羊口断层及贾家地堑、F40断层组控制，南部3对矿井与中部、北部相比瓦斯地质条件出现较大差异。南部矿井构造复杂，煤层透气性差，瓦斯含量高，现开采水平瓦斯压力与瓦斯含量普遍高于发生突出的临界值。煤体物理力学性质的构造影响构造煤发育的区域差异鹤壁矿区南部3对突出矿井构造煤发育明显且普遍，北部5对矿井则相对不发育。南部矿井在断层附近及向、背斜轴部，构造煤普遍发育；非构造带受层滑构造作用，煤层底部也形成普遍发育的构造煤。层滑构造对煤体的破坏南部矿井距离煤层底板1.5m～2.0m处的夹矸厚度仅为北部矿井的0.3～0.5倍，岩石力学强度降低，在地质构造影响下易发生层滑构造。层滑构造使煤层顶底板发生相对位移，在煤层底部形成构造煤。构造煤分类及强度特征采用四类构造煤分类法，南部矿井断层附近及向、背斜轴部整个煤层多为Ⅲ、Ⅳ类构造煤。各矿井Ⅰ类煤（非构造煤）坚固性系数为0.41～0.55，而南部矿井Ⅰ类至Ⅳ类煤强度差别明显，构造煤的存在降低了煤体强度，减小了阻止突出的阻力。04突出主控因素分析构造复杂程度与突出危险性关联区域构造控制的南北差异鹤壁矿区南部3对矿井（六矿、八矿、十矿）因受青羊口断层、贾家地堑及F40断层组控制，地质构造复杂，为煤与瓦斯突出矿井；北部5对矿井构造相对简单，未发生突出事故。井田构造复杂度对比南部矿井井田内断层相互切割穿插多，褶曲交叉形成穹隆或构造盆地；北部矿井断层少，褶曲不发育。南部矿井煤层倾角深部普遍达30°，局部50°，北部一般在20°以下。煤厚变化与突出危险带南部矿井煤层厚度变化大，局部在0~12m之间，煤厚变化带往往是严重突出危险带；北部矿井煤层厚度相对稳定，平均煤厚8m。构造煤发育的区域特征南部矿井在断层附近、向背斜轴部及层滑构造作用下，普遍发育Ⅲ、Ⅳ类构造煤，煤体强度低；北部矿井构造煤发育不明显，以Ⅰ类非构造煤为主，坚固性系数0.41~0.55。煤层产状变化对突出的诱导作用

煤层倾角差异特征南部3对矿井煤层倾角深部普遍达30°，局部达50°；北部5对矿井煤倾角一般在20°以下，差异显著。

倾角增大地应力效应煤层倾角增大使自重应力成为突出诱导因素，托顶煤上山掘进时尤为明显，加剧突出风险。

典型事故案例佐证十矿"9.25"、"3.19"、"4.10"三次突出事故均因顶煤冒落诱发，印证倾角变化的突出诱导作用。煤厚变化带与突出危险区对应关系

鹤壁矿区煤厚变化特征南部3对矿井井田内煤厚度变化大，薄煤带、厚煤带相对较多，局部煤层厚度变化在0~12m之间，与平均煤厚8m相比悬殊。

煤厚变化带的突出危险性煤厚变化带往往是严重突出危险带。受地质构造影响，煤层厚度突变区域易形成应力集中，且构造煤发育，增加突出风险。

区域构造对煤厚变化的控制南部矿井受贾家地堑和F40断层组等构造控制，井田内断层相互切割穿插多，褶曲交叉形成穹隆或构造盆地，导致煤厚分布不均。力能角度的主控因素识别

地应力：突出的主要动力源鹤壁矿区南部矿井构造应力显著，六矿实测垂直应力为金尼克理论值的1.05-1.78倍，水平应力达2.69-4.76倍，煤体弹性潜能约为瓦斯内能的4倍，是破碎煤体、激发突出的主要动力。

构造煤：降低突出阻力南部矿井构造煤普遍发育，尤以断层、褶曲轴部及层滑构造带为甚，多为Ⅲ、Ⅳ类构造煤。Ⅳ类构造煤坚固性系数降低，瓦斯放散初速度为Ⅰ类煤的2-3倍，显著降低了煤体强度和突出阻力。

瓦斯：重要参与因素南部矿井因构造复杂、煤层透气性差，瓦斯含量与压力随埋深增加而增大，普遍高于突出临界值。构造煤的发育加速了采掘过程中瓦斯的快速解吸与膨胀，形成强大的瓦斯膨胀能，协同地应力促进突出发生。05典型突出案例分析六矿"9·12"突出事故机理

事故背景与经过某工作面开采顶分层时因处理断层留下20m×30m孤岛，下分层孤岛掘进行15m后，正处于孤岛中部发生突出，突出煤量85t，瓦斯量1800m³。

突出动力源分析吨煤突出瓦斯量略高于吨煤瓦斯含量，与典型突出的吨煤瓦斯出量（吨煤瓦斯含量的5-9倍）相比相差较多，突出动力主要是支承应力。

应力叠加作用机制地质构造应力与采掘活动形成的支承应力叠加，导致煤体弹性潜能积聚，当应力超过煤体强度极限时，引发煤体破碎和瓦斯突出。十矿顶煤冒落诱发突出特征01典型事故案例概况十矿曾发生"9.25"、"3.19"、"4.10"三次顶煤冒落诱发的突出事故，均表现为托顶煤上山掘进时顶煤失稳冒落，触发瓦斯突出。02突出动力来源分析事故吨煤突出瓦斯量略高于吨煤瓦斯含量，与典型突出（吨煤瓦斯含量5-9倍）差异显著，表明突出动力主要来自顶煤冒落释放的支承应力。03地质构造控制因素南部矿井煤层倾角达30°-50°，自重应力叠加构造应力导致顶煤稳定性降低；层滑构造形成的Ⅲ、Ⅳ类构造煤（坚固性系数0.41-0.55）进一步削弱煤体强度。04突出前兆与诱发条件突出前存在煤壁鼓出、支架来压等矿压显现预兆，放炮作业（占比64%）及托顶煤掘进方式加剧顶煤扰动，成为冒落诱发突出的直接诱因。构造带突出事故共性规律

突出高发于构造交汇与应力集中区鹤壁矿区南部矿井突出事故74%发生于断层附近及向、背斜轴部，六矿井田内不同方向褶曲交叉形成的穹隆或构造盆地是突出危险核心区。

采掘作业诱导突出占比极高统计显示放炮作业诱导突出占64%，风镐、手镐落煤占13%，鹤壁矿区托顶煤上山掘进突出占比显著高于下山及近水平巷道。

构造煤发育区突出强度大南部矿井断层带及褶曲轴部普遍发育Ⅲ、Ⅳ类构造煤，其坚固性系数低至0.41-0.55，瓦斯放散初速度为非构造煤的2-3倍，易引发大规模突出。

应力叠加是突出主要动力源六矿"9·12"、"12·5"事故显示，构造残余应力与采掘支承应力叠加产生的弹性潜能是突出主导动力，吨煤突出瓦斯量仅略高于煤体瓦斯含量。06突出防治技术对策区域防突措施应用与效果

开采保护层技术应用优先选择无突出危险煤层作为保护层，矿井所有煤层均有突出危险时，选择突出危险程度较低的煤层。优先开采上保护层，选择下保护层时需确保不破坏被保护层开采条件。

预抽煤层瓦斯技术应用采用地面钻孔预抽、井下穿层孔或顺层孔预抽等方式。穿层钻孔或顺层孔预抽区段煤层瓦斯时，钻孔需控制区段内整个开采块段及两侧回采巷道外侧一定范围；顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯时，控制条带长度不小于60米。

区域防突措施效果检验指标主要采用残余瓦斯压力和残余瓦斯含量作为检验指标。当残余瓦斯压力小于0.74MPa且残余瓦斯含量小于8m³/t时，判定防突措施有效；若检验期间钻孔作业出现喷孔、顶钻等突出预兆，或指标超标，相关区域判定为措施无效。局部防突技术参数优化

突出危险区域钻孔布置参数优化针对鹤壁矿区南部矿井断层、褶曲等复杂构造区，采用扇形布孔方式，钻孔间距控制在2-3m，深度延伸至构造影响带外5m，确保瓦斯抽采覆盖全突出危险区域。

瓦斯抽采负压与流量参数优化根据鹤壁矿区实测数据，对于Ⅲ、Ⅳ类构造煤，抽采负压宜控制在13-15kPa，单孔抽采流量不低于0.5m³/min，以提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯压力至0.74MPa以下。

超前支护距离与强度参数优化在托顶煤上山掘进工作面，超前支护距离应不小于5m，采用高强度锚杆（直径≥20mm）配合金属网支护，锚杆间排距控制在800×800mm，增强煤体稳定性，防止顶煤冒落诱发突出。

爆破参数优化针对构造复杂区域，采用毫秒延期爆破，炮孔装药量控制在1.5-2.0kg/孔，起爆顺序为周边孔→辅助孔→掏槽孔，减少爆破对煤体的冲击，降低突出风险。构造异常区施工安全措施

断层破碎带施工管控断层两盘发育阶梯状小断层形成宽破碎带，施工时需减少放炮作业（放炮诱发突出占比64%），采用煤巷掘进时优先沿顶掘进，避免托顶煤作业，托顶煤掘进突出风险较高。

褶曲轴部强化支护向斜轴部、背斜倾伏端等构造复杂区，煤层产状变化大（南部矿井倾角达30°-50°），需采用高强度支护，控制煤壁片帮，如六矿曾因断层处理不当形成20m×30m孤岛工作面引发突出。

构造煤区域瓦斯治理Ⅲ、Ⅳ类构造煤发育区（坚固性系数0.41-0.55），瓦斯放散初速度为Ⅰ类煤的2-3倍，需提前实施预抽瓦斯，确保残余瓦斯压力<0.74MPa、含量<8m³/t，降低突出风险。

应力集中区监测预警采掘活动形成的支承应力叠加区（如孤岛工作面、巷道贯通前），需实时监测地应力变化，六矿“9·12”事故因孤岛掘进15m触发应力集中，突出煤量85t、瓦斯量1800m³，应加强应力释放措施。监测预警体系构建

多参数实时监测系统建立包含瓦斯浓度、瓦斯压力、地应力、煤体位移等多参数的实时监测网络，采用传感器技术实现对矿井关键区域的24小时不间断监测，数据实时传输至地面监控中心。突出危险性预测模型基于鹤壁矿区地质构造特征和突出事故案例，结合构造煤发育程度、地应力分布、瓦斯赋存参数，构建煤与瓦斯突出危险性预测模型，实现对突出风险的动态评估与预警。预警信息发布与响应机制建立分级预警机制，根据预测风险等级自动触发不同响应措施，预警信息通过井下声光报警装置、通讯系统及时传递给现场作业人员，确保紧急情况下能够快速撤离。监测数据综合分析平台开发监测数据综合分析平台，对采集的瓦斯、地应力、煤体结构等数据进行整合分析，通过数据可视化技术直观展示突出风险区域，为防突措施制定提供科学依据。07结论与展望地质构造控制作用总结

构造煤发育的控制作用南部矿井在断层、褶曲轴部及层滑构造带普遍发育Ⅲ、Ⅳ类构造煤，煤体坚固性系数显著降低，为突出提供了物质基础。

地应力分布的控制作用南部矿井受区域构造叠加影响，水平应力为理论值的2.69-4.76倍，构造应力与采掘支承应力叠加，成为突出主要动力。

瓦斯赋存运移的控制作用复杂构造导致南部矿井煤层透气性差，瓦斯压力与含量高于临界值，构造煤瓦斯放散初速度为非构造煤的2-3倍，加速突出进程。

区域构造分异的控制作用青羊口断层及F40断层组将矿区分割，南部矿井因构造复杂、倾角大（30°-50°）、煤厚变化悬殊，突出危险性显著高于中北部。防治技术创新方向智能化监测预警系统升级开发基于多传感器融合的实时监测平台，集成瓦斯浓度、地应力、微震信号等参数，运用机器学习算法提升突出预警准确率，实现从被动响应到主动预防的转变。高效瓦斯抽采技术优化研究定向钻进与水力压裂协同抽采技术，针对鹤壁矿区构造煤发育特点，设计大直径穿层钻孔与顺层长钻孔组合抽采方案，提高瓦斯抽采效率20%以上。地质构造精细探测技术应用引入三维地震勘探与地质雷达结合的超前探测技术，精准识别断层、褶曲等构造异常带，为突出危险区划分提供毫米级精度的地质模型数据支持。低透气性煤层增透技术突破研发新型化学致裂与高压水射流联