平煤四礦煤與瓦斯突出災害分布特征

周少璽，李 普

(1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454000;2.鄭州煤炭工業 (集團)楊河煤業有限公司，河南新密452382;3.鄭州煤炭工業 (集團)有限責任公司通風管理部，河南鄭州450042)

平煤四礦位于平頂山礦區中部，東與一礦、二礦，西與五礦、六礦相鄰，南與三礦相接。2006年礦井核定生產能力2.8Mt/a，主采四組九層煤層，其中丁5－6煤段開采標高與埋深分別為105～－510m和283～860m，己16－17煤段分別為 －50～ －800m和205～1100m。礦井現生產采區與延伸開拓區由于位于井田中深部，致使礦山壓力與瓦斯含量增大。高地應力、高瓦斯含量和壓力、煤層低滲透性等復雜條件交織，動力災害愈加嚴重。

煤與瓦斯突出危害性極大，嚴重威脅礦工的生命，影響礦井的生產［1］。平煤四礦自1991年首次發生煤與瓦斯突出災害至今，已經發生具有煤與瓦斯突出典型特征的動力現象共21次，其中丁組煤層17次，己組煤層4次 (表1)。突出煤量1～72t，突出瓦斯量140～3206m3。

2000年與2011年，煤炭科學研究總院撫順分院分別鑒定丁、己煤層為突出煤層。通過對這些動力現象進行分析，探尋這些動力現象的特征和規律，可以為平煤四礦煤巖瓦斯突出災害的防治工作提供有力的科學依據。

表1 四礦歷次煤與瓦斯突出災害統計

1 空間分布特征

(1)存在始突深度 通過對歷次突出災害時間標高分析 (圖1)，四礦存在煤與瓦斯突出的初始臨界深度，標高－390m是各煤層組的始突深度。從突出等深度圖 (圖2)可以看出，絕大部分突出分布在埋深620～800m之間，最淺的一次發生在622.5m處，發生在己16－17煤層中最深的突出災害發生點埋深944.6m。這表明埋深超過620m，達到突出發生的應力條件，而埋深大于800m的突出次數變少主要是因為礦井加強了對瓦斯的治理。

圖1 四礦煤與瓦斯突出事件標高分布

圖2 發生煤與瓦斯突出災害點等深度分布

(2)分帶特征明顯 四礦丁5－6煤層的煤與瓦斯突出具有顯著的分帶特征。煤與瓦斯突出集中發生在一個長1600m，寬700m的區域范圍內，沿北西-南東方向展布的狹長條帶內。該條帶與四礦煤層走向基本一致，可見條帶分布方向受埋藏深度控制。該條帶應確定為四礦區域煤與瓦斯突出高危帶，其南側邊界基本可以確定，北側邊界和東西2個延伸方向隨著開采深度增加可能還將擴展。

四礦突出絕大部分分布在井田西翼，這與“井田內東部瓦斯小，西部瓦斯大”的地質勘探結果相吻合［2］。

(3)地表起伏大 從突出點的地質構造分析，四礦井田內沒有大的地質構造，唯一顯著的特征是地表起伏較大，最高處達到506m，最低處僅200m左右，地表高程陡增，煤層的埋藏深度梯度變大，應力 (地應力與瓦斯壓力)強度等值線在此將會密集，梯度陡增。另外，小斷層發育較多，相當部分 (共有13次，占總突出次數的62%)的突出發生在小斷層附近，表明斷層附近應力梯度高，煤質松軟、構造煤發育使這些區域非常利于突出發生。

在四礦的瓦斯地質條件下，盡管地質構造比較復雜，但地應力強度沒有達到一定程度，便不具備發生突出的作用力和內能，而達到一定埋藏深度后，應力強度增高使得煤與瓦斯具備了發生突出的內能，即使地質構造簡單，突出也會發生。同一煤層組存在一個始突深度，在此深度之上一般不會發生突出，但接近這一深度如遇有導致地應力增高的特殊地質構造 (例如逆斷層)，便補充了由于深度不夠而應力強度和煤與瓦斯發生突出內能的不足，使得在淺于具有普遍意義的始突深度條件下也有偶發情況。因此，相同煤層組，應力強度是發生突出的最重要因素，應力梯度增大的部位易于發生煤與瓦斯突出［3－5］。

2 強度分布特征

(1)動力災害類型 煤與瓦斯動力現象按成因分為突出、壓出和傾出。丁組煤層的突出全部發生在丁5－6煤層的丁5－6－19160采面及以下，突出時煤體整體位移或煤體有一定距離的拋出，有時無孔洞，有時有呈口大腔小的楔形孔洞;壓出的煤呈塊狀，無分選現象;壓出后，在煤層與頂板之間的裂隙中常留有細煤粉，整體位移的煤體上有大量裂隙;壓出后巷道瓦斯涌出量增大，符合壓出的基本特征。己16－17煤層突出4次，其中在1991年發生的是規模很小的2次壓出，2次突出，其中瓦斯涌出量最大的1次發生在地面標高陡升的擂鼓臺山峰下面，埋深達到了935m。

(2)突出煤體總量 突出煤體總量一般反映參與突出作用力 (地應力與瓦斯壓力)的強度。己16－17煤層出現過2次規模很小的壓出，突出煤體的總量分別為1t和8t。丁組突出煤體的總量均小于50t/次，平均21.3t/次;己組突出2次，分別為40t/次和72t/次，平均56t/次，強度均不高。但己組煤突出強度明顯高于丁組 (見圖3)，這與己組煤層埋深更大、瓦斯含量更高相符合。

圖3 煤與瓦斯突出事件突出煤量等值線

(3)突出瓦斯總量 突出瓦斯總量反映瓦斯參與突出的作用。由于突出災害前未采取防突措施，己16－17煤層出現2次突出卻沒有瓦斯涌出量數據記錄。丁5－6煤層突出瓦斯的總量煤較低，大部分在1000m3/次以下，平均487m3/次，己16－17煤層突出瓦斯量較高，2次突出均大于1000m3/次，平均2628m3/次 (見圖4)。這與前述己組煤層瓦斯含量高的客觀規律相吻合，還表現出采深增加，瓦斯在突出中的絕對作用力漸次增強的規律［6－7］。

(4)拋出煤體的噸煤瓦斯涌出量 突出事件的噸煤瓦斯涌出量是判斷是否突出的一個指標，也是反映瓦斯在突出作用中的相對貢獻程度。國家標準《煤與瓦斯突出礦井鑒定規范》(AQ1024－2006)指出，當瓦斯動力現象的煤與瓦斯突出基本特征不明顯，尚不能確定為排除煤與瓦斯突出現象時，其中的一個判斷指標是用拋出煤的噸煤瓦斯涌出量是否大于或等于30m3/t判斷［8］。

四礦丁5－6煤層突出的噸煤瓦斯涌出量普遍不高 (見圖 5)，平均 28.8m3/t，最大的一次為61.6m3/t，相對平煤集團其他礦井，瓦斯壓力和瓦斯含量均相對較低，瓦斯參與突出的作用不甚顯著。己16－17煤層發生在23080機巷的突出，埋深達到了935m，噸煤瓦斯涌出量達到了80.15m3/t，瓦斯參與突出的作用顯著，發生在23020切眼的突出噸煤瓦斯涌出量為28.47 m3/t，但涌出煤量為歷次最多 (72t)，此區域地表起伏較大，煤層應力梯度大，應力參與突出的作用更為顯著。

圖5 煤與瓦斯突出事件噸煤瓦斯涌出量等值線

3 時間分布特征

根據煤與瓦斯突出災害發生的深度和強度特征，大體可分為3個順序排列的時序階段 (圖6)。

圖6 煤與瓦斯突出災害時序分布

第Ⅰ階段 全部發生在己組煤層掘進巷道;埋藏深度680m，原巖地應力的環境強度不高，一般需要借助特殊的地質構造和采動應力才能具備發動突出的內能和初始推動力;全部為壓出，表現為低煤、低瓦斯和低噸煤瓦斯的“三低”特征，反映出參與突出的總體作用力強度不高，瓦斯在一定程度上參與了突出過程但其相對貢獻較低;發生的概率較低，具有偶發性特征。

第Ⅱ階段 主要發生在丁5－6－19160工作面以下的井田西翼，埋藏深度670～850m，原巖應力和瓦斯的作用開始增強，勿需借助特殊的地質構造即已具備發動突出的內能，采動應力可以成為突出的觸發動力;部分突出已表現為低煤、高瓦斯和高噸煤瓦斯的“一低兩高”特征，瓦斯的作用顯著加強，瓦斯內能是推動持續壓出的主要動力，發生的概率較高，具有多發性特征。

第Ⅲ階段 雖然開采強度增大，開采深度持續增加，但2003年至今，四礦已連續數年沒有發生過煤與瓦斯突出現象。其原因主要是:客觀方面，井田丁5－6煤層西翼的儲量大部分回采結束，東翼煤層瓦斯含量和壓力明顯較低，發生突出的瓦斯應力條件沒有達到。主觀方面:四礦經過前一階段的學習和實踐，掌握了礦井動力現象的發生規律，制定了較完善的預測和防治措施。尤其是成立了防突科和防突隊后，采用抽放瓦斯和開采保護層區域防突措施，很好地控制了突出事故的發生。

4 結論

(1)四礦煤與瓦斯突出災害發生的深度和強度特征，可分為3個順序排列的時序階段。

(2)存在發生煤與瓦斯突出的初始臨界深度，標高－390m是四礦各煤層組的始突深度。埋深超過620m，達到了突出發生的應力條件。

(3)四礦煤與瓦斯突出具有顯著的分帶特征。煤與瓦斯突出集中發生在長1600m，寬700m，沿北西－南東方向展布的狹長條帶內。該條帶與本礦煤層走向基本一致，分布方向受埋藏深度控制。

(4)己組煤層雖然發生的突出事件很少，但突出強度、突出瓦斯量和噸煤瓦斯涌出量都明顯超過丁組煤層。己16－17煤層是四礦的主采煤層，堅持開采淺部己15煤層做為己16－17的保護層，進行深部開采后 (1000m以深)，己15煤層本身也具有潛在突出危險，在進行開采時應先對己15煤層消除突出危險。

［1］俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1992.

［2］中平能化集團.一、四、六礦深部擴勘地質報告［R］.2011.

［3］張友誼，黃戰峰，余貴軍，等.地質條件影響下的煤與瓦斯突出特征及防治對策［J］.煤炭科學技術，2013，41(12):39－42，45.

［4］邱賢德，莊乾城，等.采場應力和煤結構與煤和瓦斯突出關系的淺析［J］.煤炭科學技術，1994，23(8):2－6，64.

［5］張鐵崗.平頂山礦區煤與瓦斯突出與預測 ［J］.煤炭學報，2001，26(2):172 －177.

［6］李如波.平頂山礦區深部己組煤層瓦斯地質規律研究［J］.中國煤炭，2010，36(1):81－83，127.

［7］李中鋒.平頂山礦區煤與瓦斯突出特征及對策［J］.煤炭科學技術，1999，27(5):18－20.

［8］國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤與瓦斯突出礦井鑒定規范［M］.北京:煤炭工業出版社，2006.