炭質泥巖破碎帶的突出預測與防突措施*

蘇偉偉，田世祥，馬瑞帥，林華穎，余捷

(貴州大學 礦業學院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

煤與瓦斯突出是地應力和瓦斯壓力作用在含瓦斯煤巖體的一種動力現象[1]。由于突出發生的突然性和破壞性，往往會帶來大量的人員傷亡和巨大的經濟損失[2]。隨著煤礦開采深度的增加，地應力與瓦斯應力的加大，一些含瓦斯的巖石也發生了突出。如前蘇聯的頓巴斯煤田在 1955—1975年期間發生了3293次砂巖和瓦斯突出[3]。比利時艾格萊波礦發生巖石和瓦斯突出事故，造成121人死亡[4]。這些年我國也發生了多次煤、巖石與瓦斯的突出事故[5-9]。國內永川煤礦（1991—1994年）、北票礦區的冠山二井和臺吉豎井（1970年）、吉林營城五井（1975年）、東梁二井（1983年）、甘肅窯街礦區海石灣風井（1995年）、阜新礦區艾友礦（2007年）相繼在井下作業時發生過巖石和瓦斯突出。因此，在井下巖巷掘進過程中無論是煤層還是含高瓦斯壓力的巖石構造帶，都應做好防突措施。炭質泥巖具有吸附性，其揭露過程中如何做好防突措施值得探索。本文以石莊溝煤礦主斜井揭穿含高瓦斯壓力炭質泥巖層為工程背景，開展針對性的防突措施研究，以期為相同工程應用提供參考。

1 炭質泥巖成因及吸附特性

挺水植物和沉水植物死亡后，殘體在湖底沉積，由于濱淺湖前沿斜坡上的大量泥質塊體在暗流作用、重力作用下向湖底搬運滑塌，并不斷沉積淹蓋這些植物遺體[10-11]。長期地質活動中，這些混雜著大量植物遺體及碎屑雜質的淤泥在埋藏過程中，經過壓實、膠固作用后，形成炭質泥巖。巖樣中含有大量的黏土礦物及非黏土礦物，非黏土礦物包括碎屑礦物、自生礦物、有機質，有機質在地層中經過氧化還原反應后生成瓦斯。炭質泥巖層的成氣原理和煤層成氣原理有一定類似，但不完全相同，煤層瓦斯成因是經過生物化學和煤化變質作用成氣，而炭質泥巖內部瓦斯一般是在泥巖成巖過程中的生物化學階段由產生甲烷細菌在厭氧條件下降解形成的。在吸附性上炭質泥巖與煤同屬物理吸附，但炭質泥巖的吸附性能主要取決于其中的黏土礦物成分[12]。黏土礦物孔隙結構復雜，主要由納米孔組成，孔徑2 nm～50 nm的孔隙提供了主要的孔隙體積和比表面積，并且黏土礦物也具有I類等溫吸附曲線特征，符合 Langmuir單分子層吸附理論模型，最大瓦斯吸附量與其比表面積有較好的正相關性，比表面積越大，甲烷吸附量越大[13]。

2 井筒揭穿炭質泥巖層防突實踐

2.1 工作面概況

石莊溝煤礦位于阜康市東 40 km的白楊河西岸，主井施工至882 m附近時，施工超前探鉆，發現在打鉆過程中出現頂鉆、卡鉆，以及瓦斯涌出量異常等現象。經超前探鉆孔資料分析，該破碎帶的主要巖性為含炭量較高的泥巖，含炭量為28%，厚度大約2 m～3 m，其走向262°，傾角57°，巖層賦存穩定，頂底板均為細砂巖，破碎帶具體位置見圖1。根據《防治煤與瓦斯突出細則》要求，鉆孔過程中出現噴孔、頂鉆等動力現象，必須采取區域綜合防突措施。

圖1 井筒和破碎帶位置關系示意圖

2.2 突出危險性預測

針對炭質泥巖吸附瓦斯的特征，采用初始釋放瓦斯膨脹能為預測指標進行突出危險性預測。初始釋放瓦斯膨脹能是從能量的角度反映煤巖體的突出危險性，其綜合反應地應力、瓦斯壓力及煤巖體力學強度等因素在突出過程中的作用。它不但適用于煤與瓦斯突出的預測，同樣適用巖石與瓦斯突出。

2.2.1 原始瓦斯壓力測定

由于主井巖石破碎帶裂隙較為發育，測壓孔施工前對巖石破碎帶采用注漿法進行封堵裂隙。封堵后施工2個下行測壓孔，測壓孔穿層布置，測定鉆孔參數見表1。

表1 瓦斯壓力測定鉆孔參數

實踐過程中，石莊溝主井炭質泥巖破碎帶采用M-Ⅱ型瓦斯壓力測定儀測定瓦斯壓力，壓力測定結果如圖2所示。

圖2 主斜井測壓鉆孔瓦斯壓力

由圖2可知，1，2號孔壓力均在10 h后達到穩定，穩定壓力分別為0.93 MPa（表壓力）、0.75 MPa（表壓力）。10 h～80 h期間，1，2號孔壓力均無變化，故主井掘進至井筒長度882 m位置，破碎帶的瓦斯壓力為0.93 MPa。

2.2.2 初始釋放瓦斯膨脹能測定

初始釋放瓦斯膨脹能測定系統由甲烷氣瓶、2XZ-1型旋片真空泵、KF-5型低溫浴槽、煤樣罐、溫度計、計算機采集系統、高壓傳感器、低壓傳感器、閥門、壓力表等部分組成。實驗原理見圖 3。實驗過程中，取300 g炭質泥巖放入煤樣罐中抽真空8 h，后續煤樣罐內充入瓦斯至0.93 MPa，保持罐內20℃恒定8 h；設定壓力傳感器的測定速度，打開高、低壓傳感器與電磁閥之間的閥門后，立刻打開漸縮噴口；計算機開始采集罐內各時刻壓力和溫度，并對采集到的數據進行處理；將罐內巖樣換成同體積鐵塊，重復上述操作。

圖3 初始釋放瓦斯膨脹能測試原理

經膨脹能計算軟件處理后得出，主斜井掘進長度至882 m時，炭質泥巖破碎帶的初始釋放瓦斯膨脹能指標為64.39 mJ/g，大于初始釋放瓦斯膨脹能的弱突出臨界值42.98 mJ/g，進一步證明該炭質泥巖層具有突出危險性。

2.3 主斜井揭穿炭質泥巖防突措施

主斜井掘進至距炭質泥巖層法相距離7 m時，采用穿層鉆孔抽放炭質泥巖層瓦斯。抽采過程中共施工70個瓦斯抽放鉆孔，采用直徑為90 mm的釬頭進行鉆進，抽放半徑為 1.5 m，鉆孔控制范圍為上幫12 m、下幫6 m、兩側5 m，鉆孔施工如圖4所示。

圖4 石莊溝主斜井抽放鉆孔開孔位置

在實驗室條件下對炭質泥巖進行吸附常數測定和工業分析，結果見表 2，結合炭質泥巖構造帶參數（見表3），根據朗繆爾方程計算：

式中，X為瓦斯含量，m3/t；a、b為煤的吸附常數；P為瓦斯壓力，MPa；V為單位重量煤的孔隙容積，m3/t；T0為標準情況下的絕對溫度（273 K）；P0為絕對壓力（0.101 325 MPa）；T為瓦斯的絕對溫度，T=273+t；ξ為瓦斯的壓縮系數；e為自然對數的底，e=2.718；t0為實驗室測定煤的吸附常數時的試驗溫度，℃；t為煤層溫度，℃；n為系數；A為灰分，%；W為水分，%。

現場實測得出，鉆孔控制范圍內巖體體積為12 220.5 m3，巖體相對密度為2.6 t/m3。故理論上鉆孔控制范圍內儲存瓦斯為30 972.612 84 m3，但現場在抽放瓦斯68 101.5 m3后，仍能不斷地抽放出瓦斯。

2.4 防突措施效果檢驗

同煤一樣，炭質泥巖巖樣表面具有大量的孔隙，巖塊之間有大量裂隙。表面的孔隙是在炭質泥巖形成過程中，由排出的液體和氣體形成的微小氣孔組成。裂隙則是伴隨著炭質泥巖的形成而形成的。炭質泥巖的力學強度較煤低，在地質構造運動中，受到同等構造應力時，形成的裂隙也比煤多。且現場測量可得，炭質泥巖透氣性系數為 29.620 m2/(MPa2·d)，屬易抽放巖層。瓦斯的抽放效果主要取決于煤巖體的透氣性，以及煤巖體內瓦斯和鉆孔內的瓦斯壓力梯度。石莊溝炭質泥巖破碎帶透氣性好、瓦斯壓力大。這些特性致使在抽放時鉆孔控制范圍外的瓦斯流向抽放鉆孔，使得抽放瓦斯量大于瓦斯理論計算量。

表2 石莊溝煤礦炭質泥巖工業分析及吸附常數參數

表3 石莊溝煤礦破碎帶巖層參數

為縮短工程周期，同時為驗證消突措施的有效性，在瓦斯抽放11 d后，采用初始釋放瓦斯膨脹能指標法對主斜井前方炭質泥巖破碎帶進行效果檢驗。由于煤巖體初始釋放瓦斯膨脹能與瓦斯壓力呈線性關系，且不同煤巖層斜率是不同的[15]，因此，選取石莊溝炭質泥巖層巖樣對巖樣做不同壓力下的初始瓦斯膨脹能測定(數據見表4)。

表4 炭質泥巖巖樣初始釋放瓦斯膨脹能測定結果

以初始釋放瓦斯膨脹能Wp為縱坐標，瓦斯壓力P為橫坐標，將表4中數據在坐標系中描點，運用origin軟件對圖中數據進行線性擬合，得到炭質泥巖初始釋放瓦斯膨脹能Wp和瓦斯壓力P關系如圖5所示，由圖5中公式計算可得，石莊溝煤礦炭質泥巖破碎帶對應弱突出時的臨界瓦斯壓力為0.56 MPa。

由于施工抽放鉆孔后，鉆孔的卸壓使得炭質泥巖層的透氣性增加，且巖體破碎、裂隙發育，無法準確測定炭質泥巖破碎帶的殘余瓦斯壓力[16]。為了對炭質泥巖破碎帶是否消除突出危險性進行準確驗證，在抽放鉆孔控制范圍內取巖樣，采用直接法測定炭質泥巖破碎帶殘余瓦斯含量，所測得的殘余瓦斯含量為0.4281 m3/t，把所測結果代入式（1），得到炭質泥巖破碎帶殘余瓦斯壓力為0.4807 MPa。與炭質泥巖破碎帶原始瓦斯參數相比（見表5），殘余瓦斯參數均小于弱突出時的臨界值。此時認定炭質泥巖層已不具備突出危險性。

圖5 石莊溝煤礦炭質泥巖的P-Wp關系曲線

表5 工作面瓦斯參數對比

為確保消突檢驗的準確性，在主斜井掘至構造帶頂板5 m左右位置時，再次對炭質泥巖層進行瓦斯參數測定，測定的瓦斯壓力為0.18 MPa，殘余瓦斯含量為0.2663 m3/t，此時可以揭露炭質泥巖層。目前石莊溝煤礦已安全穿越炭質泥巖破碎帶，且揭露和穿越過程中無動力現象及瓦斯涌出異常現象。

3 結論

（1）石莊溝炭質泥巖破碎帶發生弱突出時的臨界瓦斯量為 0.4281 m3/t，臨界瓦斯壓力為 0.56 MPa，采取瓦斯抽采措施后，殘余瓦斯壓力、殘存瓦斯含量、初始瓦斯膨脹均低于弱突出臨界值，達到了消突目的，安全揭露了破碎帶，保障了安全生產。

（2）運用瓦斯膨脹能指標法對炭質泥巖層破碎帶進行突出預測與防突效果檢驗，從揭露結果來看，針對高瓦斯炭質泥巖破碎帶的突出預測和防突措施是有效的，也證實了膨脹能指標法用于炭質泥巖預測和消突效果檢驗的合理性。

（3）地質破碎、裂隙發育，特別是施工抽放鉆孔后無法準確測定瓦斯壓力，可利用瓦斯含量間接得到初始釋放瓦斯膨脹能。