2023年《安全技术》之鹤壁矿区地质构构造对煤与瓦斯突出的控制.docx

鹤壁矿区地质构构造对煤与瓦斯突出的控制 　　鹤壁煤业（集团）公司所属8对生产矿井均为高瓦斯矿井，其中南部3对矿井为煤与瓦斯突出矿井。自1970年六矿第一次出煤与瓦斯突出以来。共发生包括突出、压出、倾出在内突出事故63起，给平安生产和职工的生命平安造成严重威胁。为探索突出规律及发生突出的主导因素。有效防治煤与瓦斯突出事故，本文着重从地质角度分析鹤壁矿区地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用。 　　1鹤壁矿区与瓦斯突出的根本情况 　　鹤壁矿区煤与瓦斯空出均发生在石门揭煤及煤巷掘进，根本情况出表1。 　　表1石门揭煤煤巷掘进突出情况表 　　 鹤壁矿区突出，压出、倾出3种类型的动力现象均发生过，其中典型突出所占比例较大，约为74%；压力、倾力分别占5%、21%。突出诱导因不以放炮为主，统计数据见表2。 　　表2 不同作业突出比例 　　 　　煤巷突出中托顶煤掘进煤巷所占比例较大，沿顶掘进煤巷所占例较小；上山掘进煤巷所占比例较大，下山煤巷及近水平煤巷所占比例较小。 2 突出井矿区的区域构造背景 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屡次构造运动。矿区内主采煤层为二1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。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。矿区内8条规模较大的倾伏向、背斜相间出现，多为北东向。矿区内还有为数不多的次一级短轴褶曲及非对称形状的鞍状构造，受拉长断层影响失去了完整的几何外形。矿区内断层均为高角度正断层，落差大于100 m 的18条，走向以北东向或北北东向为主。大断层两盘往往发育多条阶梯状小断层，形成较宽的断层破碎带。除断层外，在煤层及煤层顶底板中X共轭剪节理、裂隙也非常发育，造成煤岩破碎。 矿区的控制性地质造为青羊口断层，为京广阔断裂伴生断层。该断层走向长100多km，最大落差达1000m，北北向东向延伸。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。矿区的一级断层造为贾家地堑和F40断层组，累计落差均在200m以上，将矿区分成相对独立的三局部：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。在两级断层构造作用下，南部三对矿井与中部、北部相比瓦斯地质条件出现较大差异： （1）井田内地质构造复杂程度明显不同。南部3对矿井井田内断层相互切割穿插较多，北部5对矿井那么较少；南部3对矿井井田内，尤其是六矿井田内较多不同方向的褶曲相互交叉，形成穹隆或构造盆地，北部5对矿井那么较少。 （2）南部3对矿井煤层产状变化大，倾角明显变大，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。煤层倾角增大使自重应力成为煤与瓦斯突出的诱导因素，托顶煤上山掘进时成其明显，十矿曾经发生的“9.25〞、“3.19〞、“4.10〞3次突出事故都是顶煤冒落诱发造成的。 （3）南部3对矿区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。煤厚变化带往往是严重突出危险带。 3地质构造对突出的控制作用 综合分析鹤壁矿区煤与瓦斯突出事故特点，根本是受地质构造控制的。地质构造通过控制构造煤发育程度及发育范围、地应力分布情况、瓦斯的赋存运移，控制煤与瓦斯突出。 3.1 地质构造对煤物理力学性质的影响极其严重，主要通过构造煤的发育程度及分布范围表现出来。与北部5对矿井相比，南部3对矿井构造煤的发育非常明显，非常普遍。观测说明，南部3对矿井在断层附近及向、背斜轴部，构造煤普遍发育；在非构造带由于南部3对矿井距离煤层底板1.5m~2.0m处的夹矸厚度只有北部5对矿井的0.3~0.5倍，岩石力学强度严重降低，在较强烈的地质构造影响下，在煤层内部发生大面积的层滑构造。这是一种煤层层位不发生错动，但煤层顶底板发生相对位移的层间滑动构造，厚度较小的夹矸由于与上、下煤层的粘结力弱常常发挥滑动面的作用。受层滑构造作用在煤层底部形成普遍发育构造煤。采用四类构造煤分类法，在断层附近及向、背斜轴部整个煤层都是Ⅲ、Ⅳ类构造煤且发育根本都是Ⅲ、Ⅳ类构造煤。实测说明，各矿井Ⅰ类煤（非构造煤）的煤强度根本相同，稳固性系数为0.41!~0.55。 实测说明，南部3对矿井的Ⅰ类煤至Ⅳ类煤的煤强度（值）差异明显，见表3。 表3 南部3对矿井的值 　　 构造煤的存在降低了煤强度，即降低了阻止突出发生的阻力。南部3对矿井非常明显、非常普遍的构造煤成为煤与瓦斯突出的因素之一。 3.2 地质构造对地应力的控制作用 地质历史时期的燕山和雪中喜山2次主要构造运动六矿井田叠加，造成南部3对矿井地应力明显偏大。六矿地应力实测值说明，重直应力为金尼克理论值的1.05~1.78倍，而水平应力为金属尼克理论值的2.69~4.76倍，且分布很不均匀。应力实测值还说明六矿井田煤系地层内存在较大剪应力。剩余构造应力的存在起到了激发突出的作用，极大地增加了煤与瓦斯突出的危险性。计算结果说明，六矿井田内砖瓦向压缩状态煤体的弹性潜能约为与瓦斯内能的4倍，是破碎煤体、激发突出的主要动力，为煤与瓦斯突出主要激发因素。 构造应力还通过采掘活动形成的支承应力，造成应力的进一步叠加，激发突出。六矿发生的“9·12〞及“12·5〞突出事故都是支承应力作用结果。“9·12〞事故为：某工作面开采顶分层时的因处理断层留下20m×30m，下分层孤岛掘进行15m后，正处于孤岛中部，发生了突出事故，突出煤量85t，瓦斯量1800m3；〞12·5“事故为：为改造某工作面上顺槽，在距原煤层底板上顺槽2.5m处并行补掘一条由底找板2m处，炮后发生了突出事故，突出煤量140t，瓦斯量2600m3。2次事故的吨煤突出瓦斯量都只是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，因此突出动力主要是支承应力。 3.3 地质构造对瓦斯的控制作用 地质构造对瓦斯的控制作用主要表现在瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散速度等方面。各矿井实测瓦斯压力及吸附瓦斯含量见表4。 　表4 各矿瓦斯压力，吸附瓦斯量测定表 　　 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支矿井构造复杂，煤层透气性差，瓦斯含量与埋深、煤质关系密切。随着埋深增加，瓦斯含量增大；十矿煤层含水量较高，总体而言，鹤壁矿区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，因此，控制瓦斯突出发生的是采掘活动中瓦斯放散速度。 构造煤的发育程度决定着采掘过程中瓦斯放散初速度。实测的瓦斯散初速度（ΔP）见表5。 表5 矿井瓦斯初速度与煤类型关系 　　 实测数据说明，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，形成大量的有强烈膨胀能的游离瓦斯，在集中应力的激发下搬运、破碎煤体，促进煤与瓦斯突出的发生、开展。 4结语 （1）鹤壁矿区内南部3对矿井发生煤与瓦斯突出，北部5对矿井不发生，是区域地质构造控制作用的结果。地质构造通过对构造煤、地应力及瓦斯的控制作用的结果。地质构造通过对构造煤、地应力及瓦斯的控制，控制煤与瓦斯突出。在现开采水平构造煤的发育程度及规模是发生煤与瓦斯突出的关键因素。 （2）构造煤发育部位是鹤壁矿区防突重点，需加强构造带及底分层煤巷掘进的防突工作。同暗无天日，应积极研究地质构造的预测探测技术，为搞好煤与瓦斯突出预测预报提供地质资料。 （3）防治煤与瓦斯突出需采取卸压与增强综合防突技术，即通过排放钻孔和瓦斯抽放，降低地应力、瓦斯压力和瓦斯含量，相应增加构造煤强度。同时提高巷道支护强度，保证发生突出的阻力大于动力，防治煤与瓦斯突出事故，实现平安生产。