煤与瓦斯突出地质因素影响分析

瓦斯突出

中国煤炭学会煤矿安全专委会2009年学术研讨会论文集

矿业安全与环保

第36卷增刊2009年8月

煤与瓦斯突出地质因素影响分析

吴自立

(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆400037)

摘　要:煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤层结构特征的综合作用,大小在学术界仍存在较大的分歧。结合部分煤矿现场实际,进行了分析。

关键词:煤与瓦斯突出;地应力;断层;褶皱;中图分类号:TD713　　　文献标志码:C4495(2009)S1-0208-02　　,的自然灾害。,突出矿井,出要严重,如重庆的南桐矿区、天府矿区、中梁山矿区,湖南的白沙矿区、涟邵矿区,不仅表现在突出矿井数和突出次数多,而且突出强度大。突出的发生具有明显的区域性,不同矿区、不同煤层,甚至于是同一矿区同一煤层的不同区域,其发生突出的可能性以及突出强度的大小都是不一样的。椐统计资料表明:发生突出的区域仅占突出煤层整个采掘面积的10%～20%。地应力、瓦斯、煤层结构特征均是地壳运动、成煤过程、地质构造形成过程的产物,是在煤与瓦斯突出发生前已经客观存在的,因此,其存在伴随着地质上的原因和条件。

2　断层、褶皱和煤与瓦斯突出的关系

正断层一般是煤(岩)层受到张应力或张扭应力的作用而形成的,而煤层的正断层则是煤层在挤压过程中转化的局部张应力形成的。正断层虽然给瓦斯的赋存提供了一定的空间,瓦斯体积有所增加,但煤层内的瓦斯含量及瓦斯压力不会增加。当采掘活动经过该正断层时,煤层瓦斯的涌出量会有一定程度的增加,但发生煤与瓦斯突出的可能性不大。

逆断层是煤(岩)层受到压应力或压扭应力的作用而形成的。此类断层附近的煤层受到不同程度的挤压、揉搓,使得煤体的原生结构和构造受到不同程度的破坏,这种破坏作用往往使得整个煤层或煤层的分层出现大量的带有微孔裂隙的粉煤,使煤的比表面积增加数倍。而这些微孔隙的透气性能极低,同时构造挤压产生的压应力和剪应力又使其发生动力变质作用,产生大量变质增生游离瓦斯,进入煤层微孔隙和构造裂隙中。煤体强度又随着吸附瓦斯量的增加而降低,当采掘活动进入该断层附近区域时,煤体原有的应力平衡状态被打破,煤体内的瓦斯压力远远大于采掘空间的大气压力,进而激发了瓦斯动力现象的发生。地质构造区域常常存在复杂的构造应力,一方面,有利于煤体弹性潜能的集中,增加了煤与瓦斯突出的危险性;另一方面,地质构造区域煤体结构破坏严重,往往伴生着构造软煤,使煤体的强度大幅度降低,造成抵抗煤与瓦斯突出的能力下降。

利用断层落差的大小来判定煤层是否具有突出危险性,具有实际意义。重庆松藻煤电有限责任公司石壕煤矿在现场实际工作中采取的判识指标是:断层落差大于0.5m时,断层两侧各10m范围内划定为突出危险区;断层落差为1.0～2.0m时,断层

1　突出煤层的赋存情况

从发生煤与瓦斯突出矿井统计资料分析,煤与

瓦斯突出的发生既有煤层群的矿井,也有单一煤层的矿井。煤层的赋存情况非常复杂,既有急倾斜煤层,也有倾斜和缓斜煤层;既有薄煤层,也有中厚煤层和厚煤层。在同一矿井煤层倾角和厚度的变化较大。从煤层的赋存情况及区域地质构造来看,突出煤层分布在石炭纪、二叠纪及侏罗纪等煤系地层中,但以晚二叠纪的龙潭煤系占多数。与聚煤时期或成煤后期的构造运动相联系,在一个较大的区域,由于挤压作用、压扭作用,使地层内部的地应力处于紧张状态,未能得到释放,从而使煤层内的瓦斯不易释放,使得煤层内的瓦斯含量高。

收稿日期:2009-07-11

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增高。

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两侧各15m范围内划定为突出危险区;断层落差大于2.0m时,断层两侧各20m范围内划定为突出危险区;其他区域划定为突出威胁区域。

发生突出的区域均伴有断层、褶曲、煤层厚度变化和煤层结构受到破坏,其中在断层附近发生煤与瓦斯突出的次数几乎占总突出次数的40%～75%。因为在断层附近容易产生地应力的积累,而且距离断层越近,应力值越大,因为这些地方的岩(煤)层的强度较低。在矿井中,区域地应力还会与采掘活动引起的重新分布的应力相叠加,产生应力集中现象。而应力集中则是发生煤与瓦斯突出所不可缺少的先决条件之一。

煤(岩)皱,煤层因挤压而破坏,皱的轴部,“背斜贮气,斜穹隆,遭破坏时,;而,煤(岩)层透气性小有利于煤层瓦斯的生成,造成轴部瓦斯含量

3　煤层的结构特征

在发生煤与瓦斯突出地点的煤层中,都有煤质松软层、纹理紊乱的软分层。软分层与正常煤层相比较,煤层的原生构造已经受到严重破坏,极松软、易碎。在有煤与瓦斯突出危险的煤层均有这样的煤,这种软分层呈层状或透镜状(1层或多层)夹在煤层中;,看到全煤层都呈软煤;、煤层厚度变薄或变厚,,常具有极薄而又光;有的软煤被挤压、揉,呈松散的鳞片状,手捻易成碎粒或粉状。煤炭科学研究总院重庆研究院对煤与瓦斯突出煤层的微结构进行了较全面的研究,根据煤的表面形态及微结构的力学特性,把煤的微结构划分为4种类型,提出了微结构指数和与之相对应的突出危险程度,见表1。

表1　煤的表面形态、微结构与突出危险程度

类别ⅠⅡ

名称均一结构碎裂结构

微结构的力学性质未遭受构造破坏

在压应力作用下,产生的碎性压裂

在压应力作用下,产生的碎性或压扁

微结构特征

结构均一、致密,可见少量的微裂隙。具有块状、贝壳状煤被多组微裂隙切割,碎块间有位移,有滑动面出现,表面有擦痕

煤中微裂隙和孔隙发育,煤被压碎或重新定向,呈现粒状或出现弯曲的微节理面。具有粒状、片状、网状和定向排列结构

煤被强烈揉搓和压磨,使得微裂隙和空隙的形态及方向十分复杂,出现土状结构和扭曲的微节理面,具有鱼耔状、鳞片状、压扭性结构

43

微结构指数

12

突出危险程度非突出煤过渡型煤

Ⅲ粒状结构突出煤

Ⅳ糜棱结构

在压应力和剪应力作用下产生的压扭性破坏

严重突出煤

重庆松藻煤电有限责任公司石壕煤矿近年来在

生产实践中摸索出用煤的坚固性系数f和钻孔最大钻屑量Smax来预测煤与瓦斯突出危险性。当工作面煤体的坚固性系数f小于0.15时,具有煤与瓦斯突出危险性,不同钻孔直径最大钻屑量Smax临界值见表2。

表2　石壕煤矿钻孔最大钻屑量Smax临界值

钻孔直径/mm

Smax/(kg/m)

的瓦斯容易被保存并聚积下来;若煤层顶底板围岩

为多孔隙或裂隙发育的岩性时,瓦斯就容易逸散。

“十一五”期间,河南理工大学进行了煤层瓦斯赋存与围岩岩体结构关系的研究,提出岩体结构可用岩层效应厚度影响系数来表示,计算了煤层顶板

[1]

围岩对煤层瓦斯赋存的最佳有效影响厚度。顶底板围岩的岩性及组合对瓦斯纵向运移起到控制作用,围岩的孔隙大小以及孔隙相互间的连通情况决定围岩透气性的大小,不同的岩性组合关系决定围岩对瓦斯封盖的有效厚度大小

[2]

426.0

6515.0

8720.0

4　围岩对煤层瓦斯赋存的影响

影响煤层瓦斯赋存的因素很多,如煤化程度、埋藏深度、煤层倾角、地质构造、围岩、水文等。围岩透气性好,有利于瓦斯的排放;围岩隔气性好,有利于瓦斯的贮存。当围岩为致密完整、胶结性好的岩性,如泥质含量高的粉砂岩、砂质泥岩及泥岩时,煤层中

。

5　结语

近年来,我国在煤与瓦斯突出预测预报、预警方

面的研究工作取得了长足的进展,“四位一体”防治

(下转第212页)　　

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柱的推广奠定了基础。

4)为了用水而进行的各种防锈防腐处理增加了水介质单体液压支柱成本,造成煤矿在装备支柱时初期投入增大,据有关鉴定显示,超出原支柱成本20%,但随着新材料、新工艺的发展,有望得到降低。

煤矿机械中的应用展望[J].煤矿机械,2005(1):25-[2]张立丽,赵波.单体液压支柱研究的现状与进展[J].

新技术新工艺,2007(1):28-30.

[3]李炳文,朱冬梅,马显通.单体液压支柱的现状及存在的

总之,从世界各国的发展方向来看,使用纯水作为矿用单体液压支柱的工作介质是必然的趋势,从长远和环保考虑,应早日推广使用自行研制的“环保型”水介质单体液压支柱。

问题[J].煤炭科学技术,2003(4):54-57.

[4]陈宏,樊智慧,刘明义.水介质单体液压支柱的开发与应

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与应用展望[J].,2006(5):1-3.

[6]张卫平.[J].煤矿开采,

(6):参考文献:

[1]刘小华,许贤良,鲍和云,等.纯水液压传动技术及其在

(责任编辑:吴自立)

(上接第207页)

应过程,具有扩散、。其速率,成为了整个煤氧化反应的控制步骤。

2)在煤氧化反应中,扩散和化学反应对总速率起主要的控制影响。但是扩散和化学反应的相对重要性往往会随着反应条件如温度、粒径等变化而变化。

3)温度增加,化学反应的速率常数增加,扩散速率常数也增加,但增长速度小于前者;粒度增加,扩散速率常数减小,而化学反应速率常数不变。

4)随着温度和粒度的增加,先后形成了如图4所示的化学反应控制、复合控制和扩散控制3个区域。

参考文献:

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[5]塞克利,埃文斯,索恩.气—固反应[M].北京:中国建筑

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(责任编辑:吴自立)

(上接第209页)

煤与瓦斯突出措施在煤矿现场得到了认真的贯彻和推广,煤矿生产安全形势得到根本好转。今后一段时期应加强以下几方面的工作:

1)加强瓦斯地质的科学研究以及矿井开采区的地质条件分析,提高矿井瓦斯异常带预测预报的准确性。

2)加强瓦斯地质指标量化的深一步研究,真正做到能够定量研究、分析地质因素和煤与瓦斯突出的关系,以指导煤矿现场安全生产。

3)加强非接触式地质构造探测仪器仪表的研制,为煤矿现场提供必要的技术手段。

参考文献:

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[2]吕闰生,张子戍,刘高峰.基于瓦斯地质预测的地质量化

技术[J].煤矿安全,2009,40(6):11-13.

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[S].北京:煤炭工业出版社,1995.

[4]国家安全生产监督管理局,国家煤矿安全监察局.煤矿

安全规程[S].北京:煤炭工业出版社,2005.

(责任编辑:李　琴)

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