韩城矿区3 sup # _sup 煤层突出灾害特点分析及其防治对策_季飞.pdf

韩城矿区 3煤层突出灾害特点分析及其防治对策 季 飞 1,2，李生舟1,2 （1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 ，重庆 400037；2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司 ，重庆 400037 ） 摘要 针对矿区 3煤层厚度大， 瓦斯压力、 含量高， 煤层松软、 透气性差， 煤与瓦斯动力灾害严重的 现状，通对韩城矿区的瓦斯地质赋存规律及瓦斯动力灾害的特点进行梳理和深入剖析。研究结果表 明 韩城矿区 3煤层瓦斯灾害主要是以高地应力为基础的构造应力、 采动应力集中造成的瞬时突出， 部分异常松软区域会发生以高地应力为基础的准静载作用下的蠕变延时突出，据此提出了加强地质 探测工作， 从煤层瓦斯抽采和应力卸除两方面防治煤与瓦斯突出灾害的技术思路， 为矿区防治瓦斯动 力灾害提供理论指导。 关键词 韩城矿区 ； 瓦斯动力灾害 ； 高地应力 ； 延时突出 ； 蠕变性 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0089- 03 Analysis of Outburst Disaster Characteristics and Countermeasures of 3 Coal Seam in Hancheng Mining Area JI Fei1,2, LI Shengzhou1,2 （1.State KeyLaboratoryofGas Disaster Monitoringand EmergencyTechnology ， Chongqing 400037 ， China ; 2.China Coal Technologyand EngineeringGroup ChongqingResearch Institute ， Chongqing 400037 ， China ） Abstract Aimingat the status quoof3 coal seam in the miningarea with large thickness, high gas pressure and content, soft coal seam, poor gas permeability, and serious coal and gas dynamic disasters,Toanalyze and analyze the gas geological occurrence rules and the characteristics ofgas dynamic disasters in Hancheng mining area. The research results showthat the gas hazard in 3 coal seam in Hancheng Mining Area is mainly caused by the tectonic stress and mining stress concentration based on high geostress, and some abnormally soft areas will occur under the quasi static load based on high geostress The creep delay is outstanding. Based on this, the technical ideas for strengthening geological exploration, preventing coal and gas outburst disasters from the aspects of coal seam gas drainage and stress removal are provided, providing theoretical guidance for preventinggas dynamic disasters in miningareas. Keywords hanchengminingarea; gas dynamic disaster; high ground stress; delayoutburst; creep property 1矿区煤层地质特点 陕煤韩城矿业公司是韩城矿区的主要煤炭生 产企业， 现有四对生产矿井， 设计生产能力 7.80Mt/a， 核定生产能力 6.45Mt/a。以文家岭断层为界， 北区的 下峪口煤矿、 桑树坪煤矿及桑树坪二号井为煤与瓦斯 突出矿井， 南区的象山矿井为高瓦斯矿井。 韩城矿区瓦斯、 水、 煤尘、 顶板灾害并存， 其中 煤与瓦斯突出、 突水等灾害尤为严重。突出灾害类 型多以压出类型为主， 主要表现为地应力起主导作 用而瓦斯次之。随着矿区开采深度的增加， 突出灾 害日趋严重， 煤与瓦斯突出灾害已成为制约韩城矿 区安全高效生产的主要灾害[1～3]。 2矿区煤层瓦斯赋存情况 韩城矿业公司下峪口煤矿 2、 3煤层为突出煤 层， 桑树坪煤矿 2、 3、 11煤层均为突出煤层， 桑树 坪二号井 3煤层为突出煤层。据统计， 韩城矿业公 司所属煤矿共发生煤与瓦斯突出事故 145 次， 其中 3 煤层发生突出 144 次， 2煤层发生 1 次。矿区突 出多以压出类型为主。 矿区煤层瓦斯赋存差异性较大； 3煤层瓦斯含 量高、 压力大。 桑树坪、 下峪口矿 3煤层目前开采水 平煤层松软， 煤的破坏类型Ⅳ、 Ⅴ类； 桑树坪二号井 3煤层整体结构较硬， 含有软分层。 结合韩城矿区 3 对突出矿井 3煤层瓦斯突出危险参数以及开采中 的实际情况， 分析具有以下特殊特征 1） 桑树坪二号井比另外两井虽然埋深更浅， 井 田内煤层瓦斯压力低，但煤层瓦斯含量却更高， 现 场采掘过程中的瓦斯灾害情况相对轻微， 尚未发生 过突出事故， 表明韩城矿区瓦斯动力灾害中并非煤 层瓦斯含量起主导作用。 2） 韩城矿区 3煤层整体来说较为松软， 坚固性 系数 f0.11～0.48，仅在埋深较浅的桑树坪二号井 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 * 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804206； 中煤科工集团重庆研究院有限公司项目 （2017YBXM31 89 ChaoXing 井田内， 煤层较为坚硬。瓦斯放散能力为中等 - 较 强， ΔP7～22， 软分层煤样放散能力更强。 3） 韩城矿区主采 3煤层瓦斯解吸能力较差， 随 瓦斯压力增加， 解吸指标 K1增加不明显， 瓦斯压力 P0.74MPa， 对应的 K10.12～0.26mL/g min1/2， 指 标值较小； 实验室分析 K1指标在预测工作面突出危 险性敏感性相对较差。 3矿区煤与瓦斯动力灾害特点分析 3.1动力灾害规律分析 韩城矿区主采煤层 3 煤层属于严重突出煤 层， 发生突出 144 次， 统计突出有如下特点 1） 桑树坪煤矿的煤与瓦斯突出包括突出、 压出、 倾出， 其中以压出类型为主， 共发生 67 次， 占总数 的 55， 突出 55 次， 占总数的 45； 下峪口煤矿累 计发生突出 22 次， 其突出类型主要以压出为主， 占 比 81.8 （18 次） ， 表明韩城矿区的突出动力现象以 地应力为主， 次为瓦斯压力。 2） 韩城矿区突出强度一般不大， 以中小型为主； 煤巷突出占多数且煤巷存在明显的延时突出特点。 3） 突出点有规律性， 集中在地质异常区。桑树 坪煤矿 56的突出位置位于煤厚变化率超过 30 的厚煤带或者薄煤带中； 容易发生突出的异常地质 构造区域特点为， 煤层变薄、 变软， 煤结构紊乱、 干 燥、 煤的瓦斯解吸能力增强； 4） 多数突出前有较明显的突出预兆。 3.2动力灾害特点成因分析 韩城矿区主采 3煤层厚度大、 煤层整体较为松 软、 部分区域存在坚硬厚层顶底板， 加之矿区高地 压背景， 这种特殊的赋存条件下， 其瓦斯动力灾害 发生类型和发生机制有别于一般矿区的单一型瓦 斯灾害类型， 特别是构造附近的松软煤体将出现大 变形和蠕变特性。 煤与瓦斯突出是煤层瓦斯， 地应力和煤岩的物 理力学性质共同作用的结果。韩城矿区发生的突出 灾害类型因其复杂的煤层瓦斯赋存条件，煤层瓦 斯， 地应力和煤岩三种因素之间作用程度和耦合关 系不同， 可以概括为以下三种[4～8] 1） 以高能瓦斯为主要能量来源的瞬时突出。采 掘过程中， 将起到保护屏障的煤岩体破坏后， 含有 高瓦斯能量的煤体在压力作用下， 破碎的煤与瓦斯 突然喷向采掘空间， 突出示意图如图 1 所示。 2） 以高地应力为基础， 采动应力集中造成的瞬 时突出。这种突出中煤体本身处于较高的地应力环 境中， 发生了拉伸破坏为主的破坏， 在采掘活动的 扰动下， 应力状态进一步发生急剧变化， 或者发生 顶、 底板大规模破断或滑移垮落而产生强烈震动或 能量释放 （初次来压、 周期来压等） 。当煤层厚层坚 硬顶板存在冲击等危险时， 能量传导至采掘工作面 暴露的煤体， 将会表现为此种类型的突出。动载作 用下的瞬时突出示意图如图 2 所示。 图 1高能瓦斯作用为主的瞬时突出示意图 图 2动载作用下的瞬时突出示意图 目前在没有保护层开采条件的突出煤层， 矿井 若任然采用的是以预抽煤层瓦斯为主的区域防突 措施， 显然无法有效的改善采掘煤层的高地应力状 态， 同时煤层坚硬顶板瞬时破断形成动压冲击危险 依然存在， 无法根本性的消除地应力主导的和坚硬 顶板的动压诱发的突出危险。 3） 以高地应力为基础， 准静载作用下的蠕变失 稳延时突出。受韩城矿区整体高地压影响， 采掘工 作面煤体在高地应力作用下，已经处于峰后阶段。 当工作面采掘形成暴露空间， 煤体从原始状态下的 三向受压应力状态，转变为二向受压应力状态， 而 松软煤层由于蠕变性质，即使上覆荷载不增加， 其 变形量依然随时间增加而增加，出现应变软化， 一 般工作面前方煤层中应力没有明显的应力峰值区 域， 应力分布梯度较为平缓， 随着变形的进一步增 加， 就有可能失稳发生延期突出。如图 3 所示。 综上所述，韩城矿区煤与瓦斯动力灾害复杂， 不同类型的突出灾害，其防治技术思路应有所差 异， 实现精准高效防治。 4灾害防治对策 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 90 ChaoXing （上接第 88 页 ） 1 ） 煤矿井下瞬变电磁法因其具有的重量轻、 方向 性好、 工作效率高， 成本较低等优点在煤矿生产中具 有广泛的应用前景。 2 ） 本文通过运用煤矿井下瞬变电磁法， 确定了该 矿三采区皮带上山处 F10 断层的富水位置、 导水通道 等情况， 通过结合该矿的水文地质资料对比和现场钻 孔验证， 与现场地质情况符合度高。 3 ） 瞬变电磁法的探测结果制定制定相应的防范措 施， 确保煤矿在掘进期间的生产安全， 同时该种情况也 为其他煤矿相同地质条件下的生产工作提供借鉴。 参考文献 [1] 郭威,王玉和,刘文.基于瞬变电磁法探测结果的煤层底板 突水数值模拟研究[J].矿业安全与环保,2013,40220- 23. 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[5] 韩自强,罗姣,刘涛,孙旭东,杨敏强.定源回线瞬变电磁法 在煤矿富水区调查中的应用[J].地球物理学进展,2015,30 （04） 1705- 1711. 作者简介 张恒灿 （1976-） ， 男， 汉族， 江苏徐州人， 助理工程师， 原 任旗山煤矿掘进工区区长， 现任山西柳林碾焉煤矿有限责任 公司安全副矿长， 从事煤矿安全生产等方面的管理工作。 （收稿日期 2019- 9- 17 ） 图 3静载作用下的蠕变延时失稳突出示意图 目前相关法规已经明确了具有突出危险煤层 的两级 “四位一体” 综合防突措施， 预抽煤层瓦斯是 最基本的措施之一， 但是对于韩城片区地应力主导 型突出，仅依靠预抽瓦斯无法完全的消除突出危 险， 还应采取技术措施卸除煤层中的应力， 降低煤 层厚层坚硬顶底板中集聚的弹性能， 从而减轻采掘 过程中的来压诱发突出危险， 从煤层瓦斯和应力两 方面防治煤与瓦斯突出灾害。 1） 韩城矿区即使较小的范围内， 也可能瓦斯赋 存规律迥异，应积极采用先进技术加强探测工作， 加强对不同瓦斯地质单元及其开采技术条件下的 突出灾害机理研究， 提高采掘区域突出危险性的预 测精度及防突效率。 2） 矿区大部分煤与瓦斯动力灾害集中在地质异 常区， 与断层、 褶曲、 煤厚变化、 结构紊乱煤等息息 相关， 应加地质探测工作， 为煤与瓦斯突出灾害的 防治提供依据。 3） 针对矿井开采工艺技术条件， 研究应力集中 及顶底板来压规律与突出灾害之间的耦合关系， 从消 除和降低煤层应力角度来防治煤与瓦斯突出灾害。 4） 从灾害防治角度出发， 韩城矿区矿井应该优 先开采保护层，不具备保护层开采条件的区域， 煤 层瓦斯抽采和卸除地应力的措施应该并举， 可采用 水力强化卸压增透措施结合坚硬厚层顶板弱化降 冲技术的综合防突技术思路。 参考文献 [1] 黄政祥,公衍伟,马署. 水城煤田瓦斯赋存的构造逐级控 制[J].中国矿业,2018,27 （S1） 307- 310,315． [2] 李金海,徐永红,王军飞.樊寨井田二 1 煤层瓦斯含量主控 因素研究[J].中国矿业,2017,29 （08） 129- 132. [3] 程远平. 煤矿瓦斯防治理论与工程应用[M]. 徐州 中国矿 业大学出版社,2010 507- 543. 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