瓦斯地质讲座.pdf

瓦瓦 斯斯 地地 质质 讲讲 座座 （河南理工大学 张子敏） 一、 瓦斯地质及其发展 二、 瓦斯地质与灾害预测和防治 第一节第一节 瓦斯地质及其发展瓦斯地质及其发展 一、瓦斯地质的内涵一、瓦斯地质的内涵 瓦斯生于煤层，储存于煤层，只要开采煤炭就会有瓦斯涌出来。无论 从赋存、分布的地质原因和规律研究，还是从瓦斯涌出、瓦斯突出的原因 和规律研究，都牵扯到极其复杂的地质条件、地质理论、地质测试手段和 技术，当然还有开采等因素。 （一）瓦斯是特殊的地质体（一）瓦斯是特殊的地质体 瓦斯是无色无味的气体，具有可燃性和易爆炸性，人的肉眼看不见， 也摸不着， 在矿井空间几乎无处不有， 瓦斯事故发生的规律不同于水、 火、 顶板冒落等事故那样直观，它对于井下作业人员很抽象。据统计，我国煤 矿事故每年伤亡万人左右，瓦斯伤亡人数占总数的 40以上。 瓦斯是地质成因的， 它是在数千万年至数亿年前由煤的变质作用形成 的，它是生于煤层储存于煤层或围岩中的气体地质体，它的生成条件、运 移规律、赋存和分布规律都受着极其复杂的地质作用控制，它在煤层中的 赋存状态与煤颗粒、 煤分子之间的关系经历过极其复杂的地质历史演化过 程， 牵扯到复杂的区域地质构造学和煤田地质学、 煤化学知识； 它的运移、 流动规律牵扯到流体力学的知识； 它在煤炭开采过程中的涌出和突出规律 又牵扯到岩体力学、 采矿学的知识。 所以我们称瓦斯是复杂特殊的地质体。 由瓦斯引发的瓦斯突出灾害、 瓦斯爆炸灾害引起我国各级政府的高度 重视，投入大量的人力、物力、财力，组织国家“六.五、七.五、八.五、 九.五”科技攻关，以及“十.五”面临的新的攻关任务。 （二） 、瓦斯地质是科学的理论和技术（二） 、瓦斯地质是科学的理论和技术 大量的实践证明了瓦斯地质规律是研究瓦斯形成、分布、赋存和变化 1 的基本规律，瓦斯地质理论和技术是瓦斯灾害预测理论和技术的基础；是 瓦斯灾害防治理论和技术的基础；也是解决瓦斯抽放理论和技术的基础。 1、瓦斯生成理论和技术 表 1-1 每形成一吨煤的产气量 褐 煤 肥 煤 瘦 煤 无烟煤 68m3230 m3330 m3400 m3以上 表 1-2 各煤化阶段生气量 每个煤化阶段最终残留-吨煤的生气量，m3 煤 化 阶 段 气 体 泥炭向褐煤过渡 褐煤向烟煤过渡 烟煤向无烟煤过渡 甲 烷 二氧化碳 68.3 167.3 161.6 124.9 192.9 23.4 煤的变质作用可分为深成变质作用和岩浆热变质作用。 瓦斯生成量随 着煤的埋藏深度的增加而增加。 2、瓦斯运移和赋存规律 煤化作用生成的瓦斯经历数千万年至数亿年的地壳构造运动的作用， 80左右的气体都逸散掉了，因此瓦斯的运移和赋存规律极其复杂。只有 搞清煤田、矿区地质构造演化历史，在历次构造运动中含煤地层隆起剥蚀 和沉积坳陷的特征，才能搞清煤层瓦斯的主要保存特征，如同样是石炭二 叠纪系煤层，在山东省鲁西煤田由于隆起作用上覆缺失三叠系的地层，煤 层长期遭受风化剥蚀作用，大量瓦斯逸散，埋深 600-700m 深仍属瓦斯风 化带，山东省 98的矿井都属于低瓦斯矿井；而河南豫西煤田石炭二叠系 煤层上覆沉积了数千米厚的下、中、上三叠统的地层，因此瓦斯保存条件 较好，焦作、鹤壁、郑州、平顶山矿区都是高瓦斯和煤与瓦斯突出矿区。 只有搞清矿区、矿井地质构造及其构造应力场在历次构造运动中挤压、拉 张和剪切构造的发育特征，才能搞清矿井、采区、采面煤层瓦斯的保存和 高低分布特征；只有如此，也才能搞清矿区、井田的构造煤的发育和对瓦 2 斯突出灾害的控制特征。 3、瓦斯突出机理和瓦斯突出规律的研究 （1）瓦斯突出机理 煤与瓦斯突出是矿井开采中危险性最大的灾害， 是世界各主要产煤国 突出矿井共同面临的技术难题。 自从前苏联的霍多特为代表的煤与瓦斯突出机理综合假说提出以来， 近 20 年，在这一理论的指导下，瓦斯突出理论和技术的研究取得了明显 的进展。大量的实践表明，瓦斯突出是气、固介质共同参与下的地质问题 和力学问题，加上不同采掘环境下的矿山开采应力激化，使研究复杂化。 瓦斯地质的研究早已发现瓦斯突出都是发生在破坏严重的构造煤体。其 实，突出煤层中早已存在着瓦斯赋存量大、韧塑性破坏严重的高分散相、 低渗透性、低强度、并大于一定厚度的瓦斯突出煤体，它是发生煤与瓦斯 突出的必要条件。不同矿井开采深度、采掘工作面临近的断裂褶皱构造特 征及位置、采掘工艺等边界条件的不同，影响到瓦斯突出发生的临界条件 和突出强度大小等。 郑哲敏（1992）提出，煤与瓦斯突出现象的能量主要来自储存于煤层 中的瓦斯；卸载破裂是以拉断间断面形式从煤的表面向内部传播的。基于 煤与瓦斯突出机理综合假说， 我们认为煤与瓦斯突出动力现象是一定厚度 的瓦斯突出煤体在临近采掘工作面煤壁时（自由面） ，由于卸载引起煤体 拉张向深部扩展破坏，煤层透气性高倍增强，同时煤体大量瓦斯因降压快 速解吸，瞬时间在煤壁前形成高动能的气、煤颗粒混合体，类似点爆的炸 药包，造成煤体雪崩般地破坏。直到煤、岩体平衡拱（突出过程也是平衡 拱的形成过程） 形成可以抵挡煤体因卸压引起的拉断间断面不再向深部扩 展和瓦斯压力趋于平衡、瓦斯解吸不再向深部扩展时，煤与瓦斯突出动力 才会停止。 1200 万中国煤层瓦斯地质图说明书（1992）研究了中国煤与瓦斯 突出的区域分布，提出了深层构造陡变带、深层活动断裂带，推覆构造带 和强变形带是煤与瓦斯突出灾害的敏感地带。 大量的事实说明了瓦斯突出 煤体是强构造挤压并发生韧性剪切变形的产物。我国所有的瓦斯突出煤 层，在地质历史演化过程中都经历过区域构造控制下的强挤压、剪切破坏 作用。吕绍林（1999）提出，瓦斯突出煤体从发生到形成可以看成气固结 3 合的地质体在地应力、瓦斯内能等综合作用下复杂的力学演化过程，在这 一过程中激发了包括具有明显的热效应在内的各类电磁幅射、 地电场特性 也随之改变等，因此，有着与原生结构煤体不同的地球物理特征。应用区 域地质演化理论，结合瓦斯突出煤体地球物理场识别理论和探测技术，可 以定量化的预测瓦斯突出煤体的时空分布规律。 基于煤与瓦斯突出机理综 合假说，深入研究采、掘工作面煤与瓦斯突出机理，在此基础上，运用现 代计算机技术动态模拟演绎采、掘工作面瓦斯突出危险动态演变过程。有 的放矢地及时防治煤与瓦斯突出灾害。 （2）瓦斯突出规律的研究 （Ⅰ） 构造煤的发育是煤与瓦斯突出的必备条件 大量的现场调查和观测表明，在瓦斯突出地点的煤层中都存在着 煤质松软、层理紊乱、原生结构遭到严重破坏的大于一定厚度的软煤 分层，用手指可以搓成粉末状和粉粒状。这种煤是煤层在构造运动的 作用下受强挤压、剪切作用形成的以碎粒状、糜棱状为主的构造煤。 焦作工学院把在高瓦斯突出煤层中发育的构造煤直接称为“瓦斯突出 煤体” 。 ① 这种煤是煤层受强烈剪切破坏作用下形成的一种高分散相多 孔介质，煤的微孔隙微裂隙十分发育，大大增加了煤的比表面积，从 而使煤对瓦斯的吸附能力大大增强；当应力解除时，微孔隙与微裂隙 很快连通起来，又具有快速解吸瓦斯的能力。 ② 构造煤强度低，大大地减少了煤与瓦斯突出时破坏煤体时消耗 的能量。瓦斯突出煤体的坚固性系数一般都在 0.8 以下，多数在 0.5 以 下，0.10.3 居多。 ③ 构造煤很容易使裂隙闭合，在高地应力作用下压成“煤砖” ， 大大降低了煤的透气性。 瓦斯突出煤体在临近采、掘工作面前方时常常形成高应力梯度带、 高瓦斯解吸量梯度带和快速破坏带，巨大的弹性势能和瓦斯内能可以 转化为巨大的机械功，使煤体在极短的时间内产生雪崩式的破坏。 （Ⅱ） 压性、压扭性构造活动和部位是造成煤与瓦斯突出的根源 可以说，所有的煤与瓦斯突出都是源于构造活动挤压和剪切作用 4 的结果。构造挤压活动使得煤层具有高吸附瓦斯和封存瓦斯的能力； 构造挤压、剪切作用形成的压性、压扭性构造及其运动使得煤层发生 强烈地韧塑性破坏和变形，形成了发育的“构造煤” 。压性、压扭性逆 断层常常是煤与瓦斯突出的危险地带，湖南洪山殿煤矿蛇形山井田有 56 次突出都是发生在小型逆断层附近；四川天府矿区三汇坝一井发生 的 12870t/次、 2807t/次两次特大型突出都是发生在华蓥山深断裂的低级 断裂F14-4 逆断层的下盘和上盘。有些正断层附近发生的瓦斯突出，实 际上是这些断层在地质历史演变过程中原来曾经是压扭性的逆断层， 如沿太行山的焦作、安阳等矿区中的北北东、北东向正断层，有些就 是燕山运动早、中期太行山隆起活动时的逆断层，燕山末期至喜山早 期挤压活动被拉张活动所取代，华北断陷盆地的形成，使得沿太行山 隆起带的一些北北东、北东向压性、压扭性正断层演化成现今看到的 正断层，在这些正断层附近常有煤与瓦斯突出发生。 Ⅲ 深层构造陡变带、深层活动断裂带、逆冲推覆构造带、强度变 形带是发生煤与瓦斯突出的敏感地带 ① 中国的深层构造呈东西向和南北北北东向分布，以南北北 北东向带最为显著。贺兰山龙门山南北向陡变带上分布着石嘴山、 龙门山、雅荣、渡口等高瓦斯突出矿区，共有 10 余对高突矿井；太行 山武陵山北北东向陡变带上分布着南桐、松藻、焦作、鹤壁、安阳 等高瓦斯突出矿区， 共有 30 余对突出矿井。 近东西向的陡变带有两条 天山赤峰陡变带上分布有包头、下花园、北票等高瓦斯突出矿区， 共有 10 余对高突矿井；华南地区的萍乡-郴州也是一个深层构造带，分 布有萍乡、乐平、英岗岭、丰城、白沙、梅田、南岭等高瓦斯突出矿 区，共有 70 余对高突矿井，共发生突出 2000 余次。深层构造陡变带 既是中、新生代以来构造活动最剧烈的地带，也是陆内造山带，有着 特殊的地球物理场。 ② 华北盆地北缘断裂带、鄂尔多斯盆地西缘断裂带、太行山断裂 带分别与上述深层构造陡变带一致，在此不再论述。华北盆地南缘龙 首山固始深断裂带，受其影响的有靖远、宜洛、平顶山、淮南等高 瓦斯突出矿区，有 10 余对突出矿井。在华南地区，沿华蓥山断裂带上 有华蓥山、天府、中梁山高瓦斯突出矿区，共有 13 对高突矿井。沿南 5 丹紫云断裂带上分布有水城、六枝、红茂高瓦斯突出矿区，有 10 余 对突出矿井。宜春柳州断裂带和萍乡郴州陡变带一致。在扬子陆 块北缘断裂带上分布有黄石高瓦斯突出矿区。在金沙江红河断裂带 上有一个低瓦斯突出矿井蚂蝗庆矿。在东北地区，沿牡丹江鹤岗断 裂带上分布有鹤岗低瓦斯突出矿区和延边和龙二氧化碳突出矿区， 有 2 对低瓦斯突出矿井和 2 对二氧化碳突出矿井。在敦化密山断裂带上 有抚顺、鸡西高瓦斯突出矿区，有 8 对高瓦斯突出矿井。在伊兰舒 兰断裂带上有营城二氧化碳突出矿区。几乎所有的煤与瓦斯突出都与 深断裂活动有关。深断裂大多是板块结合带或地体的拼接带，且往往 是一些“复性” ， “长寿”断裂；深断裂带多是重力梯度带，壳、幔物 质陡变带，地球物理场变化带。燕山运动以来，中国大陆进入板块活 动期，东部受滨太平洋构造域控制，西部受特提斯构造域控制。东部 壳幔物质调整，陆壳活化，隆坳分异；西部印度板块持续北推，藏滇 板块隆升，西伯利亚板块对挤。现代板块活动，使得深断裂成为构造 活动的剧烈带，深断裂的挤压、剪切活动，控制着周围块段发生同动 力体系的挤压，使那里的煤层发生构造变形、破坏，应力集中，瓦斯 聚积同时发生。 ③ 中国多期、多层次的推覆构造十分发育，规模大者，推覆距离 达数十千米。在四川盆地的西侧发育的龙门山－菁河推覆构造带，逆 冲推覆指向盆地中心。沿推覆构造带上分布着龙门山、雅荣高瓦斯突 出矿区，有 7 对突出矿井；在四川盆地的东侧发育的武陵山、华蓥山 推覆构造带，逆冲推覆指向盆地中心，分布着松藻、南桐、天府、华 蓥山、中梁山高瓦斯突出矿区，有高突矿井 26 对。在江南古陆与华夏 古陆之间形成的湘桂萍乡乐平浙西“S”型和反“S”伸展向北西 凸出的弧形褶皱带，伴有向南东倾斜的逆冲推覆和多层次滑脱。这一 地区的涟邵高瓦斯突出煤田到萍乡乐平高瓦斯突出煤田，包括有萍 乡、丰城、英岗岭、乐平等高突矿区，共有 63 对高突矿井，发生煤与 瓦斯突出 2500 余次，是我国煤与瓦斯突出最严重的地区之一。淮南煤 田受舜耕山推覆构造的控制，矿区内逆断层发育，该煤田有 4 对煤与 瓦斯突出矿井。辽宁北票矿区处于大型推覆构造部位，是华北煤田最 严重的突出矿区之一，有 6 对矿井全是高突矿井，共发生突出 1500 余 次，最大的突出 1894t/次，也是华北地区突出强度最大的。 6 ④ 在华北陆块南缘和华南板块北缘受东秦岭强变形带和大别山 强变形带控制的华北平顶山、宜洛、荥巩、偃龙等煤田和淮南煤田， 华南黄石煤田，都是具有煤与瓦斯突出危险的煤田。 （Ⅳ） 瓦斯突出煤体地质规律研究 瓦斯突出煤体具有明显的动力变质作用特征，顺磁共振研究表明， 瓦斯突出煤体比原生结构煤体芳碳含量高，并随变形程度的加剧芳香 脂碳含量呈规律性变化；自由基浓度随煤破坏程度增大而增加。典型 的超微观结构为蜂窝状或熔岩状，能够吸附和积存更多的瓦斯并使煤 的强度极低。瓦斯突出煤体是动力地质作用的结果、是韧性剪切变形 的产物。研究证实，断裂活动主要通过简单剪切作用，使周围煤体产 生韧塑性变形形成构造煤体（瓦斯突出煤体） 。大量的资料表明，几乎 所有的煤与瓦斯突出都有与地质构造有关， 80以上的突出事故都是发 生在地质异常带。前述可知，我国几乎所有的煤与瓦斯突出矿区、矿 井都是位于区域构造控制下的强构造挤压、剪切带；所有的瓦斯突出 煤层在地质历史演化过程中都经历过区域构造控制下的强构造挤压、 剪切破坏作用；几乎所有的瓦斯突出煤体都是位于矿区构造、井田构 造或者是不同级别的断裂构造控制下的强挤压、剪切变形破坏带。研 究还证实，同级的小断层分布中逆断层附近的构造煤体比正断层附近 厚度大、范围广。 （Ⅴ）瓦斯突出煤体地球物理特征和探测技术研究 关于瓦斯突出煤体（构造煤）的研究，焦作工学院曾完成 2 项国家自然 科学基金，3 项煤炭科学基金，2 项河南省自然科学基金。瓦斯突出煤体从 发生到形成可以看成是气固结合的地质体在地应力、 瓦斯内能等综合作用下 的复杂的力学过程。 在这一过程中激发了包括具有明显的热效应在内的各类 电磁辐射，地电场特性也随之改变等，因此有着与原生结构煤体不同的地球 物理特征。瓦斯突出煤体与非突出煤体相比，导电性和介电性存在着明显的 差异；瓦斯突出煤体的超声波速小于 1000m/s,主要分布在 600m/s左右；而 非突出煤体的超声波速主要集中在 2200 m/s左右； 当电磁波穿过瓦斯突出煤 体时，能量明显减弱而出现阴影。目前煤矿探测小构造和地质异常带的地球 物理方法有无线电波透视法、槽波地震法、地质雷达法、层内电测深法和脉 冲超声波法等。焦作工学院在承担国家“九五”攻关子专题“矿井瓦斯突出 7 危险带预测的瓦斯地质技术研究”中应用煤炭科学总院重庆分院生产的 WKTF3 型无线电波透视仪在平顶山八矿的己15 13190 工作面和己15 14081 工作面分别探测出构造煤厚 0.31.0m的 3 个和 9 个瓦斯突出危险带。 （Ⅵ） 瓦斯突出煤体空间形态分布规律可视化研究 在前述研究工作的前提下，建立瓦斯突出煤体形成和分布规律的 三维地质模型，开发出实现瓦斯突出煤体厚度、形态空间变化规律的 可视化软件系统。 二二 瓦斯地质发展瓦斯地质发展 1 煤矿要设置和培养专职瓦斯地质人才 煤矿瓦斯地质和瓦斯防治技术是实践性强、理论性强的技术，瓦斯随着 开采深度、地质条件、开采技术随时都在变化，防治瓦斯灾害最重要的是随 时掌握瓦斯变化规律。煤矿必须建立瓦斯地质资料的探测、采集、整理分析 制度；随时编绘瓦斯地质图、表，以此指导瓦斯分布规律的预测和瓦斯灾害 防治。 2 建立健全矿井瓦斯地质工作规范制度 瓦斯地质规律是煤矿瓦斯形成、分布和赋存的基本规律，瓦斯地质理论 是科学的理论，瓦斯地质技术是煤矿安全生产和资源开发最重要、最基本的 技术。只要办煤矿，首先应搞清瓦斯地质规律，只有如此，才能了解和掌握 瓦斯涌出和突出危险的规律性；只有如此，才能搞清把瓦斯作为资源进行勘 探开发利用的理论和技术。在搞清矿区、井田煤层区域地质演化历史的基础 上， 做到一级级的控制， 从而搞清瓦斯赋存和瓦斯突出危险的分区分带特征。 目前，运用计算机技术，建立瓦斯突出危险性预测预报的四维可视化技术， 首先要建立准确地瓦斯地质模型。 这些都必须具有详尽的第一手瓦斯地质分 析资料。 3 把瓦斯技术和采矿技术密切结合起来 现代化采煤技术的高速发展，生产越来越集中，采掘机械自动化程度越 来越高，瓦斯集中涌出和矿山压力的急剧变化，使得原来的低瓦斯矿井也变 成了高瓦斯矿井，使得影响煤与瓦斯突出的因素越来越复杂。 4 应用现代化的多学科技术发展瓦斯地质技术和理论 面对煤与瓦斯突出灾害和爆炸灾害这种国际性的技术难题，瓦斯地质技 8 术要和现代化的监测技术、数据采集技术结合起来。充分利用地球物理场理 论和技术发展瓦斯地质技术的测试手段，如瓦斯突出煤体探测技术和设备； 充分利用计算机技术开发瓦斯突出煤体三维可视化软件， 开发采掘工作面瓦 斯突出危险动态模拟监测监控软件以及非接触式的瓦斯突出危险预测技术 手段。 5 研究方向 瓦斯地质研究和发展面临两大主题，一是瓦斯灾害预测与防治；二是煤 矿瓦斯资源开发利用。其中有两大难题影响发展，一是煤与瓦斯突出机理的 研究，需要进一步研究高应力状态下的煤层瓦斯赋存状态以及它的吸附、解 吸规律；二是构造破坏煤体的研究，对于瓦斯突出煤层而言可以称为瓦斯突 出煤体。构造破坏煤体高分散相、高吸附能力、低强度、低透气性，在我国 高瓦斯突出煤层普遍发育，是我国实现煤层气产业化的难点，也是我国煤与 瓦斯突出灾害防治的难点。 第二节 瓦斯地质与瓦斯灾害预测和防治 第二节 瓦斯地质与瓦斯灾害预测和防治 瓦斯灾害预测主要为瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出预测、煤岩与二 氧化碳突出预测。 瓦斯涌出量预测目前主要有矿山统计法和以瓦斯含量为基 础的分源计算法；瓦斯突出预测分为区域预测和工作面预测。瓦斯灾害防治 主要为煤与瓦斯突出防治和瓦斯爆炸灾害的防治，方法就更多了，以上这些 内容都具体有人专题讲。 我这里主要讲瓦斯地质与瓦斯灾害预测和防治的关系。 一、瓦斯地质与瓦斯涌出之间的关系 一、瓦斯地质与瓦斯涌出之间的关系 煤层瓦斯涌出是指发生在煤层采掘过程中，由煤炭的破碎、运输和煤 壁释放到回采空间。正常瓦斯涌出的过程缓慢持久，涌出量十分可观，是造 成矿井开采过程中瓦斯积聚超限和发生瓦斯爆炸事故的根源。 有些矿区瓦斯 涌出还包括开采层上下顶底板范围内受采动影响的不可采邻近煤层或岩层 的瓦斯。如阳泉矿务局以矿井瓦斯涌出量大闻名全国，年瓦斯涌出总量高达 3.5亿， 平均每分钟涌出瓦斯700m， 折合每生产1t煤瓦斯涌出量为31。 m3 3 m3 瓦斯涌出也是不均衡的，在空间分布上具有明显的分区、分带特征。瓦 斯涌出的非均衡性不仅存在于煤田、矿井之间，而且还存在于同一煤层同一 9 矿井的不同工作面之间。据全国 334 个煤田和矿区统计，高瓦斯矿区和煤田 有 149 个，低瓦斯矿区和煤田为 185 个。可以将全国各大地区的煤层瓦斯在 空间分布上划分为 8 个高瓦斯区和 12 个低瓦斯区；36 个高瓦斯带和 53 个 低瓦斯带。图 1 为山西太原南峪矿区瓦斯涌出分布图。该区域内矿井瓦斯涌 出总的呈现南高北低、两边高中间低的趋势。瓦斯涌出条带的延展方向在区 域北部呈弧形；区域中部近东西，区域南部呈封闭形。其走向为北西到南东 向，这与区域内主要构造轴线一致。 图 1 山西太原南峪矿区瓦斯涌出量分布图（m/t） 3 在煤炭生产的各个不同阶段都会遇到瓦斯涌出问题。但由于矿井瓦斯地 质条件、生产技术条件和开采技术条件的差异，矿井瓦斯涌出规律和涌出量 因地而异，因矿井而异。影响瓦斯涌出的因素多而复杂，根治技术难度大， 一直是我国煤炭战线长期存在的重大技术难题。特别是近几年，随着矿井开 采范围的加大和高产高效矿井或高产高效工作面的出现， 打破了低瓦斯矿井 和高瓦斯矿井的划分界限，许多过去的低瓦斯矿井变成了高瓦斯矿井，一些 低瓦斯矿井中出现了高瓦斯采区或高瓦斯工作面，给矿井通风管理带来了极 大的困难。 为了研究矿井瓦斯涌出量与地质因素之间的关系，作者以工作面瓦斯涌 10 出量作为因变量，选取埋藏深度、煤层倾角、断层密度、煤层厚度、构造煤 厚度等作为自变量， 建立了阳泉矿区 3 号煤层瓦斯涌出与地质因素之间关系 的数理统计模型，即 qDFM 涌 −−38221978465672169510351003212602726......2-3 式中D──煤层倾角，度； F──断层密度，条/万m； 2 M──煤层厚度，m。 从该数学模型分析得，矿井开采过程中工作面瓦斯涌出量与煤层倾角呈 正相关关系； 与断层密度呈负相关关系； 与煤层厚度有极明显的正相关关系。 说明煤层的透气性具有各向异性， 即顺煤层方向的透气性比垂直层面方向的 透气性大，煤层倾角大有利于采后冒落、垮落高度大，卸压影响范围大，使 邻近煤层瓦斯大量涌向采空区而流向工作面， 因而工作面瓦斯涌出量与煤层 倾角正相关；煤层厚度大，生成瓦斯的原始质料多，况且空间大有利于瓦斯 赋存，对瓦斯涌出量的增加是不容忽视的；断层密度加大而减少瓦斯涌出量 是不言而喻的。 二、瓦斯地质与煤与瓦斯突出之间的关系 二、瓦斯地质与煤与瓦斯突出之间的关系 煤与瓦斯突出（含岩石与突出，以下简称瓦斯突出或突出）是煤矿 地下开采过程中煤体在一个相当短的时间内突然抛向采掘空间的一种重要 的自然灾害，严重影响着矿井安全生产和职工人身安全。自 1834 年 3 月 22 日法国鲁尔煤田伊萨克矿井在急倾斜厚煤层平巷掘进工作面发生了世界上 第一次有记载的瓦斯突出至今的一个半多世纪中， 世界各主要产煤国如俄罗 斯、波兰、澳大利亚、德国、英国、日本等都发生过程度不同的瓦斯突出。 瓦斯突出一直是世界各国突出矿井安全和减灾防灾工作的主体。 我国是世界 上发生瓦斯突出最为严重的国家之一，据不完全统计，目前我国有瓦斯突出 矿井 270 余对，已发生煤与瓦斯突出万余次。近年来，随着煤炭工业的迅猛 发展，瓦斯突出对煤矿安全生产的威胁与日俱增，如平顶山矿区的东三矿近 几年相继发生了瓦斯突出， 成为了这些矿井影响安全生产和经济效益提高的 重要因素。 co2 （1）瓦斯突出的基本情况 中国煤矿瓦斯突出 97以上都发生在高瓦 斯矿井，仅开滦的赵各庄、张家口的前山矿、鹤岗的南山矿和新一矿、抚顺 的南昌井、盘江的火铺井和云南的蚂蝗庆矿为低瓦斯矿井。瓦斯突出矿井的 11 分布以华南地区最多为 181 对，占全国瓦斯突出矿井总数的 66.3；其次为 华北地区和东北地区各为 67 对和 21 对，分别占全国瓦斯突出矿井总数的 24.1和 7.6；西北地区为 5 对，占全国瓦斯突出矿井总数的 2。从含煤 地层时代来看，开采石炭、二叠纪煤层的突出矿井最多为 230 对，占全国瓦 斯突出矿井总数的 83.7；其次是开采早、中侏罗世和晚三叠世煤层的矿井 为 23 对，占 8.5；开采晚侏罗世早白垩世煤层的矿井为 17 对，占 6.3； 开采第三纪煤层的矿井为 4 对，仅占 1.2。 中国煤与瓦斯突出的始突深度在不同矿区、不同矿井相差甚大。始突深 度最小的不到 40m，如湖南红卫里王庙矿为 35m；最大的达到 600m 以上， 如抚顺老虎台矿为 640m。华南地区东部的湘、赣、粤始突深度最小，一般 为数十米到 200m； 华南地区西部的川、 黔、 滇始突深度一般为 100m～400m； 华北地区的始突深度约为 200m～500m；东北地区的始突深度在 100m～ 400m 之间，最大为 600m。 中国瓦斯突出矿井中，突出强度以中、小型为主。特大型瓦斯突出矿井 有 30 对左右，主要分布在阴山燕辽、黑吉辽中东部、四川盆地龙门山大巴 山、川南黔北黔西、赣湘粤桂东 5 个煤层瓦斯含量高和矿井瓦斯涌出量大的 高瓦斯区内。华南地区特大型瓦斯突出矿井最多，有 25 对，占全国特大型 瓦斯突出矿井总数的 80以上。 突出强度最大的是天府的三汇坝一矿， 最大 突出煤量为 12780t； 其次是南桐的鱼田堡矿和白沙的红卫煤矿坦家冲井， 最 大突出强度分别为 8327.5t 和 4500t。 （2） 瓦斯突出的地质因素 从地质角度研究瓦斯突出动力现象，主要 考虑发生瓦斯突出的气体介质和构造破坏介质两方面因素，即煤层瓦斯含 量、地质构造和由地质构造破坏造成的煤体结构。 第一，煤层瓦斯含量高是瓦斯突出发生的基础。瓦斯突出集中分布在煤 层瓦斯含量相对富集的地带，全国 30 对特大型瓦斯突出矿井中煤层瓦斯含 量一般都在 20m左右，从而不少矿区把煤层瓦斯含量作为评价瓦斯突出 的标准。如湖南的涟邵和郴耒矿区煤层瓦斯含量大于 15为严重突出煤 层；瓦斯含量 9～15为一般突出煤层；煤层瓦斯含量小于 9不发 生瓦斯突出。四川南桐矿区、天府矿区和焦作矿区发生瓦斯突出煤层的瓦斯 含量临界值分别为 6m、8m和 10。煤层瓦斯含量不仅决定着发 生瓦斯突出的难易程度，而且还影响瓦斯突出的强度，如江西乐平矿区的涌 山煤矿煤层瓦斯含量为 17.01m，最大突出强度为 2200t；而该矿区的仙 t t tt ttt t 3 / m3/ m3/m3/ 3 / 3 /m3/ 3 / 12 槎矿煤层瓦斯含量相对较小，瓦斯突出的最大强度 100t 左右。 第二， 煤体结构的破坏是一种地质构造破坏标志和发生瓦斯突出的必要 条件， 国内外不少研究者都把煤体结构的破坏程度作为预测瓦斯突出危险性 的指标。煤体结构破坏是煤层受到构造强烈挤压和剪切破坏作用的产物。由 于受力大小、作用范围和受力状态的非均衡性，煤层中范围和厚度大小不同 的自然分层发生变形，丧失了原来的均质、层理清晰的条带状结构，而形成 破碎的颗粒或粉状的构造破坏煤。焦作工学院称其为构造煤，并根据煤体宏 观和微观结构特征，把构造煤划分成碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤 4 种类型。构造破坏煤常常发育在压性、压扭性或剪切构造发育区域内构造应 力比较集中的地带，由于煤层物质组成和受力状态的不同，构造破坏煤呈夹 层状或透镜状分布于煤层中的不同部位。 在突出煤层构造破坏煤特别是碎粒 煤、粉粒煤和糜棱煤的存在性决定了煤层是否具备发生瓦斯突出的物质条 件。 国内外大量观测研究表明， 在瓦斯突出地点的煤层中都存在有煤质松软、 层理紊乱、原生结构遭到严重破坏、呈层状或透镜状分布的软分层，所有的 瓦斯突出都发生在构造破坏煤发育的地带之中。 作者通过多年从瓦斯地质角 度研究瓦斯突出煤体结构和通过探测煤体破坏结构进行瓦斯突出预测， 把构 造严重破坏并具有发生瓦斯突出的瓦斯能（即含有大量瓦斯）介质条件的煤 体称作瓦斯突出煤体，把原生结构煤称作非突出煤体。瓦斯突出煤体从理论 上是瓦斯突出各项参数的综合反映， 反过来瓦斯突出参数也从本质上确定了 瓦斯突出煤体的易突性。 瓦斯突出参数（值）是通过煤矿井下采取煤样在实验室测定获得 的相对指标，是目前国内外广泛采用的预测瓦斯突出的物理量，其值大小不 仅能够客观地反映煤体强度和破坏程度， 而且还能很好地体现发生瓦斯突出 的气体介质条件。大量的试验考察结果表明，Δ值参数决定于煤体结构 的宏观类型，二者之间的关系极为密切。尽管其绝对值随矿区不同而有所变 化，但对于同一矿区、同一煤层来说，其数值特征主要取决于煤体的破坏程 度。随着煤体破坏程度的升高，值减小， ΔPf、 Pf、 f ΔP值增加。 国内不少研究单位对煤的值与煤体结构之间的关系进行了大量的研 究，在生产实际中进行了广泛应用并取得了十分明显的安全效益和社会效 益。 煤科总院抚顺分院提出突出煤的值小于 0.52； 湖南煤研所认为在 0.3～ 0.8 以下。由于煤质条件的差异，不同矿区瓦斯突出煤的值具有不同的临 界值。南桐矿区根据煤的值把煤层分为非突出煤层（值0.45） 、一般突 f f f ff 13 出煤层（0.45值0.35）和严重突出煤层（值0.75 时为难突出煤层；0.75值0.45 时为可能突出煤层；值0.45 时为 易突出煤层。北票矿区当值0.8 时就极易发生瓦斯突出。中国部分特大型 瓦斯突出矿井中，突出煤的值很小，几乎都在 0.2 以下。 fff ff f f ΔΡ值作为评价瓦斯突出危险程度的重要的瓦斯突出参数受到了各主要 瓦斯突出国家的普遍重视， 同样也在科学研究和生产实际中得到了广泛的应 用。南桐鱼田堡的测定破坏煤的瓦斯放散初速度比原生结构煤增大 4 倍左 右。 煤的比表面积是表征瓦斯突出煤体气固介质物理和化学吸附能力的指 标。在一定的瓦斯压力条件下，煤的比表面积越大，煤对瓦斯气体的吸附能 力越强，但当煤中的瓦斯压力部分解除后，煤的比表面积的大小又直接影响 到煤的解吸瓦斯的能力。 实验证明煤的比表面积与瓦斯解吸的速度和解吸量 都存在着明显的线性关系。 因而煤的比表面积的增大不仅增强了煤吸附瓦斯 和放散瓦斯的能力，而且也增加了瓦斯突出的危险性。焦作工学院对鱼田堡 煤矿煤的比表面积与煤体结构类型以及与瓦斯突出之间的关系进行了系统 的研究。原生结构煤的比表面积小于或等于 30m g 2 ；原生结构受到轻微破 坏煤的比表面积为 30～40m g 2 ；原生结构受到严重破坏的碎粒煤、粉粒煤 和糜棱煤煤的比表面积大于 40m g 2 。鱼田堡煤矿的瓦斯突出绝大部分都发 生在煤的比表面积大于 40m g 2 的地带，因此该矿将煤的比表面积 40m g 2 作 为瓦斯突出的临界值。除此之外，煤的比表面积对瓦斯突出强度也有一定的 影响，如鱼田堡矿的 6 号煤层，煤的比表面积最大为 22.00～44.23m g 2 ，为 局部突出煤层，突出强度最大为 450t，平均突出强度为 41.3t；4 号煤层煤的 比表面积最大为 44.00～103m g 2 ，比 6 号煤层大 2～3 倍，最大突出强度为 8327.5t，平均突出强度为 208.2t。全国许多瓦斯突出矿井都有瓦斯突出危险 性随着煤的比表面积的增大而增加的明显规律。 煤体结构的微观特征研究能够从更深层面刻画瓦斯突出煤层的煤体结 构特征。碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤在扫描电子显微镜图象主要表现网格状结 构、碎裂结构和蜂窝状或溶岩状结构。网格状结构普遍存在于碎粒煤、粉粒 煤和糜棱煤中， 从图象上观察似经络状的网格状结构是由许许多多的白色或 灰白色的长短不等、宽窄不同、弯弯曲曲并彼此交织在一起的网纹所构成， 可作为从微观的角度评价瓦斯突出煤体结构的破坏程度的典型特征。 碎裂结 构又可分为显微角砾状结构、团粒状或鱼籽状结构和定向排列结构。显微角 14 砾状结构的特点是由许多大小不等的、 棱角明显或稍有磨圆的碎粒和夹杂在 其间的更加小的粉末组成， 它们是煤体脆性形变过程中颗粒之间相互搓揉的 结果。 团粒状或鱼籽状结构是煤体由大小不同的无数细小的似圆球形或团粒 构成，其与显微角砾状结构十分相似，只是比角砾状颗粒更加圆化。定向排 列结构的特点是煤中破碎细小颗粒沿一定方向呈现似层状构造的平行排列， 其中是构造破坏程度相对较小的煤体结构。 蜂窝状或溶岩状结构是严重破坏 煤体在高倍电子显微镜下所呈现的图象特征。 煤体由大小不等、 形态不规则、 连通或孤立存在的许多蜂窝状空洞组成。构造破坏程度较高的煤体结构（粉 粒煤和糜棱煤） 在电子显微镜下所表现出来的微观结构反映了构造破坏煤体 的内部孔隙和内表面特征、储存和运移瓦斯条件、煤体强度性质以及发生煤 与瓦斯突出的物理介质条件。 构造破坏煤的厚度也是影响瓦斯突出的重要地质因素。如果厚度较薄， 在 0.1m 或 0.15m 以下时，一般情况下不管其它条件如何变化都不会发生瓦 斯突出。因此，不少矿区都提出了以构造破坏煤的厚度作为预测瓦斯突出危 险性的指标。如阳泉 3 号煤层发生瓦斯突出的构造煤厚度为 0.45m，安阳龙 山矿为 0.1m。 南桐矿区 4 号煤层的构造煤厚度 1.6m～2.0m 发生瓦斯突出次 数占全矿区瓦斯突出总数的 48.3，平均突出强度为 110t；5 号煤层的构造 煤厚度 0.04m～0.3m 发生瓦斯突出次数占全矿区瓦斯突出总数的 23.6， 平 均突出强度为 31.6t； 6 号煤层的构造煤厚度 0.1m～0.40m 发生瓦斯突出次数 占全矿区瓦斯突出总数的 24.8，平均突出强度为 37.1t；在中国华南地区 所发生的瓦斯突出大部分都与构造煤急剧变厚有关。 第三，构造应力相对集中的地带是瓦斯突出发生的主要位置。瓦斯地质 研究表明， 瓦斯突出分布是不均衡的， 在平面和空间上具有分区分带的特征， 地质条件对瓦斯突出的分区分带具有明显的控制作用。特别是压性、压扭性 构造与瓦斯突出息息相连。究其原因，一方面是这些构造有利于造成构造煤 形成和发育；另一方面是在这些构造发育的地带构造应力比较集中，使煤层 处于强压状态，从而有利于在煤层中赋存高压瓦斯。中国华南地区在地质历 史演变过程中压性和压扭性构造作用时间较长， 这无疑是瓦斯突出的频率和 强度都比其它地区严重的重要原因。况且从现今的构造应力场来看，华南地 区的地应力作用仍然比华北地区高。 国家地震局地壳应力所测定的中国东部 大陆地表 100m 以上的构造应力状态表明，华北地区平均水平主应力为 3.3MPa，平均水平应力差为 1.8MPa；而华南地区平均水平主应力为 8MPa， 15 平均水平应力差为 4.8MPa。 在断裂构造中瓦斯突出主要与压性、压扭性断裂有关，有时断距只有几 m 甚至几 dm 的小型逆断层或平移断层就会导致强烈的瓦斯突出。 这在我国 华南地区的一些突出矿井中是很常见的。 如天府矿区的刘家沟矿和磨心坡矿 的瓦斯突出主要发生在小型逆断层附近，如图 2 所示。广东的梅田矿区有 70 余次瓦斯突出与小型的压性和扭性断层有关。 湖南的洪山殿蛇形山井有 56 次瓦斯突出发生在断距小于 5m 的压性和 压扭性断层附近。马田桐子山井南大巷有 4 条小型逆断层的 70m 距离的掘 进中发生了 5 次瓦斯突出。 六枝矿区 NE 向展布的梅子关背斜上发育的一系 列 NNE 向的压扭性小断层控制着该矿区的瓦斯突出分布。大用矿在这些小 断层附近发生了数 10 次的瓦斯突出；四角田矿的中央采区在这些小断层附 近发生过多次严重的瓦斯突出。天府矿区三汇一矿突出煤量达 12780t 和 2807t 的两次特大型瓦斯突出分别发生在华蓥山深断裂的低级断裂逆断 层 F14 4− 图 2 天府背斜刘、磨两矿煤与瓦斯突出点与断层的关系 的上盘和下盘； 抚顺矿区的瓦斯突出也主要发生在抚顺密山断裂的次级断 裂逆掩断层的下盘。在一些正断层部位发生的煤与瓦斯突出，多数是由于 这些断层开始时是逆冲推覆断层，后来构造应力场改变，逆冲推覆变为重力 滑脱而成为正断层。如太行山东麓的焦作、安阳、鹤壁等矿区的 NNE 向的 正断层；平顶山矿区北北西向的正断层，在这些断层附近，常常分布有发育 的构造煤。 F1 瓦斯突出与褶皱构造之间的关系也是极其密切的。 煤层在褶皱形成过程 中由于韧性剪切、塑性流动而形成构造煤的“煤包”附近通常是发生严重瓦 斯突出的部位，这种情况在中国华南地区的矿井中比较常见。如江西的新华 煤矿为一褶皱构造，在向斜轴部形成的厚度较大的 4 个“煤包”是该矿发生 瓦斯突出的重要地带。 自 1961～1981 短短的 20 年间仅一号矿井就发生瓦斯 16 突出 103 次，其中位于矿井东部的第二个“煤包” ，由于厚度比较大，突出 次数最多， 占