新安礦特厚煤層綜放開采煤與瓦斯突出特征

新安礦特厚煤層綜放開采煤與瓦斯突出特征

中國的煤炭和磚瓦事故顯著。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,2001—2009年2月初全國各類煤礦共發(fā)生煤與瓦斯突出事故340起,死亡人數(shù)共2185人,平均每起煤與瓦斯突出事故死亡5.34人。為了防治突出,噸煤成本中平均增加15元,甚至高達30元,給企業(yè)造成了沉重負擔,嚴重制約著礦井經(jīng)濟效益的提高,因此迫切需要弄清礦井煤與瓦斯突出的主控因素,找到切實可行的防突措施,才是保障突出礦井安全生產(chǎn)和提高其經(jīng)濟效益。分析礦井煤與瓦斯突出的主控因素,可以更加合理地應(yīng)用防突措施、減少防突工作的盲目性、節(jié)約防突工程費用。1煤層瓦斯產(chǎn)出現(xiàn)狀新安礦于1988年建成投產(chǎn),設(shè)計年生產(chǎn)能力150萬t。采用斜井雙水平上下山開拓,一水平標高+150～+25m,分東西兩翼進行分區(qū)開采,東翼有11、13、15采區(qū),西翼有12、14采區(qū)。目前開采一水平。開采煤層為二疊系山西組二1煤,全井田僅二1煤層大部分可采,其它煤層均屬不可采或偶爾可采。二1煤層位于山西組下部,全層厚度為0～18.88m,平均厚4.22m。煤層結(jié)構(gòu)較簡單,局部含夾矸1～2層,井田內(nèi)地層傾角平緩,構(gòu)造簡單,并以封閉式斷裂為主,煤層較厚,且變質(zhì)程度較高,瓦斯賦存條件較好。新安礦自投產(chǎn)以來,絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量較大,歷年礦井瓦斯等級鑒定均為高瓦斯礦井。11、13、15采區(qū)瓦斯含量在4～7m3/t,12、14和新16采區(qū)瓦斯含量都在9m3/t以上,呈現(xiàn)出東采區(qū)瓦斯含量小、西采區(qū)瓦斯含量大的特點。近年來,上山開拓基本已經(jīng)結(jié)束,工作面多布置在下山,隨著開采深度的增加,瓦斯涌出量出現(xiàn)增大的趨勢。2003年以來,個別地段出現(xiàn)的瓦斯集中涌出和偶然局部聚集等現(xiàn)象,成為發(fā)生瓦斯事故的隱患,并多次發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象。2005年被認定為煤與瓦斯突出礦井。2工作面瓦斯動力現(xiàn)象截止2006年12月,新安礦共發(fā)生有較完整記錄的瓦斯動力現(xiàn)象11次,其中掘進工作面10次,回采工作面1次。從突出分布來看,礦井東翼11采區(qū)11221工作面發(fā)生過3次瓦斯動力現(xiàn)象,其中有一次為突出,13專用回風下山發(fā)生1次瓦斯動力現(xiàn)象,14采區(qū)多次發(fā)生瓦斯異常涌出動力現(xiàn)象。歷次瓦斯動力現(xiàn)象基本特征見表1。3礦山開采法的顯著性3.1突出強度劃分標準根據(jù)動力現(xiàn)象的力學特征,煤與瓦斯突出分為突出、壓出和傾出三種類型,對照礦井11瓦斯動力現(xiàn)象特征,其中1次可定為突出,約占9%,其他10次均為壓出,約占91%。我國按照突出煤量將突出分為四種強度類型:①小型突出:突出煤量小于50t;②中型突出:突出煤量50～99t;③大型突出:100～999t;④特大型突出:大于1000t。根據(jù)上述突出強度劃分標準,新安礦屬于以小型突出為主的突出礦井。在11次突出中,最大1次突出煤量50t,是回采工作面突出,其他10次煤巷掘進突出均較小,最大的1次突出28t(14皮帶下山14191面上巷口下8m,正頭煤體退約2.5m,正頭出現(xiàn)一條小斷層),最小的僅為2t,平均突出煤量10.14t,遠未達到中型以上的突出強度,突出強度見圖1。3.2激發(fā)煤的初始匹配深度從圖2中可以看出,礦井始突深度為290m(11采區(qū)),但是在走向上礦井始突深度是變化的,向東13采區(qū)始突深度僅為290m,向西12采區(qū)采深已經(jīng)達到550m,尚未發(fā)生突出,再向西到14采區(qū),始突深度為550m。始突深度在不同采區(qū)具有波狀起伏的特點。井田內(nèi)地形復雜,高山、峽谷、河流使得地形起伏變化較快,不同采區(qū)始突深度只能認為是一個概念,而不是絕對數(shù)據(jù)。從圖3突出標高來看,礦井始突標高為+60m,發(fā)生在13采區(qū)。但是在走向上礦井始突標高也是變化的,向東11采區(qū)始突標高為-20m,12采區(qū)開采標高已經(jīng)達到-50m,尚未發(fā)生突出,再向東14采區(qū)始突標高為+40m;向西15采區(qū)見煤標高已經(jīng)達到+45m,未發(fā)生過突出。由于地形的變化,突出標高在不同采區(qū)有一定的變化。3.3瓦斯動力的表現(xiàn)作業(yè)工藝是發(fā)生煤與瓦斯突出的外因,對突出只具有誘導作用。煤巷掘進中的作業(yè)工藝一般有放炮、風鎬落煤、手鎬作業(yè)、打鉆擴孔、架棚等。在各類可以誘導突出的作業(yè)方式中,一般以放炮落煤誘導突出的次數(shù)最多,其次是風鎬和手鎬作業(yè)。從11次不完全統(tǒng)計的情況來看,突出主要發(fā)生在架棚、背幫、栽腿或攉煤的時候,并不是發(fā)生在放炮落煤或是風鎬作業(yè)環(huán)節(jié),可見煤層具有延時突出的特點。從突出征兆來看,絕大多數(shù)瓦斯動力現(xiàn)象發(fā)生前有預兆,最主要的突出預兆是:響煤炮、煤塵飛揚、煤體外移或從煤墻上部脫落(片幫)、瓦斯涌出突然增大并伴隨探頭報警等。從11次突出事故統(tǒng)計來看,上述征兆幾乎同時發(fā)生,并不是孤立的,反映了一個突出過程的幾個不同方面。3.4巷道開采深度增加從突出時間分布來看,最早1次發(fā)生在2003年14皮帶下山,壓出煤量28t,也是迄今為止煤巷掘進突出煤量最大的一次,突出征兆明顯。之后不斷有瓦斯動力現(xiàn)象發(fā)生,11次突出分布見表2。從表2中可以看出,突出次數(shù)有逐年增加的趨勢,說明隨著開采深度的增大瓦斯突出的危險性在增加。說明隨著開采深度的增大瓦斯突出的危險性在增加。4重要的煤炭和磚瓦控制因素11次突出統(tǒng)計分析表明,埋藏深度和構(gòu)造軟煤厚度變化是控制瓦斯突出的主要因素,其次是煤層頂板巖性與地質(zhì)構(gòu)造。4.1埋深是控制瓦斯突出的主導因素煤與瓦斯突出是一個煤體彈性潛能、瓦斯內(nèi)能快速釋放的過程。煤層埋深越大,意味著煤體受到的地應(yīng)力越大、瓦斯壓力越高,煤層及圍巖的透氣性越差,瓦斯向地表運移的距離會越長,儲存在煤層中的瓦斯含量就越大。若瓦斯封存狀態(tài)好,積蓄在煤體中的彈性潛能和瓦斯內(nèi)能就大,采深及地應(yīng)力大和煤巖在高應(yīng)力作用下更易失穩(wěn),煤層發(fā)生瓦斯突出的危險性也就越大。從某種角度而言,它是控制瓦斯突出的主導因素。新安礦14采區(qū)皮帶下山首次發(fā)生煤與瓦斯突出以前,礦井主要在一水平上山煤層相對淺部開采,當時礦井按高瓦斯礦井管理,雖然多年開采,并未發(fā)生突出。隨著礦井向深部開采,并在首次發(fā)生煤與瓦斯突出之后,礦井接連發(fā)生多次小型的以壓出為主要特征的煤與瓦斯突出。上述特征進一步說明了埋深是控制瓦斯突出的主導因素。其基本原理是埋深控制著地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力。4.2煤厚變動機理一定厚度的構(gòu)造軟煤是煤與瓦斯發(fā)生突出的必備條件之一。構(gòu)造軟煤對瓦斯突出的主要影響在于削弱煤體的強度,減小發(fā)生瓦斯突出所需的能量,降低煤體抵抗瓦斯突出的能力。新安礦全層構(gòu)造軟煤發(fā)育,屬于Ⅲ～Ⅴ類煤,平均厚度達到4.22m,但是煤厚變化很大,而且有時在很短的距離內(nèi)發(fā)生較大的變化,鉆孔統(tǒng)計極值厚度在0～18.88m,煤厚基本穩(wěn)定在1.5～6m,頻率高達54%。煤厚變化主要是由底板基底不平造成的,順煤層巷道在掘進過程中經(jīng)常出現(xiàn)煤厚變化的情況,特別是在煤厚急劇變化的情況下,由于巖體結(jié)構(gòu)的不均一性,導致局部應(yīng)力集中,從而引起煤與瓦斯突出。從目前的情況來看,新安礦開采水平尚處于弱突出區(qū),瓦斯壓力不足夠大,沒有大中型以上的突出,都是小型突出,當煤層厚度由厚急劇變薄時,地應(yīng)力分量增大,最容易出現(xiàn)壓出,壓出過程中地應(yīng)力起著比較重要的作用。如圖4所示,當煤層厚度由薄急劇變厚時,地應(yīng)力作用的水平分量是向巷道里端,其趨勢是不利于瓦斯突出,所以至今較少出現(xiàn)突出類型的動力現(xiàn)象。以后隨著礦井向深部開采,當煤由厚急劇變薄時,壓出現(xiàn)象將更容易,會發(fā)生以突出形式為特征的動力現(xiàn)象?？梢灶A計,隨著開采深度的增加,壓出和突出強度都會進一步增加。4.3激發(fā)最小瓦斯含量瓦斯富集是突出的能量來源和基礎(chǔ)條件,在突出過程中,瓦斯產(chǎn)生的膨脹能不但破壞煤體,而且搬運破碎煤體是促進突出向深部發(fā)展的主要動力,11次煤與瓦斯動力現(xiàn)象點均具有較高瓦斯含量。11次瓦斯動力現(xiàn)象中,全部發(fā)生在瓦斯含量大于8m3/t的高瓦斯區(qū),見圖5,瓦斯含量區(qū)間為8～10.5m3/t。第一次突出點14采區(qū)皮帶下山對應(yīng)的瓦斯含量為10m3/t;14采區(qū)突出點對應(yīng)的最小瓦斯含量為8.5m3/t;11采區(qū)突出點對應(yīng)的最小瓦斯含量為9.5m3/t;13采區(qū)突出點對應(yīng)的最小瓦斯含量為8m3/t;而在12采區(qū)瓦斯含量已經(jīng)達到10m3/t以上尚未發(fā)生過突出,15采區(qū)瓦斯含量在8m3/t以下,未發(fā)生過突出。從以上數(shù)據(jù)可以看出,不同采區(qū)始突深度最小瓦斯含量略有差異,大體上在8～10m3/t,該數(shù)據(jù)是在采掘生產(chǎn)中采取防突措施條件下的最小瓦斯含量。如果不采取任何防突措施,突出的瓦斯含量最低界限應(yīng)當在8m3/t以下。11個突出點附近瓦斯壓力,見圖6,最小瓦斯達到0.86MPa,瓦斯突出壓力區(qū)間為0.86～1.2MPa。第一次突出點14采區(qū)皮帶下山對應(yīng)的瓦斯壓力為1.2MPa;14、11、13采區(qū)突出點對應(yīng)的最小瓦斯壓力分別為0.86、0.9和0.86MPa。與瓦斯含量一樣,上述數(shù)據(jù)表明不同采區(qū)始突深度最小瓦斯壓力略有差異,大體上在0.86～0.9MPa,該數(shù)據(jù)是在采掘生產(chǎn)中采取一定防突措施條件下的突出最小瓦斯壓力。如果不采取任何防突措施,突出的瓦斯壓力最低界限應(yīng)當在0.86MPa以下。從以上分析可以看出,瓦斯壓力與瓦斯含量具有較好的對應(yīng)關(guān)系,因此,這兩個數(shù)據(jù)均可作為評價瓦斯突出的參數(shù)。4.4地質(zhì)構(gòu)造的表現(xiàn)形式地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯突出具有促進作用,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)常常存在殘余構(gòu)造應(yīng)力,有利于提升煤體的彈性潛能水平,增加發(fā)生瓦斯突出危險程度,而且地質(zhì)構(gòu)造區(qū)煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴重,往往伴生著構(gòu)造軟煤,煤體強度大幅降低,造成抵抗瓦斯突出的能力下降。地質(zhì)構(gòu)造的表現(xiàn)形式主要有褶皺和斷層。該礦區(qū)內(nèi)主要為一簡單單斜構(gòu)造,次級褶皺不很發(fā)育,而且多為舒緩波狀。生產(chǎn)中多見頂板平整、底板起伏的現(xiàn)象,通常認為是背向斜,實際是煤層原始沉積基底不平造成的,后期構(gòu)造作用加劇了這種變化,導致了構(gòu)造煤厚度的變化,尤其在掘進過程中,煤厚的急劇變化,容易形成局部應(yīng)力集中,導致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造主要是一些小型正斷層,大斷層位于井田的東西邊界。從11次突出情況來看,與小斷層有關(guān)的突出占6次,全部位于14采區(qū),也就是說14采區(qū)7次突出中,除1次回采工作面14181突出與小斷層無關(guān)外,其他6次煤巷掘進均與小斷層有關(guān)。說明小斷層是影響突出的重要因素之一,斷層處往往是應(yīng)力集中部位,容易引起突出的發(fā)生。4.5頂?shù)装迳皫r可能發(fā)生的問題底鼓和煤壁上部煤塊(或碎煤)掉落、頂板掉渣是煤與瓦斯突出的征兆,這些情況均與煤層頂?shù)装鍘r性有關(guān)。頂?shù)装迳皫r等脆性較大的巖層一般不會出現(xiàn)這種情況,但是當頂?shù)装鍨轫g性較強的泥巖等容易發(fā)生塑性變形的巖層時,上述現(xiàn)象就比較容易發(fā)生。因此,在頂?shù)装逵许g性巖石,而且變化較大時,要加強防突工作。礦井11次突出中就有1次底鼓(11221下巷)和兩次煤壁上部煤塊掉落(14191工作面上下巷)。5煤體開采的瓦斯排放對于新安礦11次煤與瓦斯突出實例進行分析,發(fā)現(xiàn)該礦主要以小型壓出為主,占91%,92%的突出發(fā)生在煤巷掘進面,且突出前均伴隨有突出預兆。突出地點附近瓦斯壓力在0.86～1.2MPa,高瓦斯含量大,在8～10m3/t。在這些區(qū)域采掘前,應(yīng)加強有效的防突措施。統(tǒng)計分析表明,埋藏深度和構(gòu)造軟煤厚度變化是控制瓦斯突出的主要因素,其次是煤層頂板巖性與地質(zhì)構(gòu)造。由于新安礦煤體f值小,煤