陈四楼煤矿煤与瓦斯突出原因及防治措施研究

王 伟，陈培红，刘德成

（1.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南永城 476600）

煤与瓦斯突出（简称“突出”）是煤矿井下一种复杂的动力灾害，突出发生受地质因素和工程因素的共同影响，随着开采强度增加，矿井煤与瓦斯突出倾向性增大，是煤矿安全生产中的重点灾害[1-2]。在煤与瓦斯突出特征分析的基础上，相关学者提出了“瓦斯地质区划论”，强调地质条件控制了突出分布的分区分带性特征[3]；郭德勇等研究了地质构造对突出的控制作用，并提出构造组合、构造应力场、构造煤和煤层瓦斯等煤与瓦斯突出构造物理环境四因素的共同作用控制了突出的发生[4-5]；刘咸卫等通过对多个矿区突出事故的统计分析，指出正断层上盘为突出发生的主要区域[6]；张子敏等运用瓦斯地质理论分析了大平煤矿突出的地质原因，认为多期地质构造的叠加，造成煤体结构破坏，是突出发生的重要原因[7]；朱兴珊等系统分析了构造应力场及其演化对煤与瓦斯突出的作用，指出现今构造应力场直接参与突出过程[8]；王汉鹏等分析了吸附气体对突出能量的影响，指出煤体吸附瓦斯含量越大，突出风险及突出强度越大[9]。此外，井下采掘扰动作用下，应力升高、煤体结构破碎，突出煤岩体的应力和能量平衡被打破，造成结构性失稳，导致煤与瓦斯突出发生[10-12]。陈四楼煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，井田内断层大量发育，局部密度可达到100 条/km2，控制了构造煤分布和瓦斯赋存，断裂构造发育的复杂性和煤与瓦斯突出发生的不确定性严重制约了矿井的安全生产。基于此，通过对矿井突出特征的分析，进一步探讨了突出原因，并提出了针对陈四楼煤矿的综合防治措施，为矿井煤与瓦斯突出防治提供了理论及技术支持。

1 矿井概况

陈四楼井田位于永城背斜西翼，燕山期和喜马拉雅早期构造运动影响较为显著，地层发生强烈的NNE 向褶皱变形，并发育NNE 向-NWW 向网格状裂隙系统[13]，NWW 向断层将井田分割为不同的地质块体，构成了井田构造的基本格局。矿井主采煤层为山西组二2 煤层，属中等变质无烟煤，平均厚度2.45 m，开采标高为-300～-900 m；瓦斯含量0.22～11.79 m3/t，整体小于5 m3/t，呈现南北分异、局部富集的分布特征。2015 年4 月10 日，21210 轨道联络巷掘进施工中误揭断层发生煤与瓦斯突出，矿井升级为突出矿井。

2 煤与瓦斯突出特征及原因

2.1 “4·10”煤与瓦斯突出特征

“4·10”煤与瓦斯突出主要特征如下：①突出前正在揭露倾向299°、落差0.6 m 的F1212正断层；②突出后工作面迎头煤层内形成长3.6～4.2 m、宽4.0～6.2 m、高1.6～2.4 m 的突出孔洞，孔洞中心线与F1212断层走向基本一致；③突出煤量104 t，突出瓦斯量7 623 m3，属中型突出；④突出煤整体为粉煤，偶见小煤块和矸石，抛出煤的堆积角为30°；⑤突出点埋深527.3 m，标高-492.5 m；⑥突出发生前约2 s 煤层底部发生瓦斯喷出现象；⑦突出区域位于F18断层下盘的高六湾向斜东翼，NNE 向断层大量发育，煤体结构破坏严重，以Ⅲ、Ⅳ类构造煤[3]为主，突出点附近瓦斯含量最大值为11.79 m3/t，瓦斯压力最大值为0.75 MPa。

2.2 煤与瓦斯突出原因

2.2.1 地质因素

1）突出点的地质构造组合。突出点位于井田北部高六湾向斜东翼，该区域构造变形强烈，断层大量发育，突出点半径100 m 范围内共有断层9 条，均为正断层。陈四楼煤矿“4·10”突出点构造示意图如图1。F1212与其两侧F1204、F1209、F12010和F12011等NNE 向正断层构成雁列式断层，为燕山期F18断层左行走滑运动的伴生构造；F1205、F1207和F1208断层形态特征与雁列式断层存在明显差异，结合井下观测和区域构造演化分析，其形成时间晚于雁列式断层。多期断层的发育造成煤体结构破坏，煤层透气性较差，有利于瓦斯的保存；现今构造应力场作用下，NNE 向断层表现为压扭性，雁列式断层长度与间距比均小于0.25，断层岩桥区应力集中，掘进施工揭露断层上盘时发生突出，突出孔洞长轴方向与F1212断层的走向基本一致。因此，地质构造是控制本次突出发生的主要地质因素。

图1 陈四楼煤矿“4·10”突出点构造示意图Fig.1 Structure outline map of coal and gas outburst point in Chensilou Coal Mine

2）突出点的构造应力场。突出点所在区域受断层和向斜影响，应力环境较复杂，最大主应力值为22.5～26.8 MPa，方位角为76.46°～83.77°，最大主应力与中间应力比值为1.32～1.42，受到较为强烈的挤压应力；最大主应力与最小主应力比值为1.93～2.11，且均接近水平方向，2 个应力差值产生较大的剪应力。陈四楼煤矿地应力测试数据统计见表1。F1212和F1204断层构成左行右阶迭复型组合，断层间相互作用强烈，岩桥区受压剪性应力，发生顺断层转动，造成结构性变形，弹性能增加[14]。F1212断层走向与最大主应力轴夹角为34.78°，断层面主应力、剪应力分别为16.06、-18.77 MPa，受到强烈的剪切应力。21210 工作面左右两侧工作面回采形成孤岛工作面，工作面覆岩结构为非对称“T”型结构，断层发育造成矿压显现强烈，突出倾向性增大[15]。

表1 陈四楼煤矿地应力测试数据统计Table 1 In-site stress measurement in Chensilou Coal Mine

3）突出点的构造煤。受永城背斜影响，高六湾向斜东翼构造变形强烈，构造煤全层发育，煤体结构从煤层中上部向顶底部由原生结构煤逐渐变为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。雁列式断层附近煤体结构破碎，断层上盘煤体受揉搓和挤压作用，发育1.2～3 m宽构造煤，煤体结构呈揉皱构造和透镜状构造，构造煤的普氏系数f、瓦斯放散初速度△p 和瓦斯吸附常数a 与原生结构煤存在较大差异。陈四楼煤矿不同结构煤体特征参数见表2。构造煤发育造成煤体强度降低，降低了突出的力学条件；高应力作用下，煤体渗透率降低，内能增加，形成瓦斯突出煤体，提供了突出的物质基础[16]。原生结构煤强度较高，所需破碎比功增加，较低的瓦斯解吸速度和较高的渗透率无法满足搬运功的需求，突出逐渐终止。突出孔洞形成于断层上盘构造煤内，孔洞里端煤壁为原生结构煤和碎裂煤，可见，构造煤是突出发展的必要条件。

表2 陈四楼煤矿不同结构煤体特征参数Table 2 Characteristic parameters of coal body of different structures in Chensilou Coal Mine

4）突出点的煤层瓦斯。井田内二2 煤层瓦斯赋存受地质构造控制，封闭性F18断层将高六湾向斜北段分隔为独立的瓦斯地质单元。突出点附近压扭性雁列式断层发育，煤体结构破碎，渗透率降低，吸附能力增加，有利于瓦斯赋存；F1212断层面发育厚3～4.5 cm 的致密糜棱煤，断层封闭系数If为24.71，最大封闭能力超过16 MPa，具有良好的封闭性；煤层面割理和构造裂隙走向分别为9°～18°和1°～29°，与联络巷高角度相交，不利于巷道前方瓦斯向掘进空间的运移。21210 轨道运输巷掘进过程中绝对瓦斯涌出量最大值达0.88 m3/min，而同水平仅为0.09 m3/min；突出点附近瓦斯含量最大值为11.79 m3/t，瓦斯压力最大值为0.75 MPa，超出《防治煤与瓦斯突出细则》规定的突出临界值[17]。高瓦斯压力造成煤基质块体失稳，煤体瓦斯膨胀能增加[12]；该起突出瓦斯膨胀能为1.5×106kJ/t，煤体移动功1.25×106kJ/t，揭露断层破坏了原有的压力环境，煤层瓦斯快速解吸并向掘进空间释放，提供了突出的直接动力。

2.2.2 采掘工程因素

突出发生前，21210 轨道运输巷已完成施工，联络巷掘进15 m 即发生突出，可见巷道掘进造成的采动应力是突出发生的重要诱导因素。

根据地质构造特征和巷道布置情况，建立突出区域几何模型，断层单元弹性模量取30 MPa，泊松比取0.3；其它单元弹性模量取3 000 MPa，泊松比取0.3；地应力为10 MPa，获取联络巷施工前后最大主应力和最大剪应力云图。

陈四楼煤矿21210 轨道联络巷施工前后最大主应力和最大剪应力分布特征如图2。联络巷施工前，应力场分布受断层影响，极值区均位于断层端部，最大主应力和最大剪应力在F1212断层中部均较低，普遍低于4.0 MPa 和1.0 MPa；施工后，极值区均位于巷道与F1212断层交汇区，最大主应力和最大剪应力显著增加，局部达到20 MPa，联络巷近垂直揭露F1212断层导致应力场重新分布，造成煤体结构破坏，为突出提供了直接的动力。雁列部位应力呈挤压状态，顺断层产生剪应力分量，岩桥区稳定性较差。揭露断层导致断层面主应力和剪应力的集中，断层转动失稳，储存于岩桥区的瓦斯内能和弹性能快速释放，突出孔洞中心线与F1212断层走向基本一致，孔洞右深左浅。

图2 陈四楼煤矿21210 轨道联络巷施工前后最大主应力和最大剪应力分布特征Fig.2 Distribution characteristics of maximum principal stress and maximum shear stress before and after construction

此外，受施工工序影响，工作面前方煤体处于“采掘卸压-应力前移-应力集中”的循环加载-卸载状态，随着巷道采动应力峰值到工作面距离的减小，前方煤体应力峰值迅速增加，超过煤体强度发生塑性变形，应力峰值向煤体深部转移并逐渐衰减[10]。相较于3 m/d 的人工掘进速度，8 m/d 的综掘速度导致应力前移速度增加，由于峰值应力衰减速度远小于峰值应力上升速度，极限平衡区内叠加的峰值应力不断加载到前方已损伤的煤体上。断层上盘裂隙发育，煤体结构破碎，承载能力较差，应力集中导致断层活化，端头煤壁被压垮失稳，进而诱发突出。

3 瓦斯综合防治措施

3.1 加强断层预测

受早燕山期盘古寺-丰沛断裂左行走滑控制，井田内发育F13、F18等NWW 向走滑断层和高六湾向斜、周庄向斜等NNE 向次级褶皱，向斜东翼发育多组雁列断层；中新生代伸展构造运动影响，NNE 向-NWW 向网格状裂隙系统，现今构造应力场作用下，分别呈压扭性和张扭性，控制了局部瓦斯富集和突出发生。陈四楼煤矿F18断层两侧走滑构造如图3。

图3 陈四楼煤矿F18 断层两侧走滑构造示意图Fig.3 Diagram of strike-slip structure near F18 strike-slip fault

根据大中型NNW 向走滑断层及其影响区域内断层发育特征，将井田划分为10 个地质单元。封闭性雁列式断层主要发育于向斜东翼，展布方向为NNE 向，断层长度与间距比为0.04～0.17。选取断层倾向、倾角和落差为影响因素，建立了雁列式断层预测模型。井下观测显示，受断层牵引作用控制，靠近断层方向，煤岩结构破碎、裂隙大量发育，裂隙性质由压扭性向张性、再到压扭性转化，顶板可见“Z”字型追踪张裂隙；采用盒维数对煤层中部硬煤分层内裂隙发育特征进行定量表征，NNE 向断层10 m 内分维值均大于1.2；分别以裂隙分维值和追踪张裂隙为定量和定性指标，建立了基于裂隙分形维数的井下断层预测方法，防止误揭断层的发生。

3.2 建立煤与瓦斯突出预警体系

该矿位于嵩（箕）徐（淮）隆起带上的伸展型构造区内，燕山期岩浆活动导致二2 煤层变质程度增加，瓦斯大量生成，后期地质运动造成上覆岩层剥蚀严重，瓦斯含量整体较低；但局部受压扭性断层控制，提供了有利于瓦斯富集和突出发生的地质条件。在瓦斯含量影响因素分析的基础上，选取煤层埋深、煤厚、顶板岩性、断层复杂程度和褶皱复杂程度为影响因素，建立了瓦斯含量预测模型，预测值与实际值的相关系数R 为0.989 8，可对瓦斯富集区进行有效识别。根据矿井煤与瓦斯突出构造物理环境研究，结合日常防突管理经验，选取对封闭性断层和突出均敏感的瓦斯含量、钻孔瓦斯涌出初速度和钻屑量为突出预测指标。综合应用WP-1 型井下瓦斯含量快速测定仪、GTC 型瓦斯含量测试仪、钻孔瓦斯涌出初速度测定装置等仪器，建立了井下指标快速测试工艺和数据上报制度，结合已安装的KJ70X 型安全监测系统、井下视频监控系统和GIS 技术，“点面结合”实现煤与瓦斯突出的实时预测预警，确定突出危险性等级，并及时采取有效的防治措施，防止事故发生。

3.3 强化瓦斯抽采

井田内二2 煤层中上部向顶底部由原生结构煤逐渐过渡为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，构造煤厚度为0～1.92 m，部分正断层上盘煤体变形强烈，构造煤整层发育。二2 煤层井下测试渗透率为0.124×10-15～0.163 10-15m2，钻孔瓦斯抽采半径为3 m，水力冲孔和水力压裂增透半径分别为8、30 m，施工后增透效果显著。陈四楼煤矿21210 工作面水力压裂增透前后抽采孔内平均瓦斯体积分数对比如图4。

图4 陈四楼煤矿21210 工作面水力压裂增透前后抽采孔内平均瓦斯体积分数对比Fig.4 Comparison of average gas volume fraction of hole in the investigated area during hydraulic fracturing in 21210 working face

井田内断裂构造大量发育，局部受封闭性断层影响，常规抽采消突作业效果有限，为保障采掘作业安全，在水力压裂增透的基础上，对断层两侧煤体开展高压水力冲孔增透措施作业，采用“进割软层，退割全层”冲孔增透工艺，以期实现有效消突。在21210 工作面开展工程试验，由工作面底抽巷向断层两侧3 m（断层两侧构造煤宽度普遍低于3 m）、尖灭端前10 m 范围内煤层分别间距12 m 和3 m布置水力冲孔钻孔和抽采钻孔；在其它区域以间距50 m 和5 m 布置压裂钻孔和抽采钻孔。经120 d 瓦斯预抽且突出验证达标后，施工21210 运输巷，现已掘进378 m。掘进过程中选用钻孔瓦斯涌出初速度q 和钻屑量Smax为超前预测指标，钻孔瓦斯涌出初速度测试基本为0，钻屑量为2.8～4.8 kg/m，未出现瓦斯动力现象，已达到消突效果。陈四楼煤矿21210 运输巷掘进工作面钻屑量变化趋势如图5。

图5 陈四楼煤矿21210 运输巷掘进工作面钻屑量变化趋势Fig.5 Variation trend of drilling cuttings value in 21210 working face

4 结 语

1）对矿井煤与瓦斯突出特征和原因分析表明，压扭性雁列式断层引起剪应力集中，造成岩桥区结构性变形，破坏煤体结构，促使瓦斯富集，提供了突出所需的弹性内能和瓦斯膨胀能，是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素。

2）掘进揭露断层导致巷道与断层交汇区应力集中，不仅为煤与瓦斯突出提供了动力，而且造成断层活化，端头煤壁被压垮失稳，诱导了突出的发生。

3）在煤与瓦斯突出原因分析的基础上，提出了加强断层预测、建立煤与瓦斯突出预警体系及强化瓦斯抽采等措施，保障了矿井安全生产。