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第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Henan Provincial Key Laboratory of Gas Gelolgy and Gas Control-State Laboratory Education Base Co-sponsored by Provine and Ministry, Jiaozuo 454003, China Abstract According to the prediction data of gas content and gas pressure of Ji 15 coal seam of Pingdingshan No.5 mine, from the view of force and energy, the influence of ground stress and gas as well as coal strength on coal and gas outburst is analyzed. It is found that under action of ground stress, elastic potential energy is much higher than gas expansion energy in the seam in Ji 4 mining district, i.e., ground stress mainly composed of tectonic stress is the major factor influencing outburst. In combination with the geological factors in the district and gas desorption of the seam, it is determined that the bottom index for coal and gas outburst risk area is gas content 5.4 m3/t in raw coal, or the absolute gas pressure is 0.79 MPa .The bottom index corresponds to the seam floor of elevation –600 m. Therefore the areas above–600 m do not have outburst risk and there exist outburst risk below –600 m. The study results guide effectively the gas control in the coal mine. Key words coal and gas outburst; elastic potential energy; gas expansion energy; gas desorption 煤与瓦斯突出是煤矿井下最为严重的自然灾害 之一，是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害。我国 是煤与瓦斯突出最为严重的国家，突出矿井数约占 矿井总数的 25。随着开采深度的加大及地质因素 的复杂化， 我国矿井煤与瓦斯的突出数量逐渐增加[1]。 前苏联学者 B.B.霍多特认为，突出是煤的弹性 潜能和瓦斯内能引起的，并首次提出了含瓦斯煤层 发生突出的能量公式。20 世纪 80 年代，我国学者 郑哲敏从量纲对比的角度对瓦斯能和弹性潜能进行 了对比研究，认为高压瓦斯提供了大型突出所需的 能量。蒋承林和俞启香研究了煤与瓦斯突出过程中 的能量耗散规律。由以上观点可以看出，从力能角 度分析研究煤与瓦斯突出，对突出矿井突出危险性 预测与防治具有重要指导意义[2]。 平顶山天安煤业股份有限公司五矿是平煤股份 主力矿井之一，主采己15、己16-17煤层。随着采深的 延伸和开采强度的加大，该矿井由低瓦斯矿井转变 为高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井，己四采区为其 深部采区。因矿井地质条件复杂，研究己四采区突 出危险性预测敏感指标及临界值，对于指导矿井防 治瓦斯突出具有重要意义。本文拟从力能角度分析 己15煤层突出的控制因素，并结合矿井瓦斯地质条 ChaoXing 14 煤田地质与勘探 第 42 卷 件，分析研究己15煤层煤体瓦斯可解吸量，划定平 煤五矿己四采区己15煤层突出危险性区域。 1 煤层及瓦斯赋存概况 1.1 煤层概况 己15煤层位于山西组下部，上距砂锅窑砂岩 K53981 m， 平均60 m。 该煤层时有碳质泥岩伪顶， 直接顶为泥岩或砂质泥岩，厚510 m，老顶为中粒 砂岩，厚1020 m；底板即己16-17煤层之顶板岩石。 己15煤层厚0.16.37 m，平均0.93 m，为局部可采的 薄煤层。己15煤呈条带状结构，局部为线理状、透 镜状或鳞片状结构，层状构造，硬度12。 1.2 煤层瓦斯含量与压力 实测了平煤五矿己15煤层多个瓦斯原始含量及 瓦斯压力数据表1、表2。根据实测数据，运用瓦 斯地质统计法，发现煤层瓦斯含量和压力与煤层埋 深间存在明显线性关系图1、图2，由此可测算出 –450 –800 m 水平煤层原始瓦斯含量和压力参数。 煤层瓦斯含量y与煤层标高x的线性关系式 为y–0.027 1x–10.795，相关系数 R0.767。 煤层瓦斯压力y与煤层标高x的线性关系式 为y–0.002 1x–0.467 7，相关系数 R0.948。 根据现水平瓦斯赋存特征，可预测不同水平煤 层的瓦斯含量和压力值表 3。 表1 平煤五矿己15煤层原始瓦斯含量 Table 1 Gas content of Ji 15 coal seam in Pingdingshan No.5 mine 测点位置 标高 /m 瓦斯含量 /m3t–1 己四主回风下山中平台18度变坡点–470 4.17 23210工作面距回风巷58 m –565 3.04 23210工作面距回风巷106 m –565 3.18 己四主回风下山11度–17度变坡点 –620 4.78 己四距主回风下山下变平点120 m –660 6.56 己四返轨道上山迎头 –690 7.20 己四采区轨道下山反上山距轨道回 风联络巷口24 m –700 11.30 表2 平煤五矿己15煤层瓦斯压力 Table 2 Gas pressure of Ji 15 coal seam in Pingdingshan No.5 mine 测点位置 标高 /m 瓦斯压力 /MPa 获取 方法 32020掘进巷开口里150 m –650 0.82 二水平己二下延下轨道巷下沿350 m–700 1.06 二水平己二下延下轨道巷下沿650 m–750 1.12 二水平己二下延下轨道巷下沿750 m–800 1.16 二水平己二下延下轨道巷下沿150 m–650 0.90 二水平己二下延下轨道巷下沿750 m –800 1.20 己四采区轨道下山反上山距轨道回 风联络巷口24m –700 1.85 直 接 测 压 法 图 1 煤层瓦斯含量与标高的关系 Fig.1 Relationship between gas content and elevation 图 2 煤层瓦斯压力与标高的关系 Fig.2 Relationship between gas pressure and elevation 表 3 不同标高下煤层瓦斯含量及压力预测值 Table 3 Predicted gas pressure and gas content at different elevation 标高 /m 瓦斯含量/m3t–1 瓦斯压力/MPa –440 1.13 0.46 –460 1.67 0.50 –480 2.21 0.54 –500 2.76 0.58 –520 3.30 0.62 –540 3.84 0.67 –560 4.38 0.71 –580 4.92 0.75 –600 5.47 0.79 –620 6.00 0.83 –640 6.55 0.87 –660 7.10 0.91 –680 7.63 0.96 –700 8.18 1.00 2 煤与瓦斯突出控制因素的力能分析 能量假说认为突出是煤体的变形潜能和瓦斯内 能引起的，当煤层应力状态发生变化时，潜能释放 引起煤层高速破碎，在潜能和煤中瓦斯压力作用下 煤体发生位移，瓦斯由已破碎的煤解吸、涌出，形 成瓦斯流，把已破碎的煤抛向巷道。由此可见，煤 与瓦斯突出是由地应力、包含在煤体内瓦斯以及煤 ChaoXing 第 5 期 张明杰等 基于力能分析的平煤五矿己四采区煤与瓦斯突出危险性预测 15 体自身物理因素综合作用的结果，其中地应力和瓦 斯构成突出动力因素，煤体强度为阻碍突出发生的 阻力因素。B.B.霍多特认为，发生煤与瓦斯突出的 条件为释放出的煤的弹性潜能和瓦斯内能，足以完 成煤的破碎功和煤向巷道内移动的功。其可由式1 来描述 AW 1 式中 W 为煤的弹性潜能， J； λ 为瓦斯膨胀能， J； A 为煤破碎到突出物粉煤时的能量，J。 2.1 地应力与煤层埋深的关系及对突出的影响 煤岩体在地应力的作用下会产生弹性应变能， 即煤岩体弹性潜能。而煤岩体弹性潜能又是突出动 力能源的一种重要形式，起着破碎煤体、发动突出 的作用。因此地应力为控制煤与瓦斯突出的重要因 素之一[3]。地应力包括自重应力、由采掘影响而引 起的采掘应力和地壳运动在煤岩体内积聚的构造应 力等[4]。 平煤矿区内实测最大水平主应力σ1与垂直主 应力σ2的比值平均为 1.99， 最大水平主应力与自重 应力γH 的比值平均为 1.97，自重应力即单位面积 上覆岩层的重量，其值等于 γH 。其中，γ 为上覆岩 层的容重，H 为测点埋深。最小主应力与最大主应 力的差值较大。 最大水平主应力σ1与最小水平主应 力σ3之比平均比值为 1.82。由垂直主应力、自重应 力与最大水平主应力的比值可以看出，垂直主应力 值基本上等于或略大于自重应力。 采掘工作面三向应力压缩状态煤体的弹性潜能 可由式2计算[5]  2222 1231 21 32 3 22WKE      2 式中 W 为煤的弹性潜能，MJ；K 为应力集中系数， 取 2.5；σ1、σ2、σ3 为 3 个方向的主应力，MPa；μ 为泊松比；E 为煤的弹性模量，MPa。 为简化计算，假设垂直主应力等于自重应力。 根据平煤五矿己15煤层基本情况，泊松比取0.3，煤 弹性模量取500 MPa。由式2可算出不同标高下煤 岩体弹性潜能表4。 表 4 不同标高下煤岩体弹性潜能 Table 4 Elastic potential energy at different elevation 标高/m 弹性潜能/MJ 标高/m 弹性潜能/MJ –400 1.708 –600 3.843 –500 2.669 –700 5.231 由表4可以看出，平煤五矿己四采区己15煤层弹 性潜能随煤层埋深增加而增加，且百米之间煤岩体 弹性潜能差值较大，增加幅度为3678。原因在 于己四采区距矿区主控断层锅底山断层较近，中 小型构造比较发育，残余构造应力比较大。 2.2 瓦斯膨胀能与煤层埋深关系及对突出的影响 瓦斯是煤形成过程的产物，煤变质程度越高产 生的瓦斯量越大。煤内瓦斯的赋存状态主要有游离 和吸附两种，且以吸附态为主，游离态所占比例较 少，两种状态的瓦斯处于动平衡状态。煤内的瓦斯 在突出动力和阻力相互作用下处于平衡状态，当煤 体所受地应力超过煤体强度，地应力向深部转移， 煤体被破坏，因煤体膨胀造成煤层瓦斯压力突然减 小，煤内原有游离瓦斯和由吸附瓦斯转化而来的游 离瓦斯共同作用，产生高压，瓦斯膨胀能增加，加 之突出阻力减小，大量煤体被破碎进而抛出，煤与 瓦斯的突出就会爆发。可以看出，瓦斯膨胀能为突 出的重要能量来源[6]。 2.2.1 煤层中可能参与突出的瓦斯含量 煤与瓦斯突出综合假说认为，突出过程中的瓦 斯内能起着破碎煤体、搬运煤体的作用，只有煤体 可解吸瓦斯量达到一定值时，才可能搬运破坏的煤 体。煤层可解吸瓦斯量按式3计算[7-9] Wj WCy– WCC 3 式中 Wj为煤的可解吸瓦斯量，m3/t；WCy为煤层原 始瓦斯含量或抽采后的残余瓦斯含量，m3/t； WCC 为１个标准大气压下煤层的残余瓦斯含量，m3/t。 在标准大气压力下，煤的残存瓦斯含量按照 式4计算 dad CC ad 1000.11 *** 10.10010.31 AMab W bM      4 式中 WCC为煤层瓦斯含量，m3/t；a 为吸附常数， 试验温度下的极限吸附量，m3/t；b 为吸附常数， MPa–1；Ad为煤的灰分，；Mad为煤的水分，；φ 为煤的孔隙率，m3/m3；γ 为煤的密度，t/m3。 经计算， 己15煤层在1个标准大气压力下的残存 瓦斯含量为0.40.6 m3/t，与一般突出煤层相比较 小，瓦斯含量相同时煤的可解吸瓦斯量较大，即 具有相同的搬运能力时，己15煤层需要的瓦斯含 量较小。 2.2.2 瓦斯膨胀能 能量假说理论认为瓦斯膨胀能可由瓦斯含量和 瓦斯压力用式5表示[10] 1 6 2 1 10 1 22 4141 PVRT P           5 式中 λ 为瓦斯膨胀能，MJ；V 为气体瓦斯量，m3/t； R 为摩尔气体常数，R8.31 J/molK；T 为煤–瓦斯 体系的绝对温度，取 293.15 K；θ 为绝热系数取， ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 42 卷 取 1.3；P1 为初始瓦斯压力，MPa；P2 为最终瓦斯 压力，MPa。 结合表3瓦斯压力和含量数据，利用式5算得 标高为–600 m 时的瓦斯膨胀能为1.3 MJ。虽然己15 煤层在1个标准大气压力下可解吸瓦斯量较大， 即瓦 斯膨胀能较大， 但与同标高下煤岩体弹性势能相比， 却相差甚远。因此可以看出，平煤五矿己四采区己15 煤层突出动力能量煤岩体弹性潜能起主导作用，瓦 斯膨胀能起协助作用，即使在瓦斯含量未达到防突 规定所规定的 8 m3/t 时，由于地压潜能补充仍具有 发生突出的可能性。 2.3 煤的物理力学性质的影响 综合假说认为，煤与瓦斯突出过程中能量主要 消耗在煤体的破碎与抛出。在煤与瓦斯突出机制 中，煤体物理力学性质主要受煤的机械强度制约， 煤的机械强度越小突出阻力就越小，突出发生的可 能性就越大。构造煤就是煤层受密集构造严重破坏 的结果，同时构造煤是煤体中机械强度最小的煤 体，是煤层中的弱面。构造软煤对瓦斯突出的主要 影响在于削弱煤体的强度，减小发生瓦斯突出所需 的能量，降低煤体抵抗瓦斯突出的能力。淮南矿区 129次突出中，103次突出发生地点有“软煤发育” 、 “煤层变软” 、“软煤变厚” 、“Ⅳ类煤”或“V 类煤” 等描述，平顶山十矿戊组煤发生的8次突出中，突 出部位均在戊9和戊l0夹矸附近的软分层中。我国其 他发生煤与瓦斯突出的矿区，煤层中也普遍存在构 造煤，如焦作矿区瓦斯突出地点的构造软煤厚度一 般超过0.5 m。因此，构造软煤区常为煤与瓦斯突出 的高发带。 平煤五矿己组煤层中，构造煤相对发育，厚度较 大，破坏严重和构造煤主要分布在锅底山断层两侧。 构造煤厚度稳定，以碎粒煤和糜棱煤为主，滑动镜面 局部发育，煤层中揉皱构造现象常见，煤层中夹矸被 挤压成透镜状分布在构造煤分层中。构造煤与下部原 生结构煤呈过渡接触。己四采区己15煤层坚固性系数 f 为0.20.6，比较小，样本多取自锅底山断层附近，这 也说明了锅底山断层对构造煤发育的控制作用。 3 已四采区煤与瓦斯突出危险性预测及效果 根据以上分析可知，地应力为平煤五矿己四采 区己15煤层突出的主要控制因素，而构造应力为影 响地应力大小的最主要因素。由此可知，构造应力 对突出的发生具有至关重要的作用。平煤五矿己四 采区距离锅底山断层比较近，地质构造复杂，根据 断层形成力学机制和生产实践揭露情况，锅底山断 层两盘现今仍存在一定的压扭应力，水平应力明显 高于因自重引起的侧应力，即在断层两侧存在着局 部残余构造应力。如果在断层带内进行采掘活动， 将形成更高的采掘集中应力。集中应力作用在严重 破坏的构造煤体上，在瓦斯膨胀能的参与下，导致 突出发生。由于断层两盘运动方向与重力场方向的 关系不同，锅底山断层上盘下降盘残余构造应力 更高。依据煤与瓦斯突出力能作用原理，在己四采 区内，达到一定深度后，即使瓦斯含量较小，但由 于瓦斯压力大，煤变质程度低，瓦斯可解吸量大， 再加上地压潜能的补充、替代，只要瓦斯的搬运作 用满足，仍有发生煤与瓦斯突出的可能[11]。 根据煤层瓦斯含量和瓦斯压力与标高的关系以 及瓦斯突出能量分析，结合以上瓦斯地质规律和构 造煤发育特征、危险性参数测试结果，通过综合分 析， 确定该采区煤与瓦斯突出危险区的下限指标为 煤层可解吸瓦斯量达到 4.8 m3/t， 即原煤瓦斯含量达 到 5.4 m3/t；绝对瓦斯压力为 0.79 MPa。该下限指标 对应的煤层底板标高为–600 m，即–600 m 以下区域 预测为煤与瓦斯突出危险区。 上述预测结果及时在平煤五矿现场进行了验证 和应用。实践表明在己四采区己15煤层–600 m 底 板标高线以浅区域进行采掘活动时， 没有突出预兆， 测定的局部预测参数均小于临界值，预测不突出的 准确率达到100； 在–600 m 底板标高线以深区域进 行采掘活动时，则需认真执行防治煤与瓦斯突出 规定 ，才能有效防治煤与瓦斯突出。 4 结 论 a. 平煤五矿己四采区己15煤层在1个标准大气 压力下的残存瓦斯含量为0.40.6 m3/t，与一般突出 煤层相比较小，瓦斯含量相同时，煤的可解吸瓦斯 量较大；即煤层瓦斯具有相同的搬运能力时，己15 煤层的瓦斯含量较小。 b. 平煤五矿己四采区己15煤层煤岩体弹性潜能 远大于瓦斯膨胀能，即以构造应力为主的地应力为 突出的主要控制因素。 c. 己四采区己15煤层瓦斯压力大，瓦斯可解吸 量大，再加上地压潜能的补充、替代，只要瓦斯的 搬运作用满足，仍有发生煤与瓦斯突出的可能。因 此，确定己四采区己15煤层在原煤瓦斯含量达到 5.4 m3/t， 绝对瓦斯压力0.79 MPa 为突出危险区的下 限指标，对应煤层底板标高–600 m。 d. 平煤五矿己四采区己15煤层主控因素是以构 造应力为主的地应力。 因此， 在采取防治煤与瓦斯突 出措施时，应以有效均匀降低地应力为主，同时考 下转第24页 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 42 卷 126390–393. 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