矿煤与瓦斯突出危险性预测研究范文

摘要：阳泉矿区为高瓦斯矿区，瓦斯地质灾害成为威胁矿区当前安全高效生产的主要因素。采区主要表现为较高的瓦斯含量和瓦斯压力，瓦斯喷出和瓦斯突出等现象较为严重。文章在前期矿区地应力测量的基础上，通过地应力的分析、计算和数值模拟，揭示研究区主采煤层的地应力场空间分布状况，并结合研究区构造条件、煤层埋深、围岩封闭性和构造煤发育情况，最终对矿井煤与瓦斯突出危险性进行了预测预报，对指导矿井安全生产具有重要意义。

关键词：瓦斯突出；地应力；构造煤

新景矿井田面积为64．7477km2，开采深度由＋850m～＋230m标高，批准生产规模580万t／a，现阶段设计主采煤层有3号、8号、15号煤层，井田为瓦斯突出矿井。随着煤矿采区不断开拓，煤与瓦斯突出的致灾性，已严重影响了煤矿安全、高效生产。之前的研究表明影响煤与瓦斯突出的因素主要为地应力、瓦斯含量，高地应力环境使瓦斯压力和瓦斯含量增加，从而增加了突出的动力，总体上高地应力环境下含瓦斯煤体更容易出现失稳破坏，发生煤与瓦斯突出。含煤地层在高构造应力作用下形成高的瓦斯压力，在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点，地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用，可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用，是煤体破坏的主要动力。因此，在研究区开展地应力、瓦斯赋存影响因素研究，最终完成煤与瓦斯突出危险性预测，对矿井预防瓦斯事故意义重大，同时对矿井安全高效生产有巨大的经济效益和社会效益。

1研究区概况

1．1瓦斯地质概况新景矿井田3＃煤层为瓦斯突出煤层，矿井瓦斯来自本煤层和开采层的邻近层（煤层和含有机质的围岩）。据有关单位统计测定，邻近层涌入开采层的瓦斯占矿井瓦斯涌出总量的50％～70％，而对于开采强度较大的综采工作面此现象更为明显。根据新景矿提供的最新资料（截至2017年3月底），研究区3＃煤层瓦斯含量为10m3／t～30m3／t，分布特征大致表现为研究区中部偏东侧－东北角含量高、东南角略高，中部偏西－西北、南部地段较低，其高值区大致呈NE－SW条带状分布；瓦斯压力为0．4MPa～2．4MPa，瓦斯绝对涌出量为6m3／min～26m3／min，瓦斯压力和瓦斯绝对涌出量的分布特征与瓦斯含量类似。

1．2实测地应力特征阳煤集团与有关单位合作，运用小孔径水压致裂地应力测量仪对主要生产矿井国阳一矿、国阳二矿、阳煤五矿和新景矿进行了地应力的测试工作，获得了研究区及其邻近矿区的地应力数据（如表1所示）。其中在新景煤矿测试采用水压致裂法进行地应力测量，采用钻孔触探法进行顶板以上10m范围内和对应的煤帮10m范围内的煤岩体强度测试，采用孔壁观察法对顶板岩层分布情况和结构进行观测。

2主采煤层地应力场特征

根据研究区地层、构造特征，建立二维剖面地质模型，依据有限元原理，结合数值模拟软件进行地应力模拟计算。以主采煤层3＃煤作为目标层位，取煤层底板的节点数据，绘制表征研究区地应力场特征的有关图件。

2．1地应力模拟成果检验根据研究区内的地应力实测成果，对最大水平主应力进行检验。13测点：测深454m，最大水平主应力15．23MPa；14测点：测深447m，最大水平主应力12．77MPa；平均测深：450．5m，最大水平主应力平均值14．0MPa。根据3号煤层底板等高线图，13、14测点处地面标高约983．45m（钻孔3－73孔口标高），底板标高530m，底板埋深453．45m。测点的平均测深与3＃煤层底板埋深近似一致。考虑到地应力实测值自身的偏差，以及数值模拟中岩石组合、约束条件等简化造成的偏差，该结果应属于正常偏差范围，因此认为模拟结果可以接受。

2．2地应力分布的主控因素研究区地应力分区性较明显，现以3＃煤层底板为例，分析影响地应力分布的主控因素。

3研究区瓦斯赋存的主要影响因素

3．1埋深瓦斯含量与煤层埋深的相关性是比较显著的，因为随着煤层埋深的增加，温度、压力随之增大，有利于瓦斯的吸附，因此瓦斯含量与煤层埋深一般呈正相关关系。

3．2构造及陷落柱构造改造作用破坏了煤层的原始产状，一般不利于瓦斯的保存，尤其是断层构造。新景矿已采区查明的断层绝大多数为落差5m以下的小断层，尽管研究区尚未开采，亦可推测断层发育特征相似，因此，断层构造对研究区瓦斯赋存的影响相对较小。研究区的褶皱构造发育程度较为显著，且具叠加作用，对煤层底板形态影响较大，但研究区瓦斯的赋存特征与褶皱发育条件匹配性不明显，因此，褶皱构造形态并未直接控制研究区瓦斯的分布格局。现有的勘探成果显示，研究区的低瓦斯区陷落柱较为发育，故认为研究区陷落柱的发育造成了瓦斯的逸散，不利于瓦斯赋存。

3．3围岩封闭性通过统计研究区钻孔资料，绘制了研究区3＃煤层顶板泥岩厚度等值线图，并叠加了瓦斯含量分区图。

4煤与瓦斯突出危险区预测

通过研究地应力分布特征及瓦斯赋存主要影响因素，综合评价和预测研究区煤与瓦斯突出危险性。在地应力场的等效应力等值线图中，综合考虑应力数值及应力梯度大小，将低于14MPa区域划分为低应力区，将大于等于14MPa的应力区域划分为高应力区。在瓦斯含量等值线图中，将低于10m3／t的区域划分为低瓦斯区，将大于等于20m3／t的区域划分为高瓦斯区，两者之间为中等瓦斯区。将构造煤破坏值分区、高地应力分区和中－高瓦斯含量分区进行叠加，据此圈定研究区煤与瓦斯突出危险区。

5结论

在总结研究区的矿井地质条件和瓦斯赋存条件的基础上，分析了新景矿及邻近矿区的地应力实测成果，通过建立二维地质模型，运用有限元法模拟了研究区的地应力分布，得到了研究区主采煤层底板的地应力场，并在综合地应力、瓦斯赋存影响因素的基础上，预测了研究区煤与瓦斯突出的危险性。主要取得了以下成果：1）在分析区域现代地应力场的基础上，结合研究区已有的地应力实测数据，通过有限元数值模拟方法，获得了研究区3＃和15＃煤层底板的地应力分布特征，探讨了地应力的主要影响因素。2）分析了研究区埋深、矿井构造及围岩封闭性对瓦斯赋存的影响，综合地应力、瓦斯赋存各项影响因素等条件，评价了研究区煤与瓦斯突出危险性。

作者：查文锋 单位：阳煤集团地质测量部