礦煤與瓦斯突出危險性預測研究范文

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摘要：陽泉礦區為高瓦斯礦區，瓦斯地質災害成為威脅礦區當前安全高效生產的主要因素。采區主要表現為較高的瓦斯含量和瓦斯壓力，瓦斯噴出和瓦斯突出等現象較為嚴重。文章在前期礦區地應力測量的基礎上，通過地應力的分析、計算和數值模擬，揭示研究區主采煤層的地應力場空間分布狀況，并結合研究區構造條件、煤層埋深、圍巖封閉性和構造煤發育情況，最終對礦井煤與瓦斯突出危險性進行了預測預報，對指導礦井安全生產具有重要意義。

關鍵詞：瓦斯突出；地應力；構造煤

新景礦井田面積為64．7477km2，開采深度由＋850m～＋230m標高，批準生產規模580萬t／a，現階段設計主采煤層有3號、8號、15號煤層，井田為瓦斯突出礦井。隨著煤礦采區不斷開拓，煤與瓦斯突出的致災性，已嚴重影響了煤礦安全、高效生產。之前的研究表明影響煤與瓦斯突出的因素主要為地應力、瓦斯含量，高地應力環境使瓦斯壓力和瓦斯含量增加，從而增加了突出的動力，總體上高地應力環境下含瓦斯煤體更容易出現失穩破壞，發生煤與瓦斯突出。含煤地層在高構造應力作用下形成高的瓦斯壓力，在強烈構造運動作用下形成的構造煤具有強度低、瓦斯吸附和放散能力強等特點，地應力對煤體結構和瓦斯壓力均起到控制作用，可以認為地應力在突出災害中起主導控制作用，是煤體破壞的主要動力。因此，在研究區開展地應力、瓦斯賦存影響因素研究，最終完成煤與瓦斯突出危險性預測，對礦井預防瓦斯事故意義重大，同時對礦井安全高效生產有巨大的經濟效益和社會效益。

1研究區概況

1．1瓦斯地質概況新景礦井田3＃煤層為瓦斯突出煤層，礦井瓦斯來自本煤層和開采層的鄰近層（煤層和含有機質的圍巖）。據有關單位統計測定，鄰近層涌入開采層的瓦斯占礦井瓦斯涌出總量的50％～70％，而對于開采強度較大的綜采工作面此現象更為明顯。根據新景礦提供的最新資料（截至2017年3月底），研究區3＃煤層瓦斯含量為10m3／t～30m3／t，分布特征大致表現為研究區中部偏東側－東北角含量高、東南角略高，中部偏西－西北、南部地段較低，其高值區大致呈NE－SW條帶狀分布；瓦斯壓力為0．4MPa～2．4MPa，瓦斯絕對涌出量為6m3／min～26m3／min，瓦斯壓力和瓦斯絕對涌出量的分布特征與瓦斯含量類似。

1．2實測地應力特征陽煤集團與有關單位合作，運用小孔徑水壓致裂地應力測量儀對主要生產礦井國陽一礦、國陽二礦、陽煤五礦和新景礦進行了地應力的測試工作，獲得了研究區及其鄰近礦區的地應力數據（如表1所示）。其中在新景煤礦測試采用水壓致裂法進行地應力測量，采用鉆孔觸探法進行頂板以上10m范圍內和對應的煤幫10m范圍內的煤巖體強度測試，采用孔壁觀察法對頂板巖層分布情況和結構進行觀測。

2主采煤層地應力場特征

根據研究區地層、構造特征，建立二維剖面地質模型，依據有限元原理，結合數值模擬軟件進行地應力模擬計算。以主采煤層3＃煤作為目標層位，取煤層底板的節點數據，繪制表征研究區地應力場特征的有關圖件。

2．1地應力模擬成果檢驗根據研究區內的地應力實測成果，對最大水平主應力進行檢驗。13測點：測深454m，最大水平主應力15．23MPa；14測點：測深447m，最大水平主應力12．77MPa；平均測深：450．5m，最大水平主應力平均值14．0MPa。根據3號煤層底板等高線圖，13、14測點處地面標高約983．45m（鉆孔3－73孔口標高），底板標高530m，底板埋深453．45m。測點的平均測深與3＃煤層底板埋深近似一致。考慮到地應力實測值自身的偏差，以及數值模擬中巖石組合、約束條件等簡化造成的偏差，該結果應屬于正常偏差范圍，因此認為模擬結果可以接受。

2．2地應力分布的主控因素研究區地應力分區性較明顯，現以3＃煤層底板為例，分析影響地應力分布的主控因素。

3研究區瓦斯賦存的主要影響因素

3．1埋深瓦斯含量與煤層埋深的相關性是比較顯著的，因為隨著煤層埋深的增加，溫度、壓力隨之增大，有利于瓦斯的吸附，因此瓦斯含量與煤層埋深一般呈正相關關系。

3．2構造及陷落柱構造改造作用破壞了煤層的原始產狀，一般不利于瓦斯的保存，尤其是斷層構造。新景礦已采區查明的斷層絕大多數為落差5m以下的小斷層，盡管研究區尚未開采，亦可推測斷層發育特征相似，因此，斷層構造對研究區瓦斯賦存的影響相對較小。研究區的褶皺構造發育程度較為顯著，且具疊加作用，對煤層底板形態影響較大，但研究區瓦斯的賦存特征與褶皺發育條件匹配性不明顯，因此，褶皺構造形態并未直接控制研究區瓦斯的分布格局。現有的勘探成果顯示，研究區的低瓦斯區陷落柱較為發育，故認為研究區陷落柱的發育造成了瓦斯的逸散，不利于瓦斯賦存。

3．3圍巖封閉性通過統計研究區鉆孔資料，繪制了研究區3＃煤層頂板泥巖厚度等值線圖，并疊加了瓦斯含量分區圖。

4煤與瓦斯突出危險區預測

通過研究地應力分布特征及瓦斯賦存主要影響因素，綜合評價和預測研究區煤與瓦斯突出危險性。在地應力場的等效應力等值線圖中，綜合考慮應力數值及應力梯度大小，將低于14MPa區域劃分為低應力區，將大于等于14MPa的應力區域劃分為高應力區。在瓦斯含量等值線圖中，將低于10m3／t的區域劃分為低瓦斯區，將大于等于20m3／t的區域劃分為高瓦斯區，兩者之間為中等瓦斯區。將構造煤破壞值分區、高地應力分區和中－高瓦斯含量分區進行疊加，據此圈定研究區煤與瓦斯突出危險區。

5結論

在總結研究區的礦井地質條件和瓦斯賦存條件的基礎上，分析了新景礦及鄰近礦區的地應力實測成果，通過建立二維地質模型，運用有限元法模擬了研究區的地應力分布，得到了研究區主采煤層底板的地應力場，并在綜合地應力、瓦斯賦存影響因素的基礎上，預測了研究區煤與瓦斯突出的危險性。主要取得了以下成果：1）在分析區域現代地應力場的基礎上，結合研究區已有的地應力實測數據，通過有限元數值模擬方法，獲得了研究區3＃和15＃煤層底板的地應力分布特征，探討了地應力的主要影響因素。2）分析了研究區埋深、礦井構造及圍巖封閉性對瓦斯賦存的影響，綜合地應力、瓦斯賦存各項影響因素等條件，評價了研究區煤與瓦斯突出危險性。

作者：查文鋒 單位：陽煤集團地質測量部