论地质构造对煤和瓦斯突出的控制作用

李东慧，张 虎，赵 慧

1.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东泰安 271000 2.山东省地质科学实验研究院，山东济南 250013

0 引言

“煤与瓦斯突出”在近年来瓦斯事故中比例趋升，危害极大。目前国际上还没有找到有效的防治“煤与瓦斯突出”的办法，随着开采深度的加大，“煤与瓦斯突出”事故呈持续上升趋势我国50%左右的煤矿是高瓦斯矿井，60%～70%的煤矿是在复杂和极复杂的构造条件下进行开采的。因此，做好煤与瓦斯突出预测预报，不仅对提高矿井的经济效益，而且对提高矿井的安全和社会效益有着重大的现实意义。本文就地质构造对煤和瓦斯突出的控制作用进行深入的探讨。

1 煤和瓦斯突出的巨大危害

煤与瓦斯突出是一种复杂的构造与物理现象，外力诱发“煤与瓦斯突出”，就如同突然打开了可乐瓶盖，煤层中蕴蓄的一氧化碳等有害气体携带着煤与碴石骤然涌出，躲避不及的人们可能被掩埋，高浓度的瓦斯迅速充盈巷道，空气中的氧气迅速降到不能保障人类生存的12%以下，无法避开的人们因缺氧窒息而死。此时如果有电器火花或其他细微的明火，又可能导致燃烧或爆炸、扩大危害。以某省为例，统计数据显示，2009年该省发生的煤矿事故中，瓦斯事故67起，死亡200人。在各类事故中，瓦斯事故起数虽然位居第二，但每起瓦斯事故的平均伤亡人数却高居榜首。统计数据还显示，“煤与瓦斯突出”事故的危害性日趋严重。湖南煤业2 000个左右的矿井中，有高瓦斯矿井900个，占矿井总数的43%，其中突出矿井约有400个占19%。2005年至209年，该省发生的173起重特大煤矿事故中，死亡1 026人。其中重大事故149起、死亡664人，重大事故中瓦斯爆炸34起、死亡170人，煤与瓦斯突出58起、死亡288人，瓦斯窒息17起、死亡67人；特大事故24起、死亡362人，其中瓦斯爆炸6起、死亡85人，煤与瓦斯突出11起、死亡179人。

2 煤与瓦斯突出的预兆

煤与瓦斯突出的预兆分为无声预兆和有声预兆两类。

2.1 无声预兆

1）煤层结构变化，层理紊乱，煤层由硬变软、由薄变厚，倾角由小变大，煤由湿变干，光泽暗淡，煤层顶、底板出现断裂，煤岩严重破坏等；2）工作面煤体和支架压力增大，煤壁外鼓、掉碴、煤块进出等；3）瓦斯增大或忽小忽大，煤尘增多。

2.2 有声预兆

煤爆声、闷雷声、深部岩石或煤层的破裂声、支柱折断等。每次突出前都有预兆出现，但出现预兆的种类和时间是不同的，熟悉和掌握预兆，对于及时撤出人员、减少伤亡具有重要的意义。

3 地质构造对煤和瓦斯突出的影响

煤与瓦斯突出基本特征有：突出的煤向外抛出距离较远，具有分选现象。抛出的煤堆积角小于煤的自然安息角。抛出的煤破碎程度高，含有大量的块煤和手捻无粒感的煤粉。有明显的动力效应，破坏支架，推倒矿车，破坏和抛出安装在巷道内的设施。有大量的瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，有时会使风流逆转。

3.1 地质构造对煤物理力学性质的影响极其严重

主要通过构造煤的发育程度及分布范围表现出来。我们以某矿区为例，与北部5对矿井相比，南部3对矿井构造煤的发育非常明显，非常普遍。观测表明，南部3对矿井在断层附近及向、背斜轴部，构造煤普遍发育；在非构造带由于南部3对矿井距离煤层底板1.5m～2.0m处的夹矸厚度只有北部5对矿井的0.3～0.5倍，岩石力学强度严重降低，在较强烈的地质构造影响下，在煤层内部发生大面积的层滑构造。这是一种煤层层位不发生错动，但煤层顶底板发生相对位移的层间滑动构造，厚度较小的夹矸由于与上、下煤层的粘结力弱常常发挥滑动面的作用。

3.2 地质构造对地应力的控制作用

地质历史时期的燕山和雪中喜山2次主要构造运动六矿井田叠加，造成南部3对矿井地应力明显偏大。六矿地应力实测值表明，重直应力为金尼克理论值的1.05～1.78倍，而水平应力为金属尼克理论值的2.69～4.76倍，且分布很不均匀。应力实测值还表明六矿井田煤系地层内存在较大剪应力。残余构造应力的存在起到了激发突出的作用，极大地增加了煤与瓦斯突出的危险性。计算结果表明，六矿井田内砖瓦向压缩状态煤体的弹性潜能约为与瓦斯内能的4倍，是破碎煤体、激发突出的主要动力，为煤与瓦斯突出主要激发因素。

4 煤与瓦斯突出的一般规律

1）突出与地质构造的关系,突出多发生在地质构造带内，如断层、褶曲和火成岩侵入区附近。

2）突出与瓦斯的关系,煤层中的瓦斯压力与含量是突出的重要因素之一。一般说来，瓦斯压力和瓦斯含量越大，突出的危险性越大。但突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间，没有固定的关系。瓦斯压力低、含量小的煤层可以发生突出；反之，瓦斯压力高，含量大的煤层也可能不突出，因为突出是多种因素综合作用的结果。

3）突出与地压的关系,地压愈大，突出的危险性愈大。当深度增加时，突出的次数和强度都可能增加；在集中压力区内突出的危险性增加。

4）突出与煤层构造的关系,煤层构造主要指煤的破坏类型和煤的强度。一般情况下煤的破坏类型愈高强度愈小，突出的危险性愈大。故突出多发生在软煤层或软分层中。

5）突出与围岩性质的关系,若煤层顶底板为坚硬而致密的岩层且厚度较大时，其集中应力较大，瓦斯不易排放，故突出危险性愈大；反之则小。若顶底板中具有容易风化和遇水变软的岩层时，将减少突出危险性。

6）突出与水文地质的关系,实践表明，煤层比较湿润，矿井涌水量较大，则突出危险性较小；反之则大，这是由于地下水流动，可带走瓦斯，溶解某些矿物，给瓦斯流动创造了条件。

7）突出具有延期性突出的延期性变化就是震动放炮后没有诱导突出而相隔一段时间后才发生突出。其延迟时间从几分钟到几小时。

5 结论

地应力、瓦斯、煤体结构性能这三者与地质构造有直接的联系，断裂等地质构造的形成又和构造应力不可分割，活动断裂构造又制约着构造应力场的分布，因此，矿区应力的分布情况对瓦斯含量、瓦斯压力、煤体的破坏等都有一定控制作用。

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