新集二矿煤层突出危险性区域划分研究

代 卫，张雷林，申宏敏

（1．国投新集能源股份有限公司新集二矿，安徽 淮南 232172；2．中国矿业大学安全工程学院煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116）

·试验研究·

新集二矿煤层突出危险性区域划分研究

代 卫1，张雷林2，申宏敏2

（1．国投新集能源股份有限公司新集二矿，安徽 淮南 232172；2．中国矿业大学安全工程学院煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116）

通过对新集二矿6#、13#煤层瓦斯压力的测定，分析了煤层瓦斯压力的分布规律，根据瓦斯压力的分布规律，划分出新集二矿6#和13#煤层各自在标高-600～-550 m范围内的突出危险区和无突出危险区。并结合煤的破坏类型、瓦斯散放初速度和煤的坚固性系数三项指标，验证了突出危险区的划分效果，结果显示，单项指标与瓦斯压力的分布规律相符合。

瓦斯压力；突出危险区；区域划分；单项指标

煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中发生的一种极其复杂的动力现象，是地应力、瓦斯、煤的物理力学性质等因素综合作用的结果。根据国内外开采突出煤层的实践证明，突出煤层并非处处都有突出危险，突出只发生在突出煤层中的局部地带，其突出危险带的面积还不到突出煤层面积的10%～20%，而且突出危险带的分布也很不均匀，有的相距较近，有的相隔很远［1，2］。区域预测的目的就是事先找出这些区域，为煤矿以后的开采生产提供依据。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，突出煤层区域性预测一般根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的方法进行，其最基本的指标为瓦斯压力，在没有或缺少瓦斯压力的情况下可根据瓦斯含量预测。国投新集能源公司新集二矿通过首先确定其井田区域地质构造背景，然后采用测定井下瓦斯压力并分析其分布规律，结合“四指标法”（煤层瓦斯压力、煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度、煤的破坏类型）来划分煤矿突出危险区和无突出危险区。

1 矿井概况

新集二矿位于淮南市凤台县城西约12 km，东毗新集三矿，西邻新集一矿。井田范围：西起1号勘探线，东止013勘探线；南自1煤层与阜凤逆冲断层或其下夹片断层（局部为寿县老人仓断层）的交面线，北至13-1煤层底板-1 000 m高程的垂直投影线，东西走向最长约6 km，南北倾向最宽约5 km，面积约22 km2。规划煤炭地质储量5．33亿t，可采储量1．932亿t。矿井于1993年7月开工建设，1996年10月投产。设计生产能力150万t/年，改扩建后设计生产能力300万t/年；2007年，经淮南局核定、安徽省批准，矿井核定生产能力为290万t/年。矿井配套有设计年入洗能力400万t原煤选煤厂。在地质上，新集二矿位于淮南复向斜谢桥向斜南翼，颍凤区阜凤推覆构造中段，构造线方向近东西。根据陆地和水面地震勘探资料反映，由于受南北主构造应力的影响和控制，次一级褶皱构造、中小断层及小褶曲较为发育。2012年矿井绝对瓦斯涌出量为39．01 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为9．84 m3/t，经安徽省经济和信息化委员会批复新集二矿为突出矿井。

2 瓦斯压力的测定及其规律的分析

煤层瓦斯压力是煤层瓦斯流动和涌出的最基本参数，也是煤层发动突出的动力之一。因此，要准确地对煤层的突出危险性进行区域划分，必须测定各点的煤层瓦斯压力，并由此研究煤层的瓦斯压力分布规律。

2．1 瓦斯压力的测定

煤层瓦斯压力的测定是煤矿进行区域防突危险性预测的主要方法之一。为了对标高在-600～-550 m范围内6#、13#煤的突出危险区域进行划分，在6#煤选取了6个点作为区域划分的测压地点；13#煤由于条件所限，选取4个测点。每个测点均布置2个测压孔。通过对各测点进行瓦斯压力测定后，抛弃明显存在误差的点后，-600～-550 m范围内6#、13#煤瓦斯压力测定结果见表1。

表1 6#煤、13#煤瓦斯压力测定地点布置及测定结果表

2．2 瓦斯压力分布规律的研究

国内外对煤层瓦斯压力大量的测定结果表明，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加，瓦斯压力梯度因地质条件而异，在地质条件相近的块段内相同深度的同一煤层具有大体相同的瓦斯压力，如此，可以按下式预测深部煤层的瓦斯压力：

式中：

P—甲烷带内深度为H（m）处煤层相对瓦斯压力，MPa；

P1—甲烷带内深度为H1（m）已知的煤层相对瓦斯压力，MPa；

c—瓦斯压力梯度，MPa/m，一般变化范围为0．01 ±0．005。

通过在井田范围内煤层倾向上选取具有代表性的地点，记录下标高、经纬坐标等参数并对其进行瓦斯压力的测定，进而求得矿井的瓦斯压力梯度。同样的方法，对煤层相同标高走向上多个地点进行瓦斯压力测定，也能够得到瓦斯压力在走向上的变化规律［3-5］。

1）6#煤、13#煤层倾向上瓦斯压力分布规律。

式中：θ为日角，θ=2πt0-365.2422，其中t0=N-1，N为积日，即日期在年内的顺序号(1月1日为1，以此类推，12月31日为365(非润年))，经查证该小区某年冬至为12月22日，N为356。

根据测压点的位置X标高及煤层瓦斯压力进行拟合，得到6#煤和13#煤瓦斯压力与X标高之间的关系见图1，2。

图1 -600～-550 m范围内6#煤倾向瓦斯分布规律图

图2 -600～-550 m范围内13#煤倾向瓦斯分布规律图

根据测定的结果，可以得到6#煤在倾向上的瓦斯压力变化规律，6#煤瓦斯压力分布和标高存在以下关系：

由拟合曲线及瓦斯赋存规律可得在标高-600～-550 m范围内倾向上6#煤瓦斯压力分布规律为：随标高降低，满足每降低10 m，瓦斯压力上升0．094 MPa，即增加速率为0．094 MPa/10 m。计算可得，6#煤标高在-564 m处瓦斯压力为0．74 MPa，即仅按照标高划分突出危险时，6#煤层在-550～-564 m标高为无突出危险区，在-564～-600 m标高为突出危险区。

根据测定的结果，可以得到13#煤在倾向上的瓦斯压力变化规律，13#煤瓦斯压力分布和标高存在以下关系：

由拟合曲线及瓦斯赋存规律可得在标高-600～-550 m范围内倾向上13#煤瓦斯压力分布规律为：随标高降低，满足每降低10 m，瓦斯压力上升0．021 MPa，即增加速率为0．021 MPa/10 m。计算可得，13#煤标高在-550 m处瓦斯压力已超过0．74 MPa，即仅按照标高划分突出危险时，13#煤层在-550～-600 m标高范围内均为突出危险区。

2）6#煤、13#煤层走向上瓦斯压力分布规律。

根据测压点的位置X坐标及煤层瓦斯压力进行拟合，得到6#煤、13#煤瓦斯压力与X坐标之间的关系见图3，4。

图3 -600～-550 m范围内6#煤走向瓦斯分布规律图

图4 -600～-550 m范围内13#煤走向瓦斯分布规律图

根据图3可得，6#煤走向上的瓦斯压力变化规律为：瓦斯压力分布和X坐标差值存在以下关系：

根据图4可以得到，13#煤走向上的瓦斯压力变化规律为：瓦斯压力分布和X坐标存在以下关系：

13#煤在X坐标39 462 000～39 463 200 m范围内，走向上瓦斯压力分布规律为：满足X坐标增大100 m，瓦斯压力上升0．018 MPa，即上升速率为0．018 MPa/100 m。由图4可得，13#煤层在走向上X坐标在39 462 000～39 463 200 m范围内瓦斯压力均大于0．74 MPa，故如果仅按照走向划分13#煤层在突出危险时，X坐标在39 462 000～39 463 200 m范围内均为突出危险区。

3 单项指标分析法

在进行煤层突出危险性区域预测时若单独采用瓦斯压力法，可能会造成误判，尤其是在煤层坚固性系数较大、瓦斯放散初速度较小且地质构造相对简单的区域，对这些区域进行预测时应参考煤层突出危险性鉴定单项指标或其它经验证有效的指标。单项指标分析法虽然是对突出煤层进行突出危险性鉴定的方法及指标，并不是对突出煤层进行突出危险性区域预测的方法，但是相对于采用瓦斯压力或瓦斯含量进行突出危险性区域预测而言，其充分考虑了区域内煤层受地应力、构造破坏等因素的影响，并且对其影响提出了具体的量化指标，包括瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标和综合指标。因此，预测结果更为准确可靠［6，7］。突出煤层鉴定的单项指标临界值见表2。

表2 突出煤层鉴定的单项指标临界值表

只有当4个指标全部达到或超过临界值时，才能确定为突出煤层。但是突出危险性区域预测毕竟不是突出危险性鉴定，因此，采用单项标法进行突出危险性区域预测时其临界值的大小需要进行考察确定。对于新集二矿6#、13#煤层而言，未对临界值考察，因此，参考突出煤层鉴定的临界值。

实测新集二矿6#煤层和13#煤层的4个单项指标，其结果见表3。

表3 6#煤层、13#煤层的四个单项指标结果表

通过对比表2和表3可知，在所有测定的单项指标中，煤的破坏类型均超过了临界值；瓦斯放散初速度均未超过临界值；除了西6煤新集运巷SB3点2#孔处测点的f大于临界值外，其余点的f值均小于临界值；只有6#煤-587 m中部车场处和西6煤新集运巷SB3点2#孔的相对瓦斯压力小于临界值，其余的煤层瓦斯压力均大于临界值。因此，从单项指标并不能判定在-600～-550 m范围内6#、13#煤为突出危险区域。但结合单项指标可以发现，部分区域煤的破坏类型、煤的坚固性系数、相对瓦斯压力均已超过临界值，而这些区域与通过瓦斯压力分布规律划分出的突出危险区域相吻合。

所以，各单项指标为划分突出危险区域和无突出危险区域提供了可靠的参考依据，使得预测结果更加准确。

4 结 论

结合走向和倾向瓦斯分布规律，对新集二矿标高在-600～-550 m范围内6#煤、13#煤的突出危险性做出如下划分：

1）该矿6#煤层X坐标在39 459 200～39 461 520 m范围内，标高在-564～-550 m范围内为无突出危险区；X坐标在39 461 520～39 464 600范围内，标高在-600～-564 m区域为突出危险区。

2）该矿13#煤层X坐标在39 462 000～39 463 200 m范围内，标高在-600～-550 m区域均为突出危险区。

3）采用单项指标法对该矿6#、13#煤层突出危险性区域划分结果进行了验证。结果显示，单项指标法与瓦斯压力划分的突出危险区域结果一致。

［1］石银斌．汝箕沟煤矿煤与瓦斯突出危险性区域划分技术［J］．矿业安全与环保，2010（37）：71-72．

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Study on Danger Zone Compartment of Coal and Gas Outburst in Xinji No．2 Coal Mine

Dai Wei，Zhang Lei-lin，Shen Hong-min

Through measured the gas pressure of No．6 and No．13 coal seam in Xinji No．2 coal mine，the gas pressure distribution law of the coal seams was analyzed．And according to the gas pressure distribution law，the outburst dangerous zones were divided of No．6 and No．13 coal seam in level-600～-550 m．Combines with three indexes of the coal damage types，initial speed of methane diffusion and firmness coefficient of coal，the effect of the zone division about outburst dangerous was verified．The result shows that the single index method is consistent with the gas pressure distribution．

Gas pressure；Outburst dangerous zone；Zone compartment；Single index

TD713

B

1672-0652（2013）07-0042-05

2013-04-25

代 卫（1988—），男，安徽淮北人，2010年毕业于安徽理工大学，工程师，主要从事矿井通风防灭火和瓦斯防治的工作（E-mail）liusun2011＠163．com