新景矿煤与瓦斯突出危险性预测研究

查文锋

(阳煤集团 地质测量部,山西 阳泉 045000)

新景矿井田面积为64.747 7 km2,开采深度由+850 m～+230 m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10 m3/t～30 m3/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0.4 MPa～2.4 MPa,瓦斯绝对涌出量为6 m3/min～26 m3/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10 m范围内和对应的煤帮10 m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。

表1 阳泉矿区地应力测试成果Table 1 Ground stress test results in Yangquan mining area

表1中第11测点、第12测点位置大致在新景矿东区,第13测点位于8#煤北三补轨200 m处,测点所在处巷道沿8#煤层顶板掘进,测点埋深约468 m。第14测点位于8#煤北三正巷100 m处,沿8#煤层顶板掘进,测点埋深约465 m。

根据研究区及其邻近矿井的地应力测试成果(剔除了个别异常数据),可以看出垂直应力和最大水平应力的大小一般随深度递增,具有较好的线性关系，见图1。

图1 研究区地应力与深度的相关性Fig.1 Relationship between ground stress and buried depth in the mining area

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454 m,最大水平主应力15.23 MPa;14测点:测深447 m,最大水平主应力12.77 MPa;平均测深:450.5 m,最大水平主应力平均值14.0 MPa。

根据3号煤层底板等高线图,13、14测点处地面标高约983.45 m(钻孔3-73孔口标高),底板标高530 m,底板埋深453.45 m。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。

首先,地应力场是一个空间场,除了区域地应力背景之外,影响地应力分布的主要因素包括埋深、岩石组合的力学性质和地质构造等,而岩石组合只是在垂向上发生变化,对于煤层底板而言,其岩石力学性质基本不变,因此可以排除岩石组合的因素。

其次,研究区的地应力场分布特征具有较明显的方向性,应力的高值区总体上均为NE-SW走向条带状分布,与区内主体褶皱轴的走向基本一致,比如:高值区A、B处于三条NE-SW向褶皱轴之间,两向斜夹一背斜,中间的背斜轴即为应力集中区见图2所示。

图2 3#煤层底板地应力场与构造的关系Fig.2 Relationship between ground stress field and structure of the floor in No.3 coal seam

第三,研究区叠加褶皱及其发育,除NE-SW向褶皱外,还有一组近EW向的褶皱发育(个别为NEE-SWW向),两组褶皱叠加,走向大角度斜交。褶皱的叠加作用显然导致了应力的降低,比如:低值区D发育多条近EW向褶皱,而该区是整个研究区内最大的地应力低值区,EW向褶皱最密集的东南角亦是地应力最小值所在地段,见图2所示。

第四,埋深是影响地应力的重要因素,从前文的地应力实测成果分析中,即可看出无论是垂向应力,还是水平主应力,均随着埋深的增大而增加。研究区内西北地段的煤层底板等高线显示,该地段煤层底板埋深最浅,因此,尽管该地段也是NE-SW向褶皱发育区,且无叠加褶皱发育,但低值区C分布在该地段显然是受埋深太浅的影响。

综上所述,研究区内的地应力分布特征主要受埋深与构造的控制。

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。

新景矿在生产过程中统计了工作面的瓦斯涌出量,在剔除褶皱轴部、断层、冲刷面等异常影响因素后,编制了3#煤层瓦斯相对涌出量与底板标高的相关性散点图，见图3。由图3可以看出,3#煤层的瓦斯涌出量随着底板标高的增加呈递减的趋势。

图3 3#煤层瓦斯相对涌出量与埋深关系Fig.3 Relationship between relative gas outburst quantity and buried depth in No.3 coal seam

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5 m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，见图4。

图4 3#煤层顶板泥岩厚度等值线与瓦斯含量分区图Fig.4 Mud rock thickness contour and gas content zones of the roof in No.3 coal seam

对比瓦斯含量分区情况与煤层顶板泥岩厚度,可以看出一定厚度的顶板泥岩对瓦斯赋存具有一定的封闭作用,研究区的中-高瓦斯区,煤层顶板泥岩厚度一般均大于1 m,普遍都在3 m以上,而低瓦斯区顶板泥岩厚度则相对较薄,说明研究区煤层顶板泥岩的封闭性是影响瓦斯赋存的主要因素之一。

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14 MPa区域划分为低应力区,将大于等于14 MPa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10 m3/t的区域划分为低瓦斯区,将大于等于20 m3/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，见图5。

图5 研究区煤与瓦斯危险性分区图Fig.5 Coal and gas outburst risk zones in the mining area

煤与瓦斯突出的影响因素较为复杂,在矿井深部及构造较为复杂的区域仍应引起重视,应该按照《防治煤与瓦斯突出规定》的相关要求,制定相应的区域和局部综合防突措施,加强煤与瓦斯突出的预测预报工作,防止煤与瓦斯突出事故的发生。

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。