阳泉矿区瓦斯突出能量差异化分布特征及地质致因分析

周建斌，王晓东，赵 伟，徐 超，2，，何舒蕾，周 倩，刘晨熙

(1.华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000；2.阳泉煤业(集团)有限责任公司 博士后科研工作站，山西 阳泉 045000；3.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京100083)

0 引 言

中国煤炭资源分布较广，包括东北、华北、山西、内蒙和云贵川等众多矿区；其中包括神东、晋北、晋西和晋东等多个亿吨级煤炭生产基地。各个矿区由于煤层赋存条件和开采条件的不同，导致同一地区瓦斯灾害同样存在较大差异。同样，对于阳泉矿区而言，煤矿瓦斯突出灾害频发，且同样存在差异化特征[1-2]。

关于煤与瓦斯突出的控制机理，目前国内外文献中主要有“瓦斯作用说”、“地应力作用说”、“化学本质说”以及“综合作用说”4种假说。其中，“综合作用说”考虑了瓦斯、地应力及煤体本身性质等因素，因此更为科学系统，逐渐被学界认可[3-9]。在突出准备及发动阶段，瓦斯主要起降低煤体强度，形成高压梯度的作用，而地应力则是破坏煤体能量的主要提供者。在突出发展阶段，解吸形成的高速瓦斯流与地应力配合连续剥离突出煤体，并将前方煤体抛射到巷道中，形成逐步向深部发展的新突出面。这种剥离面或呈层状，或呈球壳状，因此形成了层裂理论及球壳失稳理论[10-11]。而在突出终止阶段，瓦斯则继续长时间解吸，异常解吸的时间可持续长达几小时甚至几天。

煤与瓦斯突出是一个复杂多变的非线性过程，很难完整精确的定量化对其进行描述[12]。因此，对突出的过程研究多从能量角度进行阐述。苏联学者霍多特首先推导出了描述突出过程的瓦斯膨胀能、煤体弹性潜能、破碎功等公式[13]。澳大利亚学者GRAY利用能量理论分析了澳大利亚三起突出事故[6]。我国学者郑哲敏基于突出能量得出瓦斯在突出中起着主导作用[14]。文光才等基于破碎实验给出了破碎功的经验模型[15]。安丰华等基于数值模拟对突出能量大小进行了探究，并给出了基于能量模型的突出激发判据[16-17]。赵伟从能量角度分析了有效做功瓦斯在突出瓦斯中所占的比重[3]。从上述研究现状可以看出，以能量方程为基本手段去分析突出危险性，厘定突出激发的阈值是可行的。

阳泉矿区地质构造差异化大，突出危险性变化不一，如何利用合适方法对区域突出危险性进行划分意义重大。文中利用阳泉矿区瓦斯突出事故资料，基于突出能量的基本方程，对阳泉矿区区域煤与瓦斯突出危险性分布规律进行了定量研究，并探究导致此差异化分布规律的内在原因，为阳泉矿区瓦斯灾害差异化精准防控奠定基础。

1 阳泉矿区突出事故统计

阳泉矿区位于山西省中东部，沁水盆地东北部，是中国重要的无烟煤基地。矿区现有新景矿、一矿、三矿、五矿、寺家庄矿、石港矿、永新、新元矿和平舒矿9对突出矿井。根据阳泉矿区历年来各煤矿突出事故统计结果，将最大突出煤岩量和最大喷出瓦斯量与阳泉矿区各煤矿的地理位置统计对比分析，如图1所示。从图1可以看出，突出事故主要集中发生在阳泉矿区中部的东北区域，即在阳泉矿区一矿和三矿突出事故发生较为集中，其中1966—1989年之间发生近4 000次突出事故。而突出规模最大的事故发生在中部的阳泉三矿，共抛出525 t煤体，而最小的发生在北部的新元矿，突出大小为4 t。

图1 阳泉矿区突出起数分布[18]

进一步对突出的发生年份进行对比，将突出事故发生的地点与突出事故的大小、次数与突出发生时间进行关联，可以得到图2和图3的结果。可以发现，绝大多数突出发生在2000年之前。而在大规模采用瓦斯预抽、保护层开采等防突措施之后，突出事故发生的频次得到了较大程度上的遏制。在2000年之后，只有约40起突出事故发生。而就最大突出量来讲，有效的防突措施也使得2000年之后的突出量得到了显著下降。

图2 各矿突出起数对比

图3 各矿最大突出量对比

综上所述，若以阳泉矿区突出事故发生的频次及规模作为参照，以此来定义阳泉矿区的突出危险性，则可得出各区域的突出危险性总体排序为：中部区域>南部区域>北部区域。其中在2000年之后，突出危险性排序变为：南部区域>中部区域>北部区域。应当指出的是，基于突出事故的危险性排序，往往决定于其开采范围以及开采方法等人为因素，故而存在一定的误差，但对于宏观的分布规律来讲，仍有一定的统计意义。在下一节中，为了更加定量化地描述突出能量的危险性，采用能量指标对突出危险性进行更加精细化的评价。

2 阳泉矿区瓦斯突出能量分布特征

一般认为，在突出过程中涉及的能量主要有瓦斯膨胀能和煤体的弹性潜能2种，即[19]

W总=W1+W2

(1)

式中W总，W1和W2分别为总的突出能、瓦斯膨胀能和煤体弹性潜能。

2.1 瓦斯膨胀能

因为突出时间极短，常在瞬间发生，故而瓦斯膨胀过程常被近似为气体的绝热膨胀过程，即

(2)

式中P1，V1分别为突出前的瓦斯压力及瓦斯体积；P2，V2分别为突出后的大气压和瓦斯在大气压下的体积；γg为甲烷的绝热系数，通常取1.3。

根据上式，可得瓦斯膨胀功为[19]

(3)

2.2 煤体弹性潜能

煤体弹性潜能是由地应力压缩煤体产生的。郑哲敏[14]曾给出在地应力作用下突出煤体所含的弹性潜能为

(4)

式中δ为地应力；μ为煤的泊松比；E为煤的弹性模量；Vc为突出煤质量。

将式(3)和(4)代入式(1)便可得到瓦斯突出总能量的突出规律，即

(5)

2.3 能量分布特征

统计阳泉矿区2000年后发生的突出事故，将突出地点埋深、突出煤体质量以及突出瓦斯质量等参数带入式(1)～式(5)，则可以得到瓦斯膨胀能、煤体弹性潜能以及总激发能3种能量随埋深的数学关系，如图4所示。可以发现3种能量随埋深均大致呈线性关系：煤体弹性能与埋深关系为y=0.20x-83，大小范围在0.09～90.17 MJ；瓦斯膨胀能随埋深变化关系为：y=9.02x-3 399，大小在14.7～3 638.52 MJ；总激发能随埋深变化关系为y=9.22x-3 482，大小在15.03～3 667.81 MJ。因此，矿区的最小突出能量为15.03 MJ，其对应的其对应的事故为2007年5月21日发生在温家庄矿南二正巷的突出事故，始突深度为328 m。

图4 阳泉矿区突出能量随埋深变化

3种关系中，煤体弹性潜能随埋深的线性关系最好，而瓦斯膨胀能与总激发能的线性关系较弱。这主要是因为在统计突出瓦斯量时，往往从瓦斯浓度开始变化到恢复初始浓度期间的所有瓦斯涌出量作为计算标准。对于没有对突出煤体实际做功的低速瓦斯也考虑在内，高估了瓦斯的参与做功量，使得瓦斯膨胀能计算离散度过高[3]。

另外，从3种能量的数量级可以发现(图5)，瓦斯膨胀能约比煤体弹性潜能大2个数量级，且瓦斯膨胀能和突出总激发能变化规律及数量级近似，因此可以推测该区域的突出事故由瓦斯膨胀能主控。对比瓦斯膨胀能与煤体弹性能之间的比值可以发现，随着埋深的升高2种能量比值会越来越低，表明在深部应力对突出的控制作用越来越强。这是因为煤体由浅部的水平应力主控(σ2和σ3)逐步发展为深部的三向应力环境(σ1,σ2和σ3)，地应力显著增高。

图5 阳泉矿区瓦斯膨胀能与煤体弹性能比值随埋深变化

而在水平方向上，以阳泉矿区15煤层为例，依据阳泉矿区瓦斯含量等值线图[18]以及瓦斯赋存规律[20]，并根据一般垂直地应力随深度的变化公式[4，21]，即P=2.5 MPa/hm，便可以得到图6的计算结果。图中能量等值线密度越大，表示其突出能量变化值越大，突出危险性越大。因此可以发现，在阳泉矿区中部区域，即新景、五矿、以及寺家庄北部地区，突出危险性明显增大。而在矿区南部的等值线密度稍微较北部稍密，说明矿区南部的突出危险性要稍高于矿区北部。这与第2小节中对突出事故的统计结果一致。因此，总体而言，突出危险性为中部>南部>北部。

图6 阳泉矿区突出能量分布等值线

3 突出能量差异化分布地质成因分析

矿区宏观突出分布特性往往与矿区的地质构造有关。阳泉矿区主要受到NNE向复向斜构造的影响，区域内主要以中生代NE向、EW向褶皱为主，其构造主要是受褶皱挤压张拉作用。在水平方向上，阳泉矿区由于受古今多期构造影响，逐渐形成了“中间高、南北低”的应力分布特点。在印支期，其受到近NS向的挤压应力，在矿区北部形成了近EW向的褶皱和断层。在燕山期，其受到NWW—SEE至EW向的挤压应力，在矿区大面积形成NNE—NE向的褶皱。在喜马拉雅期，其又受到NNE—SSW向挤压，对原有的构造又进行了叠加改造，在阳泉中部矿区形成了少数NWW向的褶皱[22]。因此，经过三期作用，阳泉中部的构造状况最为严重，南部和北部则次之。这就造成了中部矿区构造复杂且地应力高，褶曲轴部的压缩拉伸，煤层顶底板的滑移和断层上下盘的错动等地质运动形成大量的构造煤，如图7所示。构造煤是煤层在构造应力作用下发生成分及结构变化的产物。由于在成煤过程中成煤条件的差异，使得构造煤自身结构以及外在的力学条件存在较大差异，故而破碎的程度不同。相较于原生结构煤而言，构造煤煤质松软，渗透性较低，是突出发生的主要区域[23-25]。煤矿突出鉴定时，矿区构造煤的破坏程度是评价该区域突出危险型大小的重要考量因素。唐军曾对阳泉矿区的地应力进行测定，发现中部矿区的地应力要显著高于矿区南北两极，这也从侧面验证了中部地区构造严重的特点[18]。而对于南北两极，由于阳泉矿区西南部发育有几条NE向的大型断层，使得南部的构造复杂度要大于构造更为简单的北部区域[22]，故而南部的突出危险性要大于北部。

图7 阳泉矿区构造煤形成的几种形式

4 结 论

1)阳泉矿区突出事故统计结果表明：矿区中部东北区域突出事故多发，在一矿和三矿区域甚至达到了近4 000次突出；区域突出危险性中部区域>南部区域>北部区域。

2)阳泉矿区瓦斯突出能量计算结果表明：瓦斯膨胀能、煤体弹性潜能以及总激发能3种能量随埋深呈线性关系。各突出事故中，煤体弹性能在0.09～90.17 MJ，瓦斯膨胀在14.7～3 638.52 MJ，总激发能在15.03～3 667.81 MJ。3种能量的数量级差异表明该区域的突出事故由瓦斯膨胀能主控。突出能量水平方向上呈中部>南部>北部的分布规律。

3)阳泉矿区地质演化史表明：阳泉矿区受到印支期、燕山期以及喜马拉雅期多期构造应力影响，构造复杂程度呈现中部>南部>北部的特点，进而使得突出能量分布产生相应变化。