新安矿特厚煤层综放开采煤与瓦斯突出特征

新安矿特厚煤层综放开采煤与瓦斯突出特征

中国的煤炭和砖瓦事故显著。统计数据表明,2001—2009年2月初全国各类煤矿共发生煤与瓦斯突出事故340起,死亡人数共2185人,平均每起煤与瓦斯突出事故死亡5.34人。为了防治突出,吨煤成本中平均增加15元,甚至高达30元,给企业造成了沉重负担,严重制约着矿井经济效益的提高,因此迫切需要弄清矿井煤与瓦斯突出的主控因素,找到切实可行的防突措施,才是保障突出矿井安全生产和提高其经济效益。分析矿井煤与瓦斯突出的主控因素,可以更加合理地应用防突措施、减少防突工作的盲目性、节约防突工程费用。1煤层瓦斯产出现状新安矿于1988年建成投产,设计年生产能力150万t。采用斜井双水平上下山开拓,一水平标高+150～+25m,分东西两翼进行分区开采,东翼有11、13、15采区,西翼有12、14采区。目前开采一水平。开采煤层为二叠系山西组二1煤,全井田仅二1煤层大部分可采,其它煤层均属不可采或偶尔可采。二1煤层位于山西组下部,全层厚度为0～18.88m,平均厚4.22m。煤层结构较简单,局部含夹矸1～2层,井田内地层倾角平缓,构造简单,并以封闭式断裂为主,煤层较厚,且变质程度较高,瓦斯赋存条件较好。新安矿自投产以来,绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量较大,历年矿井瓦斯等级鉴定均为高瓦斯矿井。11、13、15采区瓦斯含量在4～7m3/t,12、14和新16采区瓦斯含量都在9m3/t以上,呈现出东采区瓦斯含量小、西采区瓦斯含量大的特点。近年来,上山开拓基本已经结束,工作面多布置在下山,随着开采深度的增加,瓦斯涌出量出现增大的趋势。2003年以来,个别地段出现的瓦斯集中涌出和偶然局部聚集等现象,成为发生瓦斯事故的隐患,并多次发生瓦斯动力现象。2005年被认定为煤与瓦斯突出矿井。2工作面瓦斯动力现象截止2006年12月,新安矿共发生有较完整记录的瓦斯动力现象11次,其中掘进工作面10次,回采工作面1次。从突出分布来看,矿井东翼11采区11221工作面发生过3次瓦斯动力现象,其中有一次为突出,13专用回风下山发生1次瓦斯动力现象,14采区多次发生瓦斯异常涌出动力现象。历次瓦斯动力现象基本特征见表1。3矿山开采法的显著性3.1突出强度划分标准根据动力现象的力学特征,煤与瓦斯突出分为突出、压出和倾出三种类型,对照矿井11瓦斯动力现象特征,其中1次可定为突出,约占9%,其他10次均为压出,约占91%。我国按照突出煤量将突出分为四种强度类型:①小型突出:突出煤量小于50t;②中型突出:突出煤量50～99t;③大型突出:100～999t;④特大型突出:大于1000t。根据上述突出强度划分标准,新安矿属于以小型突出为主的突出矿井。在11次突出中,最大1次突出煤量50t,是回采工作面突出,其他10次煤巷掘进突出均较小,最大的1次突出28t(14皮带下山14191面上巷口下8m,正头煤体退约2.5m,正头出现一条小断层),最小的仅为2t,平均突出煤量10.14t,远未达到中型以上的突出强度,突出强度见图1。3.2激发煤的初始匹配深度从图2中可以看出,矿井始突深度为290m(11采区),但是在走向上矿井始突深度是变化的,向东13采区始突深度仅为290m,向西12采区采深已经达到550m,尚未发生突出,再向西到14采区,始突深度为550m。始突深度在不同采区具有波状起伏的特点。井田内地形复杂,高山、峡谷、河流使得地形起伏变化较快,不同采区始突深度只能认为是一个概念,而不是绝对数据。从图3突出标高来看,矿井始突标高为+60m,发生在13采区。但是在走向上矿井始突标高也是变化的,向东11采区始突标高为-20m,12采区开采标高已经达到-50m,尚未发生突出,再向东14采区始突标高为+40m;向西15采区见煤标高已经达到+45m,未发生过突出。由于地形的变化,突出标高在不同采区有一定的变化。3.3瓦斯动力的表现作业工艺是发生煤与瓦斯突出的外因,对突出只具有诱导作用。煤巷掘进中的作业工艺一般有放炮、风镐落煤、手镐作业、打钻扩孔、架棚等。在各类可以诱导突出的作业方式中,一般以放炮落煤诱导突出的次数最多,其次是风镐和手镐作业。从11次不完全统计的情况来看,突出主要发生在架棚、背帮、栽腿或攉煤的时候,并不是发生在放炮落煤或是风镐作业环节,可见煤层具有延时突出的特点。从突出征兆来看,绝大多数瓦斯动力现象发生前有预兆,最主要的突出预兆是:响煤炮、煤尘飞扬、煤体外移或从煤墙上部脱落(片帮)、瓦斯涌出突然增大并伴随探头报警等。从11次突出事故统计来看,上述征兆几乎同时发生,并不是孤立的,反映了一个突出过程的几个不同方面。3.4巷道开采深度增加从突出时间分布来看,最早1次发生在2003年14皮带下山,压出煤量28t,也是迄今为止煤巷掘进突出煤量最大的一次,突出征兆明显。之后不断有瓦斯动力现象发生,11次突出分布见表2。从表2中可以看出,突出次数有逐年增加的趋势,说明随着开采深度的增大瓦斯突出的危险性在增加。说明随着开采深度的增大瓦斯突出的危险性在增加。4重要的煤炭和砖瓦控制因素11次突出统计分析表明,埋藏深度和构造软煤厚度变化是控制瓦斯突出的主要因素,其次是煤层顶板岩性与地质构造。4.1埋深是控制瓦斯突出的主导因素煤与瓦斯突出是一个煤体弹性潜能、瓦斯内能快速释放的过程。煤层埋深越大,意味着煤体受到的地应力越大、瓦斯压力越高,煤层及围岩的透气性越差,瓦斯向地表运移的距离会越长,储存在煤层中的瓦斯含量就越大。若瓦斯封存状态好,积蓄在煤体中的弹性潜能和瓦斯内能就大,采深及地应力大和煤岩在高应力作用下更易失稳,煤层发生瓦斯突出的危险性也就越大。从某种角度而言,它是控制瓦斯突出的主导因素。新安矿14采区皮带下山首次发生煤与瓦斯突出以前,矿井主要在一水平上山煤层相对浅部开采,当时矿井按高瓦斯矿井管理,虽然多年开采,并未发生突出。随着矿井向深部开采,并在首次发生煤与瓦斯突出之后,矿井接连发生多次小型的以压出为主要特征的煤与瓦斯突出。上述特征进一步说明了埋深是控制瓦斯突出的主导因素。其基本原理是埋深控制着地应力、瓦斯含量和瓦斯压力。4.2煤厚变动机理一定厚度的构造软煤是煤与瓦斯发生突出的必备条件之一。构造软煤对瓦斯突出的主要影响在于削弱煤体的强度,减小发生瓦斯突出所需的能量,降低煤体抵抗瓦斯突出的能力。新安矿全层构造软煤发育,属于Ⅲ～Ⅴ类煤,平均厚度达到4.22m,但是煤厚变化很大,而且有时在很短的距离内发生较大的变化,钻孔统计极值厚度在0～18.88m,煤厚基本稳定在1.5～6m,频率高达54%。煤厚变化主要是由底板基底不平造成的,顺煤层巷道在掘进过程中经常出现煤厚变化的情况,特别是在煤厚急剧变化的情况下,由于岩体结构的不均一性,导致局部应力集中,从而引起煤与瓦斯突出。从目前的情况来看,新安矿开采水平尚处于弱突出区,瓦斯压力不足够大,没有大中型以上的突出,都是小型突出,当煤层厚度由厚急剧变薄时,地应力分量增大,最容易出现压出,压出过程中地应力起着比较重要的作用。如图4所示,当煤层厚度由薄急剧变厚时,地应力作用的水平分量是向巷道里端,其趋势是不利于瓦斯突出,所以至今较少出现突出类型的动力现象。以后随着矿井向深部开采,当煤由厚急剧变薄时,压出现象将更容易,会发生以突出形式为特征的动力现象。可以预计,随着开采深度的增加,压出和突出强度都会进一步增加。4.3激发最小瓦斯含量瓦斯富集是突出的能量来源和基础条件,在突出过程中,瓦斯产生的膨胀能不但破坏煤体,而且搬运破碎煤体是促进突出向深部发展的主要动力,11次煤与瓦斯动力现象点均具有较高瓦斯含量。11次瓦斯动力现象中,全部发生在瓦斯含量大于8m3/t的高瓦斯区,见图5,瓦斯含量区间为8～10.5m3/t。第一次突出点14采区皮带下山对应的瓦斯含量为10m3/t;14采区突出点对应的最小瓦斯含量为8.5m3/t;11采区突出点对应的最小瓦斯含量为9.5m3/t;13采区突出点对应的最小瓦斯含量为8m3/t;而在12采区瓦斯含量已经达到10m3/t以上尚未发生过突出,15采区瓦斯含量在8m3/t以下,未发生过突出。从以上数据可以看出,不同采区始突深度最小瓦斯含量略有差异,大体上在8～10m3/t,该数据是在采掘生产中采取防突措施条件下的最小瓦斯含量。如果不采取任何防突措施,突出的瓦斯含量最低界限应当在8m3/t以下。11个突出点附近瓦斯压力,见图6,最小瓦斯达到0.86MPa,瓦斯突出压力区间为0.86～1.2MPa。第一次突出点14采区皮带下山对应的瓦斯压力为1.2MPa;14、11、13采区突出点对应的最小瓦斯压力分别为0.86、0.9和0.86MPa。与瓦斯含量一样,上述数据表明不同采区始突深度最小瓦斯压力略有差异,大体上在0.86～0.9MPa,该数据是在采掘生产中采取一定防突措施条件下的突出最小瓦斯压力。如果不采取任何防突措施,突出的瓦斯压力最低界限应当在0.86MPa以下。从以上分析可以看出,瓦斯压力与瓦斯含量具有较好的对应关系,因此,这两个数据均可作为评价瓦斯突出的参数。4.4地质构造的表现形式地质构造对瓦斯突出具有促进作用,地质构造区常常存在残余构造应力,有利于提升煤体的弹性潜能水平,增加发生瓦斯突出危险程度,而且地质构造区煤体结构破坏严重,往往伴生着构造软煤,煤体强度大幅降低,造成抵抗瓦斯突出的能力下降。地质构造的表现形式主要有褶皱和断层。该矿区内主要为一简单单斜构造,次级褶皱不很发育,而且多为舒缓波状。生产中多见顶板平整、底板起伏的现象,通常认为是背向斜,实际是煤层原始沉积基底不平造成的,后期构造作用加剧了这种变化,导致了构造煤厚度的变化,尤其在掘进过程中,煤厚的急剧变化,容易形成局部应力集中,导致煤与瓦斯突出事故的发生。井田内断裂构造主要是一些小型正断层,大断层位于井田的东西边界。从11次突出情况来看,与小断层有关的突出占6次,全部位于14采区,也就是说14采区7次突出中,除1次回采工作面14181突出与小断层无关外,其他6次煤巷掘进均与小断层有关。说明小断层是影响突出的重要因素之一,断层处往往是应力集中部位,容易引起突出的发生。4.5顶底板砂岩可能发生的问题底鼓和煤壁上部煤块(或碎煤)掉落、顶板掉渣是煤与瓦斯突出的征兆,这些情况均与煤层顶底板岩性有关。顶底板砂岩等脆性较大的岩层一般不会出现这种情况,但是当顶底板为韧性较强的泥岩等容易发生塑性变形的岩层时,上述现象就比较容易发生。因此,在顶底板有韧性岩石,而且变化较大时,要加强防突工作。矿井11次突出中就有1次底鼓(11221下巷)和两次煤壁上部煤块掉落(14191工作面上下巷)。5煤体开采的瓦斯排放对于新安矿11次煤与瓦斯突出实例进行分析,发现该矿主要以小型压出为主,占91%,92%的突出发生在煤巷掘进面,且突出前均伴随有突出预兆。突出地点附近瓦斯压力在0.86～1.2MPa,高瓦斯含量大,在8～10m3/t。在这些区域采掘前,应加强有效的防突措施。统计分析表明,埋藏深度和构造软煤厚度变化是控制瓦斯突出的主要因素,其次是煤层顶板岩性与地质构造。由于新安矿煤体f值小,煤