本文關鍵詞：煤與瓦斯突出地質控制機理探討，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　 第 38 卷第 7 期 　 2013 年 7月

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

煤　 　 炭　 　 學　 　 報

Vol. 38　 No. 7　 July　 2013　

　 　 文章編號:0253-9993 ( 2013 ) 07-1174-05
煤與瓦斯突出地質控制機理探討
閆江偉1 ,2 ,張小兵1 ,2 ,張子敏1 ,2 ,3
(1． 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地, 河南 焦作 　 454003;2． 河南理工大學 瓦斯地質研究所, 河南 焦作　 454003;3． 中國煤炭學會 瓦斯地質專業(yè)委員會,河南 焦作　 454003)

摘　 要:在綜合考察國內外煤與瓦斯突出研究基礎上,從瓦斯地質角度深入分析構造煤體、 高壓瓦 斯和構造作用等影響突出發(fā)生的關鍵因素,初步提出以瓦斯突出煤體為核心的煤與瓦斯突出地質 控制機理。 認為地質構造控制著煤層瓦斯的賦存和構造煤分層破壞程度以及厚度分布, 控制著煤 與瓦斯突出;煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象是一定規(guī)模的瓦斯突出煤體在臨近采掘工作面煤壁時,卸載引 起煤體拉張向深部擴展破壞,煤層透氣性高倍增加,同時煤體內大量瓦斯因降壓而快速解吸, 靠近 煤壁的煤體內瞬間形成高動能的氣、煤顆�；旌象w,類似點爆炸藥包,造成煤層嚴重崩塌破壞,發(fā)生 煤與瓦斯突出。 以鄭煤集團大平煤礦“ 10 ·20 ” 特大型煤與瓦斯突出為基礎, 進行地質控制煤與瓦 斯突出實例分析,結合新疆自治區(qū)煤礦瓦斯地質特征揭示了瓦斯突出煤體發(fā)育和分布規(guī)律。 關鍵詞:瓦斯地質;煤與瓦斯突出;地質控制;瓦斯突出煤體 中圖分類號:TD713　 　 　 文獻標志碼:A

Research on geological control mechanism of coal-gas outburst
(1． State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control ( HPU ) , Jiaozuo 　 454003, China;2． Institute of Gas-geology, Henan Polytechnic

YAN Jiang-wei1,2 ,ZHANG Xiao-bing1,2 ,ZHANG Zi-min1,2,3

Abstract :Overall investigating into the current coal-gas outburst mechanisms at home and abroad,we analyzed the key factors influencing coal-gas outburst from the perspective of gas geology,such as deformed coal,gas and tectonism. Based on those results,the geological control mechanism of coal-gas outburst centering on gas outburst coal is tentaa certain thickness is extended to expansion and failure due to unloading mining,and permeability of coal seam increases;because of abundant coal bed methane ( CBM) desorbing fast,a mixture of CBM and coal particles with higher kitively proposed. It is pointed out the coal-gas outburst being as follows:in the face of coal wall,gas outburst coal with netic energy has been formed instantly in front of the coal wall,like an explosives,and it results in avalanche damage in China’ s Xinjiang Uighur Autonomous Region.

University,Jiaozuo　 454003,China;3． Gas-geology Division,China Coal Society,Jiaozuo　 454003,China)

of coal body. Taken the “10·20” mining calamity for example,the geological-control case for coal-gas outburst had Key words:gas-geology;coal-gas outburst;geological control;gas outburst coal 　 　 煤與瓦斯突出 ( 簡稱 “ 突出 ” ) , 是煤礦井下含瓦 斯煤巖體多以碎粉狀由煤層向采掘部位急劇運動、并 伴隨大量瓦斯噴出的一種強烈動力過程
[1]

been analyzed,and revealed the distribution of gas outburst coal based on gas-geological characteristics of coal mines

界各主要產煤國都不同程度地發(fā)生過煤與瓦斯突出。 在同煤礦瓦斯災害長期斗爭中,世界各國都投入了大 量的人力、物力,試圖揭示煤與瓦斯突出本質,查明影 響因素在突出發(fā)生和發(fā)展中的作用 [2-6] 。 研究者通

復雜的煤礦自然災害,嚴重威脅著煤礦安全生產。 世

, 是極為

收稿日期:2013 - 03 - 01　 　 責任編輯:許書閣 　 　 基金項目:國家科 技重大專項資助項目 ( 2011ZX05040 - 005 ) ; 國 家 自 然 科 學 基 金 資 助 項 目 ( 41102094 ) ; 中 國 博 士 后 科 學 基 金 資 助 項 目 (20090450928) 　 　 作者簡介:閆江 偉 ( 1979—) , 男, 河 南 商 丘 人, 講 師, 博 士 研 究 生。 Tel:0391 - 3987897, E - mail: gisyjw @ hpu． edu． cn。 通 訊 作 者: 張 小 兵 (1978—) ,男,陜西寶雞人,副教授,博士后。 Tel:0391-3986566,E-mail:xiaobingzhang@ hpu． edu． cn

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過開展突出實例分析、 實驗模擬研究及大量現(xiàn)場調 查,對煤與瓦斯突出提出過多種假說, 主要可歸為 4 本質作用假說和綜合作用假說
[7]

發(fā)生突出的動力基礎。 瓦斯突出煤體作為構造煤與 綜合考察目前煤與瓦斯突出研究實際,認為從瓦斯地 質角度出發(fā), 借助瓦斯突出煤體這一載體來研究突 出,或許能夠厘清突出發(fā)生條件, 為有效防治瓦斯災 害和探討突出機理提供借鑒。

類觀點:瓦斯主導作用假說、地壓主導作用假說、化學 只能對某些突出現(xiàn)象給予解釋, 構建完整、 一致的煤 與瓦斯突出認知仍然是學術界、工業(yè)界值得探索的重 要命題。 本文結合工程實踐與理論預測成果,試提出 以瓦斯突出煤體為核心的煤與瓦斯突出地質控制機 理。 認識難免有片面性、甚至錯誤,現(xiàn)提出供討論。 。 然而, 這些假說

高壓瓦斯的復合體, 其形成和分布受構造作用控制。

2　 以瓦斯突出煤體為核心的煤與瓦斯突出機 理
2． 1　 構造煤與瓦斯突出煤體 造擠壓、剪切作用,煤層中一個或若干個分層可能被 破壞。 在構造應力作用下, 煤層易發(fā)生破碎、 韌塑性 變形及流變遷移,從而煤層內部的某些分層, 甚至全 煤層成為片狀、鱗片狀或糜棱狀, 煤地質人員稱其為 “ 構造煤” 。 構造煤雖是瓦斯地質界的常用術語, 但 尚無確切定義。 煤體結構四類劃分方案參照構造巖 劃分為:原生結構煤、 碎裂煤、 碎粒煤和糜棱煤, 其中 后三者統(tǒng)稱為構造煤。 然而,大量測試和突出實例表 明,碎裂煤一般不具突出危險性。 由此可見, 誘發(fā)煤 與瓦斯突出的固體介質更強調受到嚴重破壞的構造 煤,即碎粒煤和糜棱煤。 瓦斯突出煤體是突出煤層中含有高能瓦斯且以 分類原則,按照煤體在不同變形機制下的破碎程度, 我國古生代煤田經歷了中生代以來不同規(guī)模構

1　 背景分析

年仍占 50% 以上, 且煤炭開采 60% 以上礦井采掘的 是形成地質時期早、 演化歷史復雜、 地質條件復雜多 變的石炭 - 二疊系煤 層, 煤 與 瓦 斯 突 出 災 害 極 為 嚴 重。 自 1843 年法國魯爾煤田伊薩克礦井發(fā)生世界上 第 1 次有記載的煤與瓦斯突出以來,世界各地累計發(fā) 突出總次數(shù)更是占到全世界的近一半, 近 20 年平均 每年新增突出礦井 37 對、 發(fā)生突出 280 余次 情況將愈加明顯。
[8]

我國能源消費結構中煤炭占 67% , 預計到 2050

生超過 4 萬次突出事故, 其中我國在突出礦井對數(shù)、 年突出次數(shù)、突出平均強度等方面都高居世界第一, 年來,我國煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故的強度、 規(guī)模 和復雜程度不斷升級, 隨著煤礦開采深度增加, 這種 時常伴有瓦斯爆炸, 是威脅煤礦安全生產的主要災 害,典型如:2004 年 10 月 20 日發(fā)生在鄭州煤炭工業(yè) 集團大平煤礦的 “10 ·20” 事故,2009 年 11 月 21 日 發(fā)生在黑龍江鶴崗新興煤礦的 “11 ·21” 事故, 均是 由特大型煤與瓦斯突出引發(fā)的瓦斯爆炸事故,造成了 不可彌補的損失。 上述礦區(qū)、礦井大都經歷了規(guī)模不 等的構造擠壓剪切作用,瓦斯、煤體、地質構造及其復 合可能構成突出發(fā)生的重要條件。 另一方面,煤與瓦 斯突出研究挑戰(zhàn)性大:人們既無法在現(xiàn)場觀測到突出 發(fā)生、發(fā)展的全過程, 也很難在實驗室確切再現(xiàn)突出 動力現(xiàn)象。 瓦斯地質研究強調構造煤、瓦斯和構造作 用對突出的控制:地質構造復雜區(qū)構造應力分布不均 衡,往往存在局部應力集中, 有利于煤體彈性潛能的 增加,增大了發(fā)生突出的幾率; 構造復雜區(qū)煤體結構 破壞嚴重,往往伴生著構造煤,煤體強度低,抵抗突出 的能力下降;地質構造可能引起瓦斯聚集, 形成高壓 瓦斯,并使瓦斯分布不均衡, 煤體內存在高的瓦斯壓 力梯度。 是發(fā)生突出的物質基礎, 構造作用、 特別是地應力是 在筆者以前的研究中,注意到構造煤和高壓瓦斯 煤與瓦斯突出研究備受關注。 一方面,突出發(fā)生 。 近

強烈韌性破壞為主的構造煤體,滿足煤分層具有突出 危險性的介質條件 [9-11] 。 筆者從地質學角度長期從 事煤礦瓦斯預測與治理研究,結合從現(xiàn)場獲得的大量 事實證據(jù),深刻認識到: 煤與瓦斯突出與地質因素關 系密切,大多數(shù)突出都發(fā)生在地質構造破壞帶, 即強 2． 2　 高能瓦斯和構造煤對突出的控制 烈擠壓、剪切作用形成的瓦斯突出煤體發(fā)育區(qū)段。 如前所述,瓦斯突出煤體兼具嚴重破壞的構造煤

分層和高能瓦斯,是誘發(fā)煤與瓦斯突出的必要條件。 煤層瓦斯的賦存,構造煤分層破壞程度和厚度分布均 受地質構造控制。 造陡變帶、深層斷裂帶、推覆構造帶、強變形帶控制著 沿華北盆地南緣龍首山—固始深層活動斷裂帶上分 布有靖遠、宜洛、平頂山、 淮南等高突礦區(qū); 豫西強變 形帶內新密、 禹州、 登封、 臨汝、 滎鞏等礦區(qū)。 其中豫 西強變形帶,較長時期受到秦嶺造山帶對華北板塊南 緣的推擠作用,并在燕山早、中期疊加 NNE 向褶皺斷 裂構造,先期擠壓、剪切,燕山末期至古近紀表現(xiàn)為拉 張斷陷, 發(fā)生大規(guī)�；瑒訕嬙� ( 圖 1 ) [13] , 形成豫西 煤與瓦斯突出危險區(qū)分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn):深層構

我國為數(shù)眾多的突出礦區(qū)和礦井的分布 [12] 。 例如:

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“ 三軟” 煤層發(fā)育區(qū),煤層厚度變化劇烈, 全層發(fā)育構 造煤。 該區(qū)新密煤田長期受 SW - NE 向推擠作用, 主 體為 NW -NWW 向構造,其次是 NNE - NE 向構造, 控

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向逆斷層) 和滑動構造。 由此可見, 這些都是區(qū)域構 它們常常也是煤層瓦斯富集帶和嚴重破壞構造煤發(fā) 育的部位。

造擠壓、剪切應力集中帶和構造變形最強烈的地帶,

制煤與瓦斯突出的主要因素是小斷層 ( 尤其是 NW

7—庇山滑動構造;8—白坪滑動構造;9—朝川滑動構造;10—平陌滑動構造;11—石坡滑動構造;12—楊家洼滑動構造;13—曲梁滑動構造;

1—蘆店滑動構造;2—米河 - 賈峪滑動構造;3—暴馬滑動構造;4—龍門滑動構造;5—龍泉寺滑動構造;6—夾溝滑動構造; 14—梁北滑動構造;15—任崗滑動構造;16—蔡寺 - 白沙滑動構造;17—五佛山滑動構造;18—林臺山滑動構造

Fig． 1　 Distribution of gravitational gliding tectonics in the Songshan-Jishan area [13]

圖 1　 嵩箕煤田中重力滑動構造分布 [13]

　 　 鄭哲敏院士指出,瓦斯能量大和煤層強度低是形 成煤與瓦斯突出的根本原因。 本研究團隊長期從事 煤礦瓦斯地質規(guī)律研究和突出危險性區(qū)域預測,深刻 認識到:高瓦斯突出礦區(qū)、 煤與瓦斯突出礦井的分布 受瓦斯形成和瓦斯賦存的控制,煤層中嚴重破壞的構 造煤體控制著瓦斯災害的發(fā)生和治理。 基于煤與瓦 斯突出綜合假說,筆者提出以瓦斯突出煤體為核心的 煤與瓦斯突出地質控制機理。 認為煤與瓦斯突出動 力現(xiàn)象是一定規(guī)模的瓦斯突出煤體在臨近采掘工作 面煤壁時,卸載引起煤體拉張向深部擴展破壞, 煤層 透氣性高倍增加,同時煤體內大量瓦斯因降壓快速解 吸,靠近煤壁的煤體內瞬間形成高動能的氣、 煤顆粒 混合體,類似點爆炸藥包,造成煤層嚴重崩塌破壞,發(fā) 生煤與瓦斯突出。 直到煤、 巖體平衡拱 ( 突出過程也

是平衡拱形成過程 ) 形成可以抵擋煤體因卸壓引起 的拉斷間斷面不再向深部擴展,以及瓦斯壓力趨于平 衡、解吸不再向深部擴展時, 煤與瓦斯突出動力才會 終止。

2． 3　 地質構造控制煤與瓦斯突出實例分析 北緣邊界斷裂和洛南 - 欒川 - 方城斷裂之間, 先期受 布的主體構造。 燕山早、中期又受到 SE - NW 向推擠 作用,在原有 NW -NWW 向構造基礎上疊加了 NNE 構造復雜, 構造煤普遍發(fā)育。 尤其是 NNE - NE 向構 造發(fā)育部位,構造變形最為強烈, 控制了新密煤田的 煤與瓦斯突出危險區(qū), 如大平、 告成等突出礦井就位 河南省新密煤田在區(qū)域構造上位于秦嶺造山帶

到秦嶺造山帶隆起推擠作用,形成了 NW -NWW 向展 NE 向構造。 兩個方向的強烈擠壓作用使得新密煤田

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于井田 NWW 與 NNE 向構造疊加區(qū)。

左右的吳莊逆斷層、 周山逆斷層等, 屬于 NE 向疊加 于 NW 向的復合擠壓構造帶, 構造煤成層發(fā)育, 煤的 堅固性系數(shù) f 值約為 0． 12、瓦斯放散初速度 ΔP 值大 于 30。 井田位于新密礦區(qū) NE 向的向斜和逆斷層地 段,21 巖石下山處于井田東南端 NE 向 NW 的構造轉 折部位,地質構造復雜多變, 這些地質因素為煤與瓦 斯突出的發(fā)生創(chuàng)造了 “ 有利條件 ” 。 2004 - 10 - 20, 大 平煤礦 21 巖石下山標高 -282． 4 m 處,因揭露一條落 5 m 處發(fā)生特大型煤與瓦斯突出引發(fā)爆炸事故 ( 即鄭 煤集團大平煤礦 “10 ·20” 事故 ) , 突出煤巖量 1 894 t、瓦斯總量 25 萬 m ( 圖 2) 。
3

大平井田受控于 NE 向的大冶向斜和落差百米

豐富的煤層氣資源,是中國能源發(fā)展的重要基地。 新 疆煤田 95% 以上為中、下侏羅統(tǒng)煤層, 新生代蓋層沉 尤其是新生代以來青藏高原的快速隆起,強烈的構造 應力作用使得煤層具有突出危險性。 新疆煤炭資源 大規(guī)模開發(fā)是全國起步最晚的,但目前已突現(xiàn)嚴重的 煤與瓦斯突出問題,短短幾年準南、 吐哈、 塔里木北 3 右。 個煤田已發(fā)生 6 次突出事故,最小始突深度 170 m 左 大地構造及其演化背景。 從三疊紀開始,我國西部地 區(qū)進入陸內演化階段。 侏羅紀正是在大區(qū)域古特提 斯封閉之后、新特提斯打開之時, 中國西部和中亞地 區(qū)( 包括新疆自治區(qū)) 最為廣泛的一個擴展沉陷期和 成煤期。 中生代以來, 特提斯構造域幾經開啟和閉 合,并不斷向古亞洲大陸俯沖、碰撞和拼合,相關主要 侏羅紀末拉薩地體與歐亞大陸的碰撞拼貼和古近紀 以來的印度 / 亞洲碰撞, 形成青藏高原連同昆侖山斷 裂帶最終的大幅度隆升和阿爾金走滑斷裂帶的強烈 左行走滑活動。 其中印度 / 亞洲板塊碰撞中陸內俯沖 作用,使得早期形成的中亞造山帶 ( 如天山、 阿爾泰 造山帶) 在整修后又一次崛起。 這些新生代的造山 帶快速擠壓隆起并向盆地逆沖、 推覆, 使盆地全面進 入擠壓反轉階段: 一方面, 準噶爾、 伊犁、 吐哈、 塔里 木、柴達木以及天山、 昆侖山間中小型盆地載荷下沉 接受沉積,形成巨厚的新生界蓋層, 對煤層瓦斯起到 封閉保存作用;另一方面, 這些盆地廣泛發(fā)育逆沖構 造,如逆沖斷裂、疊瓦構造以及推覆構造,盆地煤層受 到強烈地擠壓、剪切變形破壞。 個高突瓦斯帶和 1 個瓦斯帶, 分別是: 準西北逆沖推 覆疊置高突瓦斯帶、 準東北逆沖推覆滑脫高突瓦斯 帶、伊犁盆地逆沖推覆高突瓦斯帶、 吐哈盆地高突瓦 斯帶、塔里木北緣高突瓦斯帶、 塔里木南緣高突瓦斯 帶、柴達木高突瓦斯帶、 準南逆沖推覆高突瓦斯帶以 及準東隆起瓦斯帶。 其中,準西北逆沖推覆疊置高突 瓦斯帶、準東北逆沖推覆滑脫高突瓦斯帶、 伊犁盆地 逆沖推覆高突瓦斯帶、 吐哈盆地高突瓦斯帶、 塔里木 北緣高突瓦斯帶、準南逆沖推覆高突瓦斯帶位于天山 -興蒙造山系內,受擠壓、 逆沖推覆作用影響, 煤層遭 到破壞而形成復雜的瓦斯突出煤體。 準南、 艾維爾 溝、庫拜等煤田均分布在天山中段南、 北麓高突煤礦 區(qū),其中:準南煤田大黃山煤礦 7 號井的一次中型突 出,突出煤量 373 t、瓦斯量 46 000 m3 ;艾維爾溝煤產 通過編制新疆自治區(qū)煤礦瓦斯地質圖, 預測了 8 事件有:三疊紀末羌塘地體與歐亞大陸的碰撞拼貼, 新疆煤田極其復雜的瓦斯地質特征源于復雜的 積厚度大,受劇烈造山運動影響,煤層變形破壞強烈。

差 10 m 左右、傾向 SW 的逆斷層,下盤煤層距巷頂約

圖 2　 21 巖石下山煤與瓦斯突出位置與逆斷層關系剖面圖 [14] outburst location in working face of the 21th rocky dip entry [14] Fig． 2　 Cross-section showing reverse fault and coal-gas-

事故的成因,認為重要原因有二: 一是新密礦區(qū)受老 第三紀始新世至漸新世的重力滑動構造影響,煤層進 一步遭受剪切破壞, 礦區(qū)二1 煤層全層為嚴重破壞的 構造煤;二是斷層阻隔瓦斯流動,封閉條件好,構造應 力場以擠壓為主,形成高能瓦斯帶。 兩者相結合形成 促成本次煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。 含高能瓦斯的嚴重破壞構造煤體, 即瓦斯突出煤體,

運用瓦斯地質理論分析 “10·20” 煤與瓦斯突出

3　 區(qū)域瓦斯地質與瓦斯突出煤體
瓦斯地質圖編制工作, 張子敏任技術組組長, 領導完 成“1 ∶ 250 萬中國煤礦瓦斯地質圖 ” 原創(chuàng)性成果, 編 制了全國 22 省( 區(qū)、市) 、173 個礦區(qū)、2 792 對礦井瓦 市) 及其礦區(qū)、 礦井瓦斯地質特征。 在此, 結合新疆 自治區(qū)瓦斯地質特征,扼要介紹瓦斯突出煤體發(fā)育和 分布規(guī)律。 源總量 1． 9 萬億 t, 占全國總量的 42% , 同時賦存著 新疆自治區(qū)煤田幅員遼闊,2 000 m 以淺煤炭資 斯地質圖和相應的研究報告, 揭示了全國 22 省 ( 區(qū)、 2009 年國家能源局組織開展了新一輪全國煤礦

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3

879 t、瓦斯量 26 496 m 。 準噶爾東緣在整體隆升背 景下,形成了 EW 向準東隆起瓦斯帶。 塔里木南緣受 東段發(fā)育走滑沖斷構造, 使煤層遭到嚴重破壞, 形成 瓦斯突出煤體,從而形成塔里木南緣高突瓦斯帶。 受 和近 EW 向逆沖構造,煤層遭到破壞而形成復雜的瓦 斯突出煤體,從而形成柴達木高突瓦斯帶。 西昆侖造山帶和阿爾金造山帶強烈左行走滑的影響, 逆沖、 推覆作用影響, 柴達木盆地發(fā)育了大量 NWW

地新 疆 焦 煤 2130 礦 井 的 一 次 中 型 突 出, 突 出 煤 量

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4　 結　 　 論

礦區(qū)省區(qū)瓦斯地質圖編制[ R] . 國家能源局,河南理工大學, 等,

入分析構造煤體、高壓瓦斯和構造作用等影響突出發(fā) 生的關鍵因素,提出以瓦斯突出煤體為核心的煤與瓦 斯突出地質控制機理。 認為煤層瓦斯含量高是發(fā)生 突出的基礎;一定厚度的構造煤是發(fā)生突出的必要條 壓性、壓扭性構造是發(fā)生突出的有利地帶。 證實了深 層構造陡變帶、深層活動斷裂帶、 推覆構造帶和強變 形帶是發(fā)生煤與瓦斯突出的敏感地帶。 參考文獻:
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