张子敏(煤与瓦斯突出地质控制机理研究

  本文关键词：煤与瓦斯突出地质控制机理探讨，由笔耕文化传播整理发布。

　 第 38 卷第 7 期 　 2013 年 7月

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

煤　 　 炭　 　 学　 　 报

Vol. 38　 No. 7　 July　 2013　

　 　 文章编号:0253-9993 ( 2013 ) 07-1174-05
煤与瓦斯突出地质控制机理探讨
闫江伟1 ,2 ,张小兵1 ,2 ,张子敏1 ,2 ,3
(1． 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地, 河南 焦作 　 454003;2． 河南理工大学 瓦斯地质研究所, 河南 焦作　 454003;3． 中国煤炭学会 瓦斯地质专业委员会,河南 焦作　 454003)

摘　 要:在综合考察国内外煤与瓦斯突出研究基础上,从瓦斯地质角度深入分析构造煤体、 高压瓦 斯和构造作用等影响突出发生的关键因素,初步提出以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦斯突出地质 控制机理。 认为地质构造控制着煤层瓦斯的赋存和构造煤分层破坏程度以及厚度分布, 控制着煤 与瓦斯突出;煤与瓦斯突出动力现象是一定规模的瓦斯突出煤体在临近采掘工作面煤壁时,卸载引 起煤体拉张向深部扩展破坏,煤层透气性高倍增加,同时煤体内大量瓦斯因降压而快速解吸, 靠近 煤壁的煤体内瞬间形成高动能的气、煤颗粒混合体,类似点爆炸药包,造成煤层严重崩塌破坏,发生 煤与瓦斯突出。 以郑煤集团大平煤矿“ 10 ·20 ” 特大型煤与瓦斯突出为基础, 进行地质控制煤与瓦 斯突出实例分析,结合新疆自治区煤矿瓦斯地质特征揭示了瓦斯突出煤体发育和分布规律。 关键词:瓦斯地质;煤与瓦斯突出;地质控制;瓦斯突出煤体 中图分类号:TD713　 　 　 文献标志码: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 　 　 煤与瓦斯突出 ( 简称 “ 突出 ” ) , 是煤矿井下含瓦 斯煤岩体多以碎粉状由煤层向采掘部位急剧运动、并 伴随大量瓦斯喷出的一种强烈动力过程
[1]

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

界各主要产煤国都不同程度地发生过煤与瓦斯突出。 在同煤矿瓦斯灾害长期斗争中,世界各国都投入了大 量的人力、物力,试图揭示煤与瓦斯突出本质,查明影 响因素在突出发生和发展中的作用 [2-6] 。 研究者通

复杂的煤矿自然灾害,严重威胁着煤矿安全生产。 世

, 是极为

收稿日期:2013 - 03 - 01　 　 责任编辑:许书阁 　 　 基金项目:国家科 技重大专项资助项目 ( 2011ZX05040 - 005 ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 41102094 ) ; 中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目 (20090450928) 　 　 作者简介:闫江 伟 ( 1979—) , 男, 河 南 商 丘 人, 讲 师, 博 士 研 究 生。 Tel:0391 - 3987897, E - mail: gisyjw @ hpu． edu． cn。 通 讯 作 者: 张 小 兵 (1978—) ,男,陕西宝鸡人,副教授,博士后。 Tel:0391-3986566,E-mail:xiaobingzhang@ hpu． edu． cn

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过开展突出实例分析、 实验模拟研究及大量现场调 查,对煤与瓦斯突出提出过多种假说, 主要可归为 4 本质作用假说和综合作用假说
[7]

发生突出的动力基础。 瓦斯突出煤体作为构造煤与 综合考察目前煤与瓦斯突出研究实际,认为从瓦斯地 质角度出发, 借助瓦斯突出煤体这一载体来研究突 出,或许能够厘清突出发生条件, 为有效防治瓦斯灾 害和探讨突出机理提供借鉴。

类观点:瓦斯主导作用假说、地压主导作用假说、化学 只能对某些突出现象给予解释, 构建完整、 一致的煤 与瓦斯突出认知仍然是学术界、工业界值得探索的重 要命题。 本文结合工程实践与理论预测成果,试提出 以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦斯突出地质控制机 理。 认识难免有片面性、甚至错误,现提出供讨论。 。 然而, 这些假说

高压瓦斯的复合体, 其形成和分布受构造作用控制。

2　 以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦斯突出机 理
2． 1　 构造煤与瓦斯突出煤体 造挤压、剪切作用,煤层中一个或若干个分层可能被 破坏。 在构造应力作用下, 煤层易发生破碎、 韧塑性 变形及流变迁移,从而煤层内部的某些分层, 甚至全 煤层成为片状、鳞片状或糜棱状, 煤地质人员称其为 “ 构造煤” 。 构造煤虽是瓦斯地质界的常用术语, 但 尚无确切定义。 煤体结构四类划分方案参照构造岩 划分为:原生结构煤、 碎裂煤、 碎粒煤和糜棱煤, 其中 后三者统称为构造煤。 然而,大量测试和突出实例表 明,碎裂煤一般不具突出危险性。 由此可见, 诱发煤 与瓦斯突出的固体介质更强调受到严重破坏的构造 煤,即碎粒煤和糜棱煤。 瓦斯突出煤体是突出煤层中含有高能瓦斯且以 分类原则,按照煤体在不同变形机制下的破碎程度, 我国古生代煤田经历了中生代以来不同规模构

1　 背景分析

年仍占 50% 以上, 且煤炭开采 60% 以上矿井采掘的 是形成地质时期早、 演化历史复杂、 地质条件复杂多 变的石炭 - 二叠系煤 层, 煤 与 瓦 斯 突 出 灾 害 极 为 严 重。 自 1843 年法国鲁尔煤田伊萨克矿井发生世界上 第 1 次有记载的煤与瓦斯突出以来,世界各地累计发 突出总次数更是占到全世界的近一半, 近 20 年平均 每年新增突出矿井 37 对、 发生突出 280 余次 情况将愈加明显。
[8]

我国能源消费结构中煤炭占 67% , 预计到 2050

生超过 4 万次突出事故, 其中我国在突出矿井对数、 年突出次数、突出平均强度等方面都高居世界第一, 年来,我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故的强度、 规模 和复杂程度不断升级, 随着煤矿开采深度增加, 这种 时常伴有瓦斯爆炸, 是威胁煤矿安全生产的主要灾 害,典型如:2004 年 10 月 20 日发生在郑州煤炭工业 集团大平煤矿的 “10 ·20” 事故,2009 年 11 月 21 日 发生在黑龙江鹤岗新兴煤矿的 “11 ·21” 事故, 均是 由特大型煤与瓦斯突出引发的瓦斯爆炸事故,造成了 不可弥补的损失。 上述矿区、矿井大都经历了规模不 等的构造挤压剪切作用,瓦斯、煤体、地质构造及其复 合可能构成突出发生的重要条件。 另一方面,煤与瓦 斯突出研究挑战性大:人们既无法在现场观测到突出 发生、发展的全过程, 也很难在实验室确切再现突出 动力现象。 瓦斯地质研究强调构造煤、瓦斯和构造作 用对突出的控制:地质构造复杂区构造应力分布不均 衡,往往存在局部应力集中, 有利于煤体弹性潜能的 增加,增大了发生突出的几率; 构造复杂区煤体结构 破坏严重,往往伴生着构造煤,煤体强度低,抵抗突出 的能力下降;地质构造可能引起瓦斯聚集, 形成高压 瓦斯,并使瓦斯分布不均衡, 煤体内存在高的瓦斯压 力梯度。 是发生突出的物质基础, 构造作用、 特别是地应力是 在笔者以前的研究中,注意到构造煤和高压瓦斯 煤与瓦斯突出研究备受关注。 一方面,突出发生 。 近

强烈韧性破坏为主的构造煤体,满足煤分层具有突出 危险性的介质条件 [9-11] 。 笔者从地质学角度长期从 事煤矿瓦斯预测与治理研究,结合从现场获得的大量 事实证据,深刻认识到: 煤与瓦斯突出与地质因素关 系密切,大多数突出都发生在地质构造破坏带, 即强 2． 2　 高能瓦斯和构造煤对突出的控制 烈挤压、剪切作用形成的瓦斯突出煤体发育区段。 如前所述,瓦斯突出煤体兼具严重破坏的构造煤

分层和高能瓦斯,是诱发煤与瓦斯突出的必要条件。 煤层瓦斯的赋存,构造煤分层破坏程度和厚度分布均 受地质构造控制。 造陡变带、深层断裂带、推覆构造带、强变形带控制着 沿华北盆地南缘龙首山—固始深层活动断裂带上分 布有靖远、宜洛、平顶山、 淮南等高突矿区; 豫西强变 形带内新密、 禹州、 登封、 临汝、 荥巩等矿区。 其中豫 西强变形带,较长时期受到秦岭造山带对华北板块南 缘的推挤作用,并在燕山早、中期叠加 NNE 向褶皱断 裂构造,先期挤压、剪切,燕山末期至古近纪表现为拉 张断陷, 发生大规模滑动构造 ( 图 1 ) [13] , 形成豫西 煤与瓦斯突出危险区分布规律研究发现:深层构

我国为数众多的突出矿区和矿井的分布 [12] 。 例如:

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“ 三软” 煤层发育区,煤层厚度变化剧烈, 全层发育构 造煤。 该区新密煤田长期受 SW - NE 向推挤作用, 主 体为 NW -NWW 向构造,其次是 NNE - NE 向构造, 控

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向逆断层) 和滑动构造。 由此可见, 这些都是区域构 它们常常也是煤层瓦斯富集带和严重破坏构造煤发 育的部位。

造挤压、剪切应力集中带和构造变形最强烈的地带,

制煤与瓦斯突出的主要因素是小断层 ( 尤其是 NW

7—庇山滑动构造;8—白坪滑动构造;9—朝川滑动构造;10—平陌滑动构造;11—石坡滑动构造;12—杨家洼滑动构造;13—曲梁滑动构造;

1—芦店滑动构造;2—米河 - 贾峪滑动构造;3—暴马滑动构造;4—龙门滑动构造;5—龙泉寺滑动构造;6—夹沟滑动构造; 14—梁北滑动构造;15—任岗滑动构造;16—蔡寺 - 白沙滑动构造;17—五佛山滑动构造;18—林台山滑动构造

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

图 1　 嵩箕煤田中重力滑动构造分布 [13]

　 　 郑哲敏院士指出,瓦斯能量大和煤层强度低是形 成煤与瓦斯突出的根本原因。 本研究团队长期从事 煤矿瓦斯地质规律研究和突出危险性区域预测,深刻 认识到:高瓦斯突出矿区、 煤与瓦斯突出矿井的分布 受瓦斯形成和瓦斯赋存的控制,煤层中严重破坏的构 造煤体控制着瓦斯灾害的发生和治理。 基于煤与瓦 斯突出综合假说,笔者提出以瓦斯突出煤体为核心的 煤与瓦斯突出地质控制机理。 认为煤与瓦斯突出动 力现象是一定规模的瓦斯突出煤体在临近采掘工作 面煤壁时,卸载引起煤体拉张向深部扩展破坏, 煤层 透气性高倍增加,同时煤体内大量瓦斯因降压快速解 吸,靠近煤壁的煤体内瞬间形成高动能的气、 煤颗粒 混合体,类似点爆炸药包,造成煤层严重崩塌破坏,发 生煤与瓦斯突出。 直到煤、 岩体平衡拱 ( 突出过程也

是平衡拱形成过程 ) 形成可以抵挡煤体因卸压引起 的拉断间断面不再向深部扩展,以及瓦斯压力趋于平 衡、解吸不再向深部扩展时, 煤与瓦斯突出动力才会 终止。

2． 3　 地质构造控制煤与瓦斯突出实例分析 北缘边界断裂和洛南 - 栾川 - 方城断裂之间, 先期受 布的主体构造。 燕山早、中期又受到 SE - NW 向推挤 作用,在原有 NW -NWW 向构造基础上叠加了 NNE 构造复杂, 构造煤普遍发育。 尤其是 NNE - NE 向构 造发育部位,构造变形最为强烈, 控制了新密煤田的 煤与瓦斯突出危险区, 如大平、 告成等突出矿井就位 河南省新密煤田在区域构造上位于秦岭造山带

到秦岭造山带隆起推挤作用,形成了 NW -NWW 向展 NE 向构造。 两个方向的强烈挤压作用使得新密煤田

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于井田 NWW 与 NNE 向构造叠加区。

左右的吴庄逆断层、 周山逆断层等, 属于 NE 向叠加 于 NW 向的复合挤压构造带, 构造煤成层发育, 煤的 坚固性系数 f 值约为 0． 12、瓦斯放散初速度 ΔP 值大 于 30。 井田位于新密矿区 NE 向的向斜和逆断层地 段,21 岩石下山处于井田东南端 NE 向 NW 的构造转 折部位,地质构造复杂多变, 这些地质因素为煤与瓦 斯突出的发生创造了 “ 有利条件 ” 。 2004 - 10 - 20, 大 平煤矿 21 岩石下山标高 -282． 4 m 处,因揭露一条落 5 m 处发生特大型煤与瓦斯突出引发爆炸事故 ( 即郑 煤集团大平煤矿 “10 ·20” 事故 ) , 突出煤岩量 1 894 t、瓦斯总量 25 万 m ( 图 2) 。
3

大平井田受控于 NE 向的大冶向斜和落差百米

丰富的煤层气资源,是中国能源发展的重要基地。 新 疆煤田 95% 以上为中、下侏罗统煤层, 新生代盖层沉 尤其是新生代以来青藏高原的快速隆起,强烈的构造 应力作用使得煤层具有突出危险性。 新疆煤炭资源 大规模开发是全国起步最晚的,但目前已突现严重的 煤与瓦斯突出问题,短短几年准南、 吐哈、 塔里木北 3 右。 个煤田已发生 6 次突出事故,最小始突深度 170 m 左 大地构造及其演化背景。 从三叠纪开始,我国西部地 区进入陆内演化阶段。 侏罗纪正是在大区域古特提 斯封闭之后、新特提斯打开之时, 中国西部和中亚地 区( 包括新疆自治区) 最为广泛的一个扩展沉陷期和 成煤期。 中生代以来, 特提斯构造域几经开启和闭 合,并不断向古亚洲大陆俯冲、碰撞和拼合,相关主要 侏罗纪末拉萨地体与欧亚大陆的碰撞拼贴和古近纪 以来的印度 / 亚洲碰撞, 形成青藏高原连同昆仑山断 裂带最终的大幅度隆升和阿尔金走滑断裂带的强烈 左行走滑活动。 其中印度 / 亚洲板块碰撞中陆内俯冲 作用,使得早期形成的中亚造山带 ( 如天山、 阿尔泰 造山带) 在整修后又一次崛起。 这些新生代的造山 带快速挤压隆起并向盆地逆冲、 推覆, 使盆地全面进 入挤压反转阶段: 一方面, 准噶尔、 伊犁、 吐哈、 塔里 木、柴达木以及天山、 昆仑山间中小型盆地载荷下沉 接受沉积,形成巨厚的新生界盖层, 对煤层瓦斯起到 封闭保存作用;另一方面, 这些盆地广泛发育逆冲构 造,如逆冲断裂、叠瓦构造以及推覆构造,盆地煤层受 到强烈地挤压、剪切变形破坏。 个高突瓦斯带和 1 个瓦斯带, 分别是: 准西北逆冲推 覆叠置高突瓦斯带、 准东北逆冲推覆滑脱高突瓦斯 带、伊犁盆地逆冲推覆高突瓦斯带、 吐哈盆地高突瓦 斯带、塔里木北缘高突瓦斯带、 塔里木南缘高突瓦斯 带、柴达木高突瓦斯带、 准南逆冲推覆高突瓦斯带以 及准东隆起瓦斯带。 其中,准西北逆冲推覆叠置高突 瓦斯带、准东北逆冲推覆滑脱高突瓦斯带、 伊犁盆地 逆冲推覆高突瓦斯带、 吐哈盆地高突瓦斯带、 塔里木 北缘高突瓦斯带、准南逆冲推覆高突瓦斯带位于天山 -兴蒙造山系内,受挤压、 逆冲推覆作用影响, 煤层遭 到破坏而形成复杂的瓦斯突出煤体。 准南、 艾维尔 沟、库拜等煤田均分布在天山中段南、 北麓高突煤矿 区,其中:准南煤田大黄山煤矿 7 号井的一次中型突 出,突出煤量 373 t、瓦斯量 46 000 m3 ;艾维尔沟煤产 通过编制新疆自治区煤矿瓦斯地质图, 预测了 8 事件有:三叠纪末羌塘地体与欧亚大陆的碰撞拼贴, 新疆煤田极其复杂的瓦斯地质特征源于复杂的 积厚度大,受剧烈造山运动影响,煤层变形破坏强烈。

差 10 m 左右、倾向 SW 的逆断层,下盘煤层距巷顶约

图 2　 21 岩石下山煤与瓦斯突出位置与逆断层关系剖面图 [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,认为重要原因有二: 一是新密矿区受老 第三纪始新世至渐新世的重力滑动构造影响,煤层进 一步遭受剪切破坏, 矿区二1 煤层全层为严重破坏的 构造煤;二是断层阻隔瓦斯流动,封闭条件好,构造应 力场以挤压为主,形成高能瓦斯带。 两者相结合形成 促成本次煤与瓦斯突出事故的发生。 含高能瓦斯的严重破坏构造煤体, 即瓦斯突出煤体,

运用瓦斯地质理论分析 “10·20” 煤与瓦斯突出

3　 区域瓦斯地质与瓦斯突出煤体
瓦斯地质图编制工作, 张子敏任技术组组长, 领导完 成“1 ∶ 250 万中国煤矿瓦斯地质图 ” 原创性成果, 编 制了全国 22 省( 区、市) 、173 个矿区、2 792 对矿井瓦 市) 及其矿区、 矿井瓦斯地质特征。 在此, 结合新疆 自治区瓦斯地质特征,扼要介绍瓦斯突出煤体发育和 分布规律。 源总量 1． 9 万亿 t, 占全国总量的 42% , 同时赋存着 新疆自治区煤田幅员辽阔,2 000 m 以浅煤炭资 斯地质图和相应的研究报告, 揭示了全国 22 省 ( 区、 2009 年国家能源局组织开展了新一轮全国煤矿

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879 t、瓦斯量 26 496 m 。 准噶尔东缘在整体隆升背 景下,形成了 EW 向准东隆起瓦斯带。 塔里木南缘受 东段发育走滑冲断构造, 使煤层遭到严重破坏, 形成 瓦斯突出煤体,从而形成塔里木南缘高突瓦斯带。 受 和近 EW 向逆冲构造,煤层遭到破坏而形成复杂的瓦 斯突出煤体,从而形成柴达木高突瓦斯带。 西昆仑造山带和阿尔金造山带强烈左行走滑的影响, 逆冲、 推覆作用影响, 柴达木盆地发育了大量 NWW

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

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4　 结　 　 论

矿区省区瓦斯地质图编制[ R] . 国家能源局,河南理工大学, 等,

入分析构造煤体、高压瓦斯和构造作用等影响突出发 生的关键因素,提出以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦 斯突出地质控制机理。 认为煤层瓦斯含量高是发生 突出的基础;一定厚度的构造煤是发生突出的必要条 压性、压扭性构造是发生突出的有利地带。 证实了深 层构造陡变带、深层活动断裂带、 推覆构造带和强变 形带是发生煤与瓦斯突出的敏感地带。 参考文献:
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