背斜對煤礦災(zāi)害的控制作用研究

金明方，李松營，王恩營

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司 地質(zhì)研究所，河南 義馬 472300；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454010）

我國煤礦開采深度以平均10～20 m/a的速度增加[1-2]，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，礦井災(zāi)害頻發(fā)，以突出災(zāi)害最為嚴(yán)重。目前煤與瓦斯突出機(jī)理以瓦斯假說、地應(yīng)力假說、化學(xué)本質(zhì)假說和綜合假說為代表[3-7]，其中綜合假說得到國內(nèi)外專家的廣泛認(rèn)同。大量研究證實(shí)煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度密切相關(guān)[7-12]。而褶皺構(gòu)造是自然界最為常見的地質(zhì)構(gòu)造，對煤層地應(yīng)力、瓦斯和煤體結(jié)構(gòu)均有較強(qiáng)影響，對煤與瓦斯突出具有較好的控制作用。不同應(yīng)力及構(gòu)造煤分布也對突出產(chǎn)生影響，擠壓構(gòu)造帶是構(gòu)造煤的主要分布區(qū)[13]，因此，在褶皺構(gòu)造內(nèi)部，發(fā)生煤與瓦斯突出的幾率也不相同。另，不具有自燃傾向的煤層難以發(fā)生自燃，但在背斜構(gòu)造軸部，由于構(gòu)造熱在一定程度上改變了煤質(zhì)，其幾何形態(tài)又有利于熱量的積聚，可能發(fā)生煤層自燃事故[14]。

1 義安背斜概況

義安礦業(yè)主采二1煤屬于豫西“三軟煤層”，埋深超過600 m，瓦斯含量及壓力較高，系煤與瓦斯突出礦井。該礦近年來雖然采用了重裝設(shè)備進(jìn)行災(zāi)害防治，但礦井災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生，特別是瓦斯動力災(zāi)害和煤層自燃事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來了較大威脅。根據(jù)三維地震勘探成果和現(xiàn)場實(shí)際揭露情況分析，在該礦12采區(qū)中部分布著1個(gè)小區(qū)域性的背斜，控制工作面8～10個(gè)。其軸部區(qū)域占礦井已采掘面積不足20%，但礦井3個(gè)瓦斯異常區(qū)均分布在此處，6起煤與瓦斯突出事故4起發(fā)生在此處，2次煤層自然發(fā)火全部發(fā)生在此處，此處的斷層密度是整個(gè)礦區(qū)的39倍，通過大量數(shù)據(jù)分析可得，該背斜對這些礦井災(zāi)害有較強(qiáng)的控制作用。義安背斜軸部災(zāi)害分布如圖1。

圖1 義安背斜軸部災(zāi)害分布圖

2 義安背斜對瓦斯賦存的控制

2.1 義安背斜應(yīng)力分析

1）背斜構(gòu)造演化力學(xué)分析。一般煤與瓦斯突出大多發(fā)生在褶曲的軸部，這是因?yàn)榈貧D壓運(yùn)動使褶曲兩翼存在1個(gè)壓應(yīng)力p1；當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動停止后，煤層有恢復(fù)原狀的趨勢，產(chǎn)生1個(gè)拉應(yīng)力p2，則背斜軸部勢必存在1個(gè)潛能p3（可認(rèn)為是兩側(cè)p2的合力（圖2）），其方向來自頂板[15]。這種來自頂板的地應(yīng)力，在一定程度上會封閉圍巖中的裂隙，造成瓦斯不易散逸；同時(shí)會壓縮煤體的孔隙和裂隙，造成較高的瓦斯壓力。

圖2 背斜受力示意圖

2）背斜中和面上、下力學(xué)分析。褶皺中和面上下受力分析、產(chǎn)狀和構(gòu)造如圖3。由圖3可知，背斜外凸的一側(cè)受到平行于彎曲弧的引張而拉伸，內(nèi)凹一側(cè)則受到平行與彎曲弧的擠壓而壓縮，二者之間有一個(gè)既無拉伸也無壓縮的無應(yīng)變的中和面[16]。中和面上下的應(yīng)力正好相反，因此若為塑性巖層（特別是煤層），則在背斜上層會變薄，在背斜下層會變厚（圖3（b））；若為脆性巖層則會在背斜上層產(chǎn)生楔狀張性裂面或在背斜下層產(chǎn)生壓剪性斷層[17]（圖3（c））。

圖3 褶皺中和面上下受力分析、產(chǎn)狀和構(gòu)造

3）義安背斜定性描述。背斜區(qū)域內(nèi)二1煤層等厚線如圖4。由圖4可知，義安背斜的控煤作用非常顯著，其軸部煤層變厚，最厚處達(dá)16.7 m，向兩翼逐漸變薄至3 m。可見，在義安背斜區(qū)域內(nèi)，二1煤層應(yīng)該位于中和面以下，受到強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力作用。因此，義安背斜應(yīng)為彎流作用形成的縱彎褶皺，二1煤層在背斜區(qū)域內(nèi)受到強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力作用，軸部煤層變厚，兩翼變薄[18]；同時(shí)受到頂板指向核部的應(yīng)力作用，地應(yīng)力較大。

圖4 背斜區(qū)域內(nèi)二1煤層等厚線圖

2.2 義安背斜對瓦斯的控制作用

1）義安背斜控制煤厚對瓦斯的影響。一般而言，在其他條件相同的情況下，煤厚大的區(qū)域瓦斯含量也相對偏大，煤層厚度與瓦斯含量表現(xiàn)為正相關(guān)的特點(diǎn)[19]。在對義安背斜區(qū)域內(nèi)工作面瓦斯含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，義安背斜使小區(qū)域內(nèi)煤層厚度產(chǎn)生了有規(guī)律的變化，而煤厚又影響了瓦斯的賦存，煤厚與瓦斯含量呈正相關(guān)（圖5）。

圖5 煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

2）義安背斜控制富水性對瓦斯的影響。水文地質(zhì)條件控氣作用有水力運(yùn)移散逸作用、水力封閉和水力封堵作用[20]，取決于地下水的補(bǔ)、徑、排條件及其與煤層之間的水力聯(lián)系。二1煤直接頂板大占砂巖為承壓裂隙含水層，富水性極不均一。而在義安背斜區(qū)域內(nèi)，煤巖層的彎曲必然引起層內(nèi)各部質(zhì)點(diǎn)的相對變位和應(yīng)變，頂板層間滑動在翼部可能產(chǎn)生節(jié)理、破碎帶或劈理，在拐點(diǎn)處最強(qiáng)[21]。通過義安背斜區(qū)域內(nèi)斷層帶分布圖（圖6）可以看出，在距離背斜軸部120 m左右的拐點(diǎn)附近出現(xiàn)了斷層群，可以印證此點(diǎn)。而義安背斜翼部密布的斷裂構(gòu)造會導(dǎo)致該區(qū)域裂隙連通性更好，使富水性變強(qiáng)。在位于義安背斜軸部的12080工作面涌水量較少，而在其一翼展布的工作面水量均較大（12060屬于薄煤帶，未回采），與煤層有較好的水力聯(lián)系。由于裂隙的導(dǎo)通作用，在漫長的地質(zhì)年代中地下水會不斷溶解煤層中的瓦斯并排泄，使翼部瓦斯含量降低。在義安背斜控制范圍內(nèi)，涌水量與瓦斯含量正相關(guān)（圖7）。

圖6 義安背斜區(qū)域二1煤層斷層帶及突出點(diǎn)分布圖

圖7 12采區(qū)工作面原始瓦斯含量與涌水量關(guān)系圖

3）義安背斜區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律。義安背斜在彎流作用下煤層由兩翼向軸部流動，造成軸部煤層變厚，兩翼變薄。厚煤層不但可以積聚更多的瓦斯，而其本身透氣性差也對瓦斯起到了封蓋作用；構(gòu)造運(yùn)動中產(chǎn)生的構(gòu)造煤增加了煤層的比表面積，使煤層的儲氣能力增強(qiáng)。而背斜軸部較兩翼富水性差，也更有利于瓦斯的保存，因此在背斜軸部瓦斯較為富集，向兩翼逐漸減少，義安背斜軸部區(qū)域瓦斯含量等值線圖如圖8，背斜軸部瓦斯含量分布圖如圖9）。

圖8 義安背斜軸部區(qū)域瓦斯含量等值線圖

圖9 背斜軸部瓦斯含量分布圖

3 義安背斜對煤與瓦斯突出的控制

煤與瓦斯突出主要受到地應(yīng)力、瓦斯和煤體結(jié)構(gòu)的影響。在此以200701#煤與瓦斯突出為例進(jìn)行分析。

3.1 地應(yīng)力對煤與瓦斯突出的控制

義安背斜區(qū)域內(nèi)，二1煤層位于中和面以下，受到強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力和來自頂板向下的壓力，地應(yīng)力較強(qiáng)，而軸部范圍內(nèi)沒有揭露大量的斷層，說明此處地應(yīng)力保存完好。在200701#煤與瓦斯突出中，突出的巖石量約占總突出體積的40%，且?guī)r石噴出最遠(yuǎn)近30 m。如此高比例的巖石量以及噴出距離，說明此處的地應(yīng)力較大，在突出的瞬間通過彈性變形集中釋放，破壞了大量的圍巖，隨后在地應(yīng)力和瓦斯的雙重作用下將煤與破碎的巖石噴出，該煤與瓦斯突出事故中地應(yīng)力發(fā)揮了重要的作用。

3.2 瓦斯含量及壓力對煤與瓦斯突出的控制

義安背斜控煤作用使軸部煤層及頂板泥巖變厚，不但增加了瓦斯含量同時(shí)也對瓦斯起到封閉作用，阻止瓦斯的散逸，使瓦斯的壓力含量均較高且不均衡。其較高的瓦斯含量填充裂隙產(chǎn)生膨脹能（瓦斯壓力），阻止裂隙在高地應(yīng)力作用下閉合并對煤體質(zhì)點(diǎn)起到潤滑作用，在突出的激發(fā)、發(fā)展過程中均起到了較大的作用。其較強(qiáng)的搬運(yùn)能力可以維持較高的瓦斯壓力梯度，使突出不斷的向縱深發(fā)展。該突出區(qū)域在煤層較薄的情況下能夠發(fā)生如此大規(guī)模的突出，與瓦斯壓力和含量均有較大關(guān)系。

3.3 煤體結(jié)構(gòu)對煤與瓦斯突出的控制

義安背斜對煤體結(jié)構(gòu)的控制主要體現(xiàn)在煤層產(chǎn)狀和構(gòu)造煤上。在義安背斜區(qū)域內(nèi)發(fā)生的4起煤與瓦斯突出事故中，2起煤層傾角大于10°，另2起受到底板起伏和沖刷的影響。且4次突出中3次煤層厚度超過6 m（最厚處為9.7 m，義安礦業(yè)平均煤厚4.15 m），可見義安背斜對煤與瓦斯突出具有較強(qiáng)的控制作用，200701#煤與瓦斯突出地點(diǎn)剖面圖如圖10。由圖10可以看出，200701#煤與瓦斯突出發(fā)生在義安背斜轉(zhuǎn)折端，煤層坡度16°，煤層在突出點(diǎn)突然變厚（突出孔洞內(nèi)煤厚2.1 m），且具有分叉和揉搓形態(tài)，這樣不但突然增加了瓦斯含量和壓力，也為煤與瓦斯突出提供了突出窗口，減小了煤與瓦斯突出的阻力，使煤與瓦斯突出更容易發(fā)生。

圖10 200701#煤與瓦斯突出地點(diǎn)剖面圖

4 義安背斜對自燃發(fā)火的控制

義安礦業(yè)主采煤層二1煤層為不易自燃煤層，但在義安背斜軸部范圍內(nèi)發(fā)生2起自燃事故（義安礦業(yè)共發(fā)生2起自燃事故），且均發(fā)生在脊線附近（圖1），可見義安背斜對煤層自燃有較好的控制作用。

煤層自燃需要有3個(gè)條件：自燃煤層、氧氣、高溫。二1煤層屬于不易自燃煤層，但是在義安背斜構(gòu)造熱的作用下可能導(dǎo)致煤質(zhì)發(fā)生變化而向易自燃煤層轉(zhuǎn)化；煤層在彎流作用下會產(chǎn)生流劈理和破劈理，增加煤層空隙度，提高比表面積，使氧氣能夠更好的與煤體接觸、氧化；而義安背斜的幾何形態(tài)（圖11），較厚的煤層和泥巖頂板以及較少的涌水量導(dǎo)致了熱量可以在穹窿頂部大量聚集不易散失，為煤體自燃提供了較好的條件。

圖11 背斜幾何形態(tài)對煤層自燃的影響

5 結(jié)論

1）義安背斜對煤層及瓦斯的賦存均有明顯的影響，在背斜的軸部附近，煤層較厚，瓦斯含量較高，向兩翼逐漸降低。

2）義安背斜對區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力、瓦斯和煤體結(jié)構(gòu)均有較好的控制作用，在瓦斯釋放條件差和煤體結(jié)構(gòu)差異較大的地區(qū)，更易發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

3）受構(gòu)造作用影響，位于義安背斜軸部的二1煤層地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)煤層自燃事故、瓦斯及煤與瓦斯突出災(zāi)害多發(fā)。因此進(jìn)入背斜軸部區(qū)域，在瓦斯抽放、區(qū)域防突措施和防治自燃發(fā)火方面要采取更加嚴(yán)格的措施，確保煤礦安全生產(chǎn)。