煤厚变化对煤与瓦斯区域突出危险性的控制研究

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事实上 ， 同一标高， 在 煤层厚度对 瓦斯的影 响应 当 比较大 ， 但随着埋深增加 ， 煤厚的影响将减小 。 研究中统计分析了新安矿 ２ 个可靠瓦斯含量点与 １ 煤厚的相关关系， 统计表明， 田内煤层厚度与瓦斯含 井 量相关性较小， 。 Ｒ 只有 ０ ０ ２ ， 明煤层厚度不是控 ． ７２ 说 制瓦斯区域分布的主要因素（ １ 。 图 ）
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西部探矿工程
２ １ 年第 ６ ０１ 期
煤 厚 变 化对 煤 与 瓦斯 区域 突 出危 险性 的控 制 研 究
吕保 民
（ 义马煤业集团股份有限公司， 河南 义马 ４ ２０ ） ７ ３０
摘 要 ： 据新安 煤 田煤厚 变化 的规律 及 曾发 生过 的煤 与 瓦斯 突 出特 征 ， 煤厚 变化 对 瓦斯含量 的影 根 从
响 、 厚 变化对地 应 力的控 制这 两个 方 面研 究 ， 出区域 上埋 深控 制 了煤 层 瓦斯 含 量 和地 应 力 ， 煤 得 瓦斯
含量和地应力又进一步控制 了煤与瓦斯突出危险性； 煤厚控制了煤层瓦斯含量的变化和地应力变化 ， 煤厚 大 、 变化 大 的 区域 ， 且 煤层 瓦斯含 量和 地应 力 变化 也 大， 出危 险性 更 大， 实际发 生 突出危 险 的 突 是
Ｉ 厚煤条件下瓦斯含量与埋深关 系 ｌ２ ｌ
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煤厚增大
煤厚减小
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２ 煤厚 次
达到最 大
田平 均煤 厚 的 ６次 ， 明煤 厚较 大 的情 况下 是有利 于突 说 出的 。突出点 煤厚 与 煤 田 内煤层 平 均厚 度 比约 ０ ５ ． ～ ２ ５ ， 明当煤 层厚 度小 于半 个煤 厚 即≤ ２ 时 ， ．倍 说 ｍ 一般
４ ６ ／ ０ 平均 １７ｍ／０ 远高于煤 田平均煤厚变 ．ｍ １ｍ， ． ４ １ｍ， 化率０５ｍ／０ ． ６ １ｍ。煤 田内煤厚变化率大于 ０ ５ 的区 ．ｍ
作者简介： 保 ￣（９９）男 （ 吕 １６一， 汉族 ）河南太康人 ， ， 高级讲 师， 现从事瓦斯地 质研究工作 。
２ １ 年第 ６ ０１ 期
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煤层埋 深 （ ） ｍ
煤 层埋深 （１ Ｉ） ｌ
图 ４ 勘探 正常瓦斯含量与埋深关系
区域 。
关键 词 ： 煤厚 变化 ； 煤与 瓦斯 突 出； 出危 险性 突
中图分类 号 ： ６８ １ 文献标 识码 ： 文 章编 号 ：Ｏ ４ ５ １ （０ １Ｏ— Ｏ ４— ０ Ｐ １． １ Ａ １ ０— ７６２ １）６ １ ０ ５
新安煤 田位于河南省的西部 ， 新安 向斜北翼 ， 为一 平缓的简单单斜构造。煤 田内地层走 向北东， 向南 倾 东， 倾角西部稍大， ９～ １。 间， 在 。 １ 之 东部较小 ， ７～ 为 。 ８。在煤 田单斜构造背景上发育有小 的波状起伏或次 。 级褶皱， 使煤层底板等高线发生不同程度的弯曲变化 。 煤田内有 ４ 对生产矿井 ， 均为煤与瓦斯突 出矿井 ， 曾发 生过 多次 的煤 与瓦斯 突 出 。 １ 新安 煤 田突 出点 煤厚 变化 特征 根据 对新 安煤 田 １ ４次 突 出和 １ 瓦 斯异 常 涌 出 ３次 统计分析 ， 煤厚在瓦斯突出中具有最重要的作用 。具体 表 现在 ：
次发生在煤厚达到最大时 ， 次是在煤厚减薄时 ， 次是 ４ ５ 在煤厚增大时。异常涌出点的煤层厚度 ２５ ．ｍ， ． ～９５ 一蹬 平 —Ｉ ｌ ｌ 均 ５ ６ 相当于煤 田内平均煤厚的约 １３ ， 中， ．ｍ， ．倍 其 小 于煤 田 平均煤厚的 ４ 大于煤 田平 均煤厚 的 ７ 说 次， 次， 明煤厚 较大 的情况 下是 有利 于异 常 涌 出的 。 １ 次异常涌 出点煤厚变化率 ０ ２ ～２ Ｏ ／ Ｏ １ ． ５ ． ｍ ｌｍ，
１
深度 （ ０ ｘ５ ｍ）
煤层埋 深 （１ Ｉ） ｌ
图 ５ 瓦斯含量增 加量 与埋深的关系
图 ３ 薄煤条件下瓦斯含量与埋深关 系
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西部 探矿工 程
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煤层顶底板之间的摩擦阻力做功 ， 显然， 相同条件下 ， 煤 厚越大， 单位突出煤体消耗或分摊到煤层顶底板之间的 摩擦阻力而做的功越少 ， 那么 ， 粉碎煤体和抛 出煤体做 的功相对就较大 ， 因此， 瓦斯 突出就更容易发生或发生 的强 度更大 。 煤厚变化对突出的控制也具有普遍 的意义 ， 在对煤 与瓦斯突出事例的描述中经常可 以看到关于“ 煤层厚度 突变” 的描述 。尽管煤厚变化在煤与瓦斯突出中主要还 是一个定性的概念 ， 但在豫西“ 三软煤层” 的突出中却是 个最重要的因素。 煤 厚变化 对 突 出的控制 机理 是 ： 当煤 层 厚度 由厚 急 剧变薄时， 瓦斯含量和瓦斯压力减小 ， 而地应力分量较 大， 最容易出现压出， 出过程 中地应力起着 比较重要 压 的作用 ； 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， 瓦 但 斯含量和瓦斯压力是不断增大 的， 容易发生突出， 突出 中瓦斯起着比较重要 的作用（ 图 ６ 。 见 ）
２ ０ ８ ６ ４
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瓦斯含 量 （ ｔ） ｍ／
图 １ 煤厚与 瓦斯 含量关 系
平 均 ０ ３ ｌｍ， 于 煤 田 平 均 煤 厚 变 化 率 ．７ｍ／Ｏ 高
０ ５ ｍ／ ０ ． ６ １ ｍ。
根据 比较分析 ， 瓦斯异常涌出与突出的相同点是 ： 煤厚变化都是造成异常涌出和突出的主要因素 ， 特别是 煤厚变大时更有利于突出和异常涌出， 煤厚变薄时几乎 具有 同等重要的意义； 煤厚变化在矿井煤与瓦斯突出及 异常涌出中具有普遍 的意义 ， 个别情况下地应力因素和 生产 因素 也可 以造 成异 常涌 出或 突 出 ； 当煤 厚变化 是在 大 于平均 煤厚 的背 景上发 生 时 ， 有利 于异 常涌 出或 突 更 ～ 出； 异常涌出或突出点煤厚平均变化 率均大于煤 田平均 变化率。 瓦斯异常涌出与突出的不同点是 ： 煤厚达到最大时
地应力
。
１次构造应 力 １次采掘应力
不会突出； 另一方面 ， 所有与煤厚有关 的突出点 ， 都是煤
厚 发生 变化 的点 ， 大 、 小 煤 厚 点 并 未 发 生 突 出 ， 最 最 因
原 因不 明
１ 无构造 、 无煤厚变化 ２
此， 煤厚不是控制突 出的关键 因素 ， 真正的关键 因素是
从煤 矿生 产实 际情 况 来 看 ， 厚 变化 非 常 大 ， 防 突工 煤 是
作中经常面临的重大问题 ， 而采掘过程中揭露 的断层一 般 比较少见， 因此， 并不能从上述结果 中得 出同等条件 下应力对突出的作用不如煤厚作用大的结论 。 从９ 次与煤厚变化有关 的突出来看， 发生突出点的 煤层厚度 ２ １６ 平均 ６７ 相当于煤 田内平均煤 ～１． ｍ， ．ｍ， 厚的约 １５ ， 中， ．倍 其 小于煤 田平均煤厚 的 ３ ， 次 大于煤
表 １ 新安煤 田瓦斯突 出与异常涌 出统计表
不明。
根据分析， 次与煤厚变化无关的突出中， 次与局 ５ ２ 部采 动应力 有关 ， 门揭 煤 突 出属 于特殊 原 因造成 的 ， 石 １ 次原因不明可能与生产因素有关 ， 只有 １ 次属于构造应 力即自然因素造成 。正常生产条件下 ， 自 非 然因素一般 是可 以避免 的。因此 ， 由 自然 因素 造 成 的 突 出 中 ， 在 当 瓦斯含量达到一定值时 （ ｗ≥ ８ ３ｔ ， ｍ ／）煤厚变化对突 出 的控制是第一位的， ９ ； 占 ０ 其次是构造应力， １ 。 占 Ｏ／ ９ ６
上述 分析表 明 ， 常 涌 出作为 突与非 突 的一种 过渡 异 状态 ， 发生 的瓦斯 地质条 件 也具有 过渡 性 。 其 ２ 煤厚变化对煤层瓦斯含量的控制 根据研究 ， 煤层厚度增大 ， 瓦斯含量一般也增大， 二 者成正比例关系。但与埋深相 比， 煤层厚度对瓦斯含量 的区域分布影响较小。煤厚增大瓦斯含量增大的主要 原 因在于 ， 煤层相对于围岩透气性差 ， 对于厚煤层来说， 靠近煤层顶底板的分层相对于中间分层起到了阻止瓦 斯逸散 的作用 ， 因此 ， 煤层中部瓦斯含量较高， 厚煤层可
煤 厚变 化 。
其 他
１
石 门揭煤
０
进一步 统 计 表 明， 出点 煤 厚 变 化 率 ０ ７ ～ 突 ．５ （） ４ １ １ 次突出中与煤厚变化有关 的突出 ９ ， 占 次 约 ６ ； ５ 与应力有关的突出 ３ ， 次石 门揭煤， 次原因 次 １ １
＊ 收稿 日期：０ ０１－７ 修 回日期 ：００１ —４ ２ １－２０ ２ １— ２１
一
出：
１ ５
（） １不论在什么条件下 ， 埋深都是控制瓦斯含量的 最主要因素 ， 煤厚总体上属于次要因素 。
有异常涌出， 但没有瓦斯 突出； 常涌出时煤厚变化率 异 虽然 比煤 田平均变化率大 ， 明显小于突 出时 的变化 但
率； 异常涌出时的煤厚也具有类似 的特点， 即大于煤 田 平 均 煤厚 ， 小 于突 出时 的煤 厚 。 但
（）３ ２ １ 次异常涌出中， 与煤厚变化有关的 １ 次， １ 原
因不 明的 ２次 。
根据分析 ， 次原 因不 明的异常涌 出煤厚稳定 ， ２ 而 且没有构造作用 ， 可能是生产原 因造成的； 而与 自然 瓦 斯地质因素有关的所有异常涌 出均与煤厚有关 ， 说明煤 厚在瓦斯涌出中具有十分重要的作用。 统计表 明，１ ｌ 次与煤厚变化有关的异常涌 出中， ２
西部探矿工程
以形成 瓦斯 分层 。
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域 只占 ２ ， ５ 大于 ０ ７ｍ 的占 １． ／ ， ．５ ６７ 也就是说 ， ￣ 在现 有生产条件下和采掘区域 ， 区域突出危险区中实际只有 不到 ２ 的煤厚突然变化区具有突出危险性 。这一结 Ｏ 论证实了： ①区域突出危险区实际可能发生突出的区域 不到 ２ ； Ｏ ②煤厚突变区是真 正的突出危 险区。为 了 安 全 起 见 ， 田 内煤 厚 变 化 指 标 的临 界 值 可 定 为 煤
（） ２厚煤条件下、 薄煤条件下煤层 瓦斯含量与综合 条件下煤层瓦斯含量在一定埋深条件下 的差反映了区 域瓦斯背景条件下瓦斯含量的增量， 见图 ５表 ２ 、 。总体 上来说 ， 相同埋深条件下 ， 煤厚增 大， 瓦斯含量增大 ， 增 加 的幅度大约 ０７ ３ｔ煤厚减薄， ．ｍ ／； 瓦斯含量减小， 减小 的幅 度大约 ０ ６ ／， ． ｍ３ｔ 同时 ， 斯 的增 量 随埋 深 的增 加 瓦 还 有 一定 的变化 。 （） ３厚煤 层与 薄煤层 相 比 ， 同埋深 条件下 ， 相 瓦斯 含 量 大 约增加 １３ ／。 ． ｍ３ｔ 研究中， 平均煤厚 是以具有钻孔实测 瓦斯 含量的 ２ 个煤厚点统计的， 均煤厚 ５ １ 平 ｍ。可以推测 ， 当煤厚 极薄或极厚时， 瓦斯含量的增量值也应 当比较大， 平均 煤厚条件下的瓦斯含量可 以看作是区域背景瓦斯含量 。
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根据分析 ， 煤厚变厚 瓦斯增 大是一个趋势， 煤层厚 煤区瓦斯正常积聚 ， 瓦斯含量、 瓦斯压力、 煤层瓦斯 吸附 常数 以及煤质指标等参数分析测试数据受影响小 ， 能够 比较真实的反映实际情况 ； 相反 ， 薄煤区受到的影响因 素较 多 ， 来 瓦斯 含量 相 对 较 小 ， 之 各种 测 试 数据 偏 本 加 差， 因此 ， 总体上瓦斯含量偏小。 图 ２３ ４ 、、 是根据厚煤条件下 、 薄煤条件下和综合条 件下一 煤层 瓦斯含 量 随埋 深 的变 化规 律 。从 图 中可 以看