桑樹坪煤礦是一個年產(chǎn)300萬t、具有煤與瓦斯突出危險的礦井，1997年礦井建成投產(chǎn)以來，煤與瓦斯突出時有發(fā)生，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)安全。隨著采掘深度的加大和采掘速度的不斷提高，煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動力現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。因此，進(jìn)行煤與瓦斯突出規(guī)律分析研究，找出影響煤與瓦斯突出的因素，對有效地防治煤與瓦斯突出，消除或降低煤與瓦斯突出事故造成的危害，具有重要的現(xiàn)實意義。
1 井田概況
桑樹坪煤礦地處陜西省韓城市北部，屬渭北石炭二疊紀(jì)煤田東北端，面積63km2。井田為一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，受東部邊緣韓城大斷層影響，邊淺部煤層傾角10°左右，深部3°～5°。井田內(nèi)中小型褶曲、斷層均很發(fā)育，斷層密度為32.5條/km2。井田含煤地層為二疊系山西組及石炭系太原組，含煤9層（1、2、3、5、7、8、9、11、12），其中3號煤、11號煤為主采煤層，2號煤局部可采。3號煤厚5m，煤層瓦斯含量10.23 m3/t；11號煤厚3.3 m，煤層瓦斯含量9.27 m3/t；2號煤厚1.0 m，煤層瓦斯含量8.74 m3t。礦井采用聯(lián)合開拓（平硐-斜井）。平硐礦井絕對瓦斯涌出量20.80 m3/min，相對瓦斯涌出量10.35 m3/t；斜井礦井絕對瓦斯涌出量4.98 m3/min，相對瓦斯涌出量42.28 m3/t。平硐采用對角式通風(fēng)，斜井采用分區(qū)式通風(fēng)。
2 煤與瓦斯突出類型及突出強度特征
桑樹坪煤礦1998年至2004年5月共發(fā)生強度不同的煤與瓦斯突出48次，按突出類型及突出強度統(tǒng)計分析如下。
2.1 煤與瓦斯突出類型
表1 煤與瓦斯突出類型
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突出類型 |
突出次數(shù)/次 |
突出強度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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壓出 |
36 |
4～220 42.36 |
810～28 000 4 717.94 |
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突出 |
12 |
93～1 100 478.92 |
5 600～66 784 27 635.50 |
由表1可以看出，桑樹坪煤礦煤與瓦斯壓出較多，共36次，占總突出數(shù)的75％，突出強度較小，平均突出強度 42.36 t，平均瓦斯涌出量4 717.94 m3，突出強度超過100t的僅有3次；煤與瓦斯突出12次，占總突出次數(shù)的25％，但突出強度較大，平均突出強度478.92 t，平均瓦斯涌出量27 635.50 m3。從壓出和突出次數(shù)所占總突出次數(shù)百分比看，桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出多為以地應(yīng)力主要作用力的壓出。
2.2 煤與瓦斯突出強度
表2 煤與瓦斯突出強度
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突出強度/t |
突出次數(shù)/次 |
占總數(shù)比例/％ |
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＜50 50～100 100～300 300～600 600～1 000 ＞1 000 |
28 6 5 4 3 1 |
58.3 12.5 10.5 8.3 6.3 2.1 |
表2中煤與瓦斯突出強度分布特征顯示，小于100 t的突出共34次，占總突出次數(shù)的70.8％。因此，桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出以強度＜100 t的突出主為。
3 煤與瓦斯突出與各種影響因素的關(guān)系
3.1 突出強度及瓦斯涌出量與開采深度的關(guān)系
表3 突出強度及瓦斯涌出量與開采深度的關(guān)系
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開采深度/m |
突出次數(shù)/次 |
突出強度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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＜400 400～600 600～800 |
20 25 3 |
4～220 47.34 3～1 100 227.48 12～549 212.67 |
820～28 000 4 595.85 810～66 784 13 961.60 4 766～49 309 20 173.67 |
從表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著開采深度的加大，突出強度及瓦斯涌出量明顯增大。實測資料顯示，桑樹坪煤礦煤層瓦斯壓力梯度平均1.15MPa/hm，當(dāng)采深大于400mm時，煤與瓦斯突出的頻度提高，突出強度增大。例如，采深＞415 m的4137回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，共發(fā)生煤與瓦斯突出6次，其中5次突出強度超過200 t，最大強度為810 t最大瓦斯涌出量為66 784m3。
3.2 突出強度及瓦斯涌出量與采掘工程類型的關(guān)系
表4 突出強度及瓦斯涌出量與采掘工程類型的關(guān)系
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采掘工程類型 |
突出次數(shù)/次 |
突出強度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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平巷 石門 采面 |
33 3 12 |
4～810 152.75 41～1 100 540.33 3～220 50.83 |
810～66 784 13 961.60 2 100～42 000 23 366.67 130～28 000 6 402.84 |
從表4中突出次數(shù)看，平巷突出量多，占總突出次數(shù)的68.8％；采煤工作面突出次之，占總突出次數(shù)的25％；石門最少，占總突出次數(shù)的6.2％。但從突出強度看，石門突出強度最大，平巷突出強度次之，采煤工作面突出強度最小。石門突出強度是采煤工作面突出強度的10.63倍，平巷突出強度是采煤工作面突出強度的3倍。由此可以看出，桑樹坪煤礦巷道發(fā)生煤與瓦斯突出的危險性遠(yuǎn)元大于采煤工作面。
3.3 突出強度及瓦斯涌出量與作業(yè)方式的關(guān)系
從表5中突出次數(shù)看，放炮和架棚引發(fā)突出并列首位，均占總突出次數(shù)的37.5％；采煤機割煤引發(fā)突出次之，占總突出次數(shù)的18.75％；無作業(yè)與打鉆引發(fā)突出最少。但從突出強度看，無作業(yè)突出強度最大，放炮與架棚突出強度相近，采煤機割煤突出強度最小。桑樹坪煤礦無作業(yè)突出和架棚突出強度較大。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤體結(jié)構(gòu)完整時，放炮使煤體破壞，裂隙增多，有利于瓦斯排放；當(dāng)煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，為碎粉煤，糜棱煤時，放炮使媒體內(nèi)部裂隙閉合或被煤泥充填，煤層透氣孔生變差，不利于瓦斯排放，造成煤層瓦斯含量增大，瓦斯壓力升高，當(dāng)瓦斯壓力達(dá)到一定程度時，發(fā)生煤與瓦斯突出。因此，可以認(rèn)為，放炮既有誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的作用，又有延緩煤與瓦斯突出的作用。
表5 突出強度及瓦斯涌出量與作業(yè)方式的關(guān)系
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作業(yè)方式 |
突出次數(shù)/次 |
突出強度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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放炮 采煤機割煤 架棚 打鉆 無作業(yè) |
18 9 18 1 2 |
14～810 161.61 3～220 45.78 4～610 140.60 77 3～120 671.50 |
810～28 594 8 774.22 877～28 000 5 907.67 1 287～66 784 12 757.33 4 766 13 969～42 000 7 984.50 |
3.4 突出強度及瓦斯涌出量與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系
表6 突出強度及瓦斯涌出量與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系
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構(gòu)造類型 |
突出次數(shù)/次 |
突出強度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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斷層及層滑構(gòu)造 褶曲 煤厚變化 無構(gòu)造 |
11 5 13 19 |
30～120 41.73 25～1 100 532.60 4～361 114.31 3～810 159.87 |
820～8 900 3 710.45 1 393～42 000 20 717.40 877～66 784 14 053.79 820～49 309 13 755 118 |
表6顯示，在各種構(gòu)造因素中，褶曲部位煤與瓦斯突出強度最大，在發(fā)生的5次突出中，有4次突出強度超過200t，其中＋300 m軌道石門發(fā)生的強度為1 100 t的煤與瓦斯突出是近年來最強的一次；無構(gòu)造突出強度排次之；煤厚變化突出強度排第三；斷層及層滑構(gòu)造突出強度最小。桑樹坪煤礦無構(gòu)造突出強度較大，突出次數(shù)較多，其原因是這類突出多發(fā)生在深部或煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的部位。因此，可以認(rèn)為，桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出與地質(zhì)構(gòu)造聯(lián)系密切，但在采深＞400 m及煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的無構(gòu)造部位，煤與瓦斯突出的危險性依然很大。
3.5 突出強度及瓦斯涌出預(yù)兆的關(guān)系
表7 突出強度及瓦斯涌出量與突出預(yù)兆的關(guān)系
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突出預(yù)兆 |
突出次數(shù)/次 |
突出強度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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響煤炮 片幫、掉碴 煤結(jié)構(gòu)紊亂 頂板來壓 噴頂夾鉆 瓦斯異常 瓦斯忽大忽小 無預(yù)兆 |
30 11 15 3 5 3 3 6 |
4～549 159.87 4～549 207.07 3～220 45.60 25～480 180.33 3～243 71.20 4～549 108.25 5～360 128.67 25～1 100 246 |
820～66 784 11 993.13 1 929～49.309 13 755.18 820～28 000 4 648.8 1 596～26 000 10 457 877～13 969 5 707.80 2 481～49 309 19 569 1 393～11 483 5 852 810～4 200 9 620.83 |
由表7可以看出，87.5％的煤與瓦斯突出有突出預(yù)兆，并且突出預(yù)兆的種類及特征與突出強度和突出時間有密切聯(lián)系；當(dāng)有響煤炮、片幫掉碴、頂板來壓及瓦斯異常等預(yù)兆時，突出強度較大；煤炮聲為單個，由遠(yuǎn)而近，強度由小到大，突出可以有在數(shù)小時后發(fā)生，突出強度較大；煤炮聲為群炮，頻率很高，強度很大，突出很快就要發(fā)生；當(dāng)瓦斯異常或瓦斯忽大忽小，且有煤塵及瓦斯冷風(fēng)出現(xiàn)時，突出可能在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)立刻發(fā)生；突出預(yù)兆種類越多，突出發(fā)生的時間越近；突出預(yù)兆越提前，越明顯，突出強度就越大。因此，掌握突出預(yù)兆的種類及特征，對煤與瓦斯突出預(yù)測，防止突出造成人身傷亡事故，具有重要的現(xiàn)實意義。
4 結(jié)論
通過對桑樹坪煤礦近6年來48次煤與瓦斯突出進(jìn)行分析，可初步得出如下結(jié)論：
（1）桑樹坪煤礦75％的煤與瓦斯突出為以地應(yīng)力為主導(dǎo)的煤與瓦斯壓出，突出強度一般＜100 t。
（2）各種巷道掘進(jìn)中發(fā)生的煤與瓦斯突出強度大、頻度高、危害嚴(yán)重；工作面采過程中發(fā)生的煤與瓦斯突出多為小型壓出。
（3）放炮突出和炮后延期突出的強度和頻度均較高，說明放炮既有誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的作用，又有延緩煤與瓦斯突出的作用。
（4）褶曲構(gòu)造、煤厚變化是影響煤與瓦斯突出的重要因素，但當(dāng)采深超過400 m時靜壓力成為煤與瓦斯突出的重要影響因素。
（5）絕大多數(shù)煤與瓦斯突出發(fā)生之前有預(yù)兆出現(xiàn)，預(yù)兆的種類、特征與突出強度、突出時間密切相關(guān)。當(dāng)有響煤炮、頂板來壓、片幫掉碴及瓦斯異常等預(yù)兆中的2種以上同時出現(xiàn)時，發(fā)生突出的強度大。