青藏东缘煤与瓦斯突出和冲击矿压协同防治

祝俊奇

（四川省煤田地质工程勘察设计研究院 康泰公司，四川 成都610091）

青藏高原东缘习惯上称龙门山地区，四川龙门山断裂自东北向西南沿着四川盆地的边缘分布，沿断裂带青藏高原推覆在四川盆地之上，附近区域地质构造变形强烈，地应力较大。青藏高原东缘地区第四纪以来具有比较典型的陆内再生造山带构造变形特征，几条先存的主干断裂均为逆—走滑性质断裂，明了地壳缩短与水平滑移兼有的运动性质〔1〕。

冲击矿压是聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏〔2〕。煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内（几秒到几分钟），从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤（岩）和瓦斯（CH4、CO2）的现象，称为煤与瓦斯突出〔3〕。冲击矿压、煤与瓦斯突出都是煤矿井下开采过程中的常见动力现象，都会给煤矿的安全生产带来极大的影响，甚至酿成重大事故。

1 工程地质背景

某矿井采用斜井＋平硐综合开拓，采用走向长壁采煤方法，普采工艺。主采煤层为2＃、7＃、8＃煤，缓倾斜，其中8＃煤赋存于二叠系上统宣威组（P2x），8＃煤鉴定为突出煤层。开采深度＋550m～＋750m，采高1.75m。8＃煤顶、底板坚硬，弱冲击。

井田内分布有7条正断层，分别为F21、F22、F26、F27、F28、F29、F30，其中F27全长约750m，落差10～40m；F30全长约850m，落差5～30m。

受区域构造应力、风化剥蚀等作用影响，岩层中发育不同程度的节理、裂隙，局部发育程度较高，对岩体的完整性及斜坡的稳定性有较大影响。

2 冲击矿压下的煤与瓦斯突出机理

1）构造地应力诱发冲击矿压

冲击矿压主要发生于采煤工作面、掘进工作面，尤其是采煤工作面。随着工作面的推进，在采动应力叠加影响下，煤层顶板裂隙也开始扩展发育，顶板岩体沿断裂结构面发生滑移、回转和破坏失稳〔4〕。且该区地质构造应力大，极大地加剧了采煤工作面冲击矿压发生的可能。

2）构造地应力诱发煤与瓦斯突出

构造应力场是地壳内造成地壳岩体构造变形和构造断裂的应力场，是煤与瓦斯突出发生的动力因素。煤与瓦斯突出主要发生在地质构造变动比较剧烈的构造应力集中区域〔5〕。青藏高原东缘地质构造应力大，故分布较多突出矿井。Frodsham.K等人认为地质构造对煤与瓦斯突出的影响是煤层在构造应力作用下，结构遭受破坏，形成发育广泛的构造煤，为瓦斯的富集提供了载体〔6〕。地质构造应力为瓦斯赋存提供了场所，又为瓦斯突出提供了条件，该区域很大范围内8＃煤层都鉴定为突出煤层。

3）冲击矿压加剧煤与瓦斯突出的危害

高应力区将增加煤体内积聚的弹性变形能和瓦斯内能，增大了突出发生的动力能量。同时，高应力作用下煤体易破碎，强度降低，减小了突出发生的阻力，从而致使煤与瓦斯突出灾害发生的机率大大增加〔7〕。

同时，冲击矿压一旦发生，势必带出一部分煤岩体，造成瓦斯突出区域应力平衡发生改变，进而发生煤与瓦斯突出。

3 冲击矿压、煤与瓦斯突出控制理论

1）冲击矿压控制理论

在煤体高应力带内布置钻孔，通过爆破释放其弹性能量，使应力高峰带内移，为冲击地压危险煤层安全开采创造条件。松动爆破方法使用方便、快捷、可靠〔8〕。除松动爆破外，合理选择开拓开采方法、煤层注水、加强支护等都可一定程度防控冲击矿压。

2）煤与瓦斯突出控制理论

深孔控制卸压爆破后，从瓦斯涌出情况来看，爆破孔及临近孔瓦斯涌出量增加明显，说明工作面横断面上产生了明显的破碎圈带，增加了煤体的裂隙，使爆破段煤体中的高压瓦斯得以充分排放〔9〕。煤与瓦斯突出防治主要是通过抽采、钻孔泄压等多种方式，使赋存在煤体的能量缓慢释放。

3）冲击矿压、煤与瓦斯突出协同控制理论

冲击地压、煤与瓦斯突出就其主要特征而言，都是煤岩介质突然破坏引起的动力现象，是煤岩体内具有应变弱化和非应变弱化两种不同性质的介质组成的力学变形系统在外界扰动下发生的动力破坏过程〔10〕。

在高应力带内布置钻孔，通过爆破释放其弹性能量，同时释放赋存的瓦斯，达到松动爆破的多重作用。

4 冲击地压、煤与瓦斯突出防治实践

1）抽采

根据煤层赋存条件、采煤工作面瓦斯涌出构成情况，采用煤巷掘进工作面先抽后掘、采煤工作面预抽及边采边抽、高位钻孔卸压瓦斯抽采等方法。

（1）煤巷掘进工作面先抽后掘

抽采钻孔控制范围为煤巷掘进工作面巷道轮廓线外两侧15m（见图1）。

图1 钻孔平面布置示意

（2）采煤工作面预抽

开采8＃煤层时，瓦斯涌出量也比较大，在工作面运输巷施工本煤层顺层钻孔对采煤工作面瓦斯进行预抽，同时在工作面运输巷施工上向钻孔，钻孔长度100m，钻孔间距为10m，生产中根据实际抽采效果调整，顺层钻孔布置见图2。

图2 顺层钻孔布置

（3）采煤工作面边采边抽

本煤层顺层钻孔预抽后，在工作面回采过程中可作为边采边抽钻孔抽采工作面前方煤体内的卸压瓦斯。

（4）邻近层卸压瓦斯抽采

当矿井达产时，首采煤层为2＃煤层，其下邻近层瓦斯会涌向2＃煤层工作面，使工作面瓦斯治理难度加大，选用工作面运输巷、回风巷下行钻孔“拦截”抽采7＃、8＃煤层卸压瓦斯，工作面运输巷邻近层卸压瓦斯抽采钻孔布置见图3。

当开采8＃煤层时，其上邻近层瓦斯会涌向8＃煤层工作面，使工作面瓦斯治理难度加大，选用高位钻孔“拦截”抽采7＃煤层卸压瓦斯，高位钻孔布置见图4。

图3 工作面运输、回风巷巷邻近层卸压瓦斯抽采钻孔布置示意

图4 高位钻孔布置示意

2）预测预报

坚持煤与瓦斯突出、冲击矿压综合预测预报，对两方面的数据都进行分析，并对预报的效果进行检验。

根据直接测定的残余瓦斯压力、瓦斯含量等指标进行预抽煤层瓦斯区域防突措施效果检验时，以每个测定值达到或超过临界值或有明显突出预兆的点为圆心划半径100 m的圆，则所有落在圆内的被检验区域全部判定为预抽防突效果无效，而只有那些没有落在任何一个圆内的区域方可判定为预抽防突效果有效（见图5）。

图5 煤层预抽效果检验

3）开采解放层

2＃与7＃煤层平均间距为26m，7＃与8＃煤层间距平均为4m。8＃煤层为突出煤层，2＃、7＃煤层为非突出煤层。7＃煤层与8＃煤层间距只有4m，7＃煤层不能作为保护层首先开采。

2＃煤层与7＃煤层间硬岩所占百分比η＜50%，矿井2＃、7＃、8＃煤层最大埋深不大于400m。经计算上保护层有效保护垂距为58m，大于2＃、8＃煤层的层间距，因此选择2＃煤层作为上保护层开采。保护层的理论最大保护垂距见表1。

表1 保护垂距S与开采深度H和工作面长度L之间的关系

5 结语

矿井冲击矿压、煤与瓦斯突出都严重威协井下安全生产，通过探讨了生产矿井冲击矿压、煤与瓦斯突出的的形成条件及影响因素，提出了符合矿井实际的防治措施，以期对二者能有共同的防治措施。

1）矿井2＃煤层较薄，厚度为0.74m，且2＃煤层距离7＃煤层26m，2＃煤层作为保护层开采时，由于留设煤柱等原因，被保护层8＃煤层在一些区域会存在未能有效保护到的区域，因此还必须在这些未被保护到的区域采用预抽煤层瓦斯的方式，消除煤层突出危险性。同时预抽煤层瓦斯也能减小工作面瓦斯涌出，在一定程度上缓解矿井通风压力。

2）运用松动爆破理论，深孔控制卸压爆破后，释放弹性能量，使应力高峰带内移，同时通过爆破释放大量瓦斯，降低煤与瓦斯突出发生的可能。

3）煤矿冲击矿压、煤与瓦斯突出等地质因素协同作用，共同影响煤炭井下的安全开采。进一步深入研究冲击矿压、煤与瓦斯突出协同控制机理，以及有效的防治措施，将为煤矿安全建设、生产提供重要的理论与技术支持。

〔1〕周荣军，李 勇，Alex ander L Densmore，等 .青藏高原东缘活动构造〔J〕.矿物岩石，2006，26（2）：40－51.

〔2〕钱明高，石平五.矿山压力与岩层控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2003：294.

〔3〕张国枢.通风安全学〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2008：197.

〔4〕齐庆新，李晓璐，赵善坤 .煤矿冲击地压应力控制理论与实践〔J〕.煤炭科学技术，2013，41（6）：1－5.

〔5〕蔡成功，王佑安 .煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究〔J〕.中国安全科学学报，1997，14（6）：109－112.

〔6〕Frodsham K，Gayer R A.The impact of tectonic deformation upon coal seams in the South Wales coalfield〔J〕.Int J Coal Geol.，1999，38（3－4）：297－332.

〔7〕李 涛，张宏伟，韩 军，等 .构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用〔J〕.西安科技大学学报，2011，31（6）：715－718.

〔8〕方焕明 .煤矿冲击地压及其防治技术探讨〔J〕.煤炭工程，2005，4：60－62.

〔9〕吕有厂 .突出煤层掘进巷道冲击地压防治技术〔J〕.煤炭科学技术，2008，36（4），43－46.

〔10〕邹德蕴，刘先贵 .冲击地压和突出的统一预测及防治技术〔J〕.矿业研究与开发，2002，22（1），16－19.