煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响

煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤体物理力学 性质三要 素 综 合 作 用 的 结 果［1］。 假 定 矿 井 开 采 在 同一水平，趋势地应力和瓦斯含量不变，那么，决 定煤与瓦斯突出的关键因素就是煤体物理力学性质 及其变化。以豫西煤田白坪井田为例进行研究，结 果表明，豫西煤田典型的瓦斯地质特点为煤厚大、 煤厚变化大，全层构造煤发育，构造煤类别高，煤 厚及其变化对煤与瓦斯突出危险性具有明显的控制 作用。因此，该研究对于类似瓦斯地质条件下煤与 瓦斯突出预测与防治具有重要意义。
第 38 卷第 9 期
2010 年 9 月
煤炭科学技术
Coal Science and Tecቤተ መጻሕፍቲ ባይዱnology
Vol. 38 No. 9 Sept． 2010
煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响
李中州
（ 郑州煤炭工业 （ 集团） 有限责任公司，河南 郑州 450042）
摘 要： 研究了白坪井田构造煤厚度与煤与瓦斯突出的关系，发现了煤厚及其变化是控制煤与瓦斯
剧变化的标准。⑤发生瓦斯动力现象预兆的形式一 般是响煤炮、顶钻、夹钻、吸钻，少数情况下会出 现喷孔 （ 11211 工作面） 和 煤面外鼓 （ 11071 工作 面） 等现象。
3 煤厚变化同煤与瓦斯突出危险性的关系
3. 1 煤厚变化对煤层瓦斯含量的影响 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。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，厚煤层可以形成瓦斯分层。对于薄煤 层来说，煤层瓦斯直接向围岩逸散，全层瓦斯含量 降低，以致煤层不具备发生煤与瓦斯突出的基本瓦 斯条件 （ 图 3 和图 4） 。
0. 185 3K2 + 17. 348 7K3 － 0. 022 4K4
0. 07 0. 14
0. 19
注： Q 为瓦斯含量； K1 为埋深； K2 为煤厚； K3 为含砂率； K4 为滑面至煤顶板距离； γ 为瓦斯含量梯度，m3 / （ t·m） 。
3. 3 煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响 一定厚度的构造煤是煤与瓦斯发生突出的必备
1 白坪井田瓦斯地质条件
1. 1 矿井瓦斯地质单元划分 瓦斯地质单元划分就是将影响瓦斯赋存和瓦斯
突出的各种地质因素进行分析对比，找出其在空间 和时间上的区别与联系，按一定的标志进行综合， 划分出不同级别的区域或地段［2］。
根据白坪矿井的构造、水文、瓦斯等特点，可 以将整个井田分为东、西 2 个瓦斯地质单元，其边
图 2 构造煤中片状叠置现象
2 白坪矿井瓦斯动力现象预兆
白坪矿为新建突出矿井，自建矿投产以来没有 发生过煤与瓦斯突出，但在矿井采掘生产过程中， 东部瓦斯地质单元多次发生瓦斯动力现象预兆，主 要有下述 4 个基本特点。①发生瓦斯动力现象预兆 的位置主要分布在矿井首采区东翼，瓦斯含量一般 小于 8 m3 /t； 但西翼瓦斯动力现象预兆不明显，瓦 斯含量一般小于 5 m3 /t； 显示了瓦斯动力现象的分 区性。②发生瓦斯动力现象预兆的位置位于矿井东 部瓦斯地质单元中部的瓦斯带，而在瓦斯风化带瓦 斯动力现象预兆不明显，显示了瓦斯带对瓦斯动力 现象的控制。③发生瓦斯动力现象预兆的位置一般 位于厚煤区和特厚煤区，中厚煤区和薄煤区瓦斯动 力现象预兆不明显，显示了煤厚对瓦斯动力现象的 控制。④发生瓦斯动力现象预兆的位置一般有煤层 倾角的急剧变化，通常也伴有煤层厚度的急剧变 化，生产中一般以不小于 15°作为判断煤层倾角急
界为井田中部北东向断层箕 F19 和箕 F31 一线。 东部瓦斯地质单元构造复杂，煤层倾角较小，
断层较多，呈张性特点，落差较大，破碎带较宽， 富水性较好。由断层箕 F4 、箕 F32 、箕 F31 和箕 F19 构成了本单元浅部、深部和西侧的瓦斯逸散边界， 致使瓦斯分带呈环带状，瓦斯含量低。西部瓦斯地 质单元构造简单，断层稀少，延展长度及落差均较 小，富水性差，不利于瓦斯释放，故含量较高。 1. 2 矿井煤厚及变化规律
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图 3 煤层及顶底板瓦斯含量分布示意
图 4 工作面运输巷煤厚与瓦斯含量的关系
根 据 计 算，白 坪 矿 瓦 斯 含 量 梯 度 在 0. 07 ～ 1. 00 m3 / （ t·m） ，平均 0. 46 m3 / （ t·m） ，见表 1。当煤厚小于 4 m 时，瓦斯含量梯度一般较大； 煤厚大于 4 m 时，瓦斯含量不再增加或增量有限。 3. 2 煤厚变化对地应力的影响
李中州： 煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响
表 1 白坪矿井瓦斯含量与煤厚的关系
地点
单相关、复相关拟合公式
决定系
数 R2
γ
西区
Q = 2. 006 3 + 1. 006K2 Q = － 9. 479 0 + 0. 014 8K1 +
0. 364 0K2 + 8. 806 4K3
0. 368 8 1. 00 0. 884 8 0. 36
白坪矿主采煤层二1 煤的矿井开采水平构造、 水文、围岩、埋深等条件相似，变化最大的地质条 件是煤厚。据研究，煤厚变化主要有以下特点。
1） 煤厚大、煤厚变化大。根据对井田内 196 个勘探钻孔的统计，煤厚变化在 0 ～ 26. 79 m，似 鸡窝状，煤厚变化梯度为 （ 0. 23 ～ 0. 46 m） / dam， 平均 0. 37 m / dam； 煤厚基本稳定在 1. 3 ～ 8. 0 m， 平均煤厚 5. 3 m，频率达 63. 3% （ 图 1） 。
作用 （ 图 5） 。
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图 5 煤厚变化引起的瓦斯突出机理示意
从生产实践来看，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一个最重要 的因素。白坪矿目前的开采水平主要处于弱突出 区，地应力作用比较明显，但瓦斯含量很小，一般 小于 5 m3 /t，矿井局部可能会出现以地应力作用为 主的压出或响煤炮、煤体外移等突出预兆，但在局 部高瓦斯区也可能会发生以瓦斯作用为主导的突 出。预计随着开采深度的增加，当煤厚由厚急剧变 薄时，压出现象将更容易，而当煤层厚度由薄急剧 变厚时，则会发生以突出形式为特征的动力现象。 实际生产中突出的煤厚临界值为 2 ～ 8 m，煤厚变 化临界值是沿煤层走向或倾向不小于 2. 5 m / dam。
从矿井实际采掘揭露的情况来看，煤厚变化远 比勘探揭露的煤厚变化复杂得多，也大得多，煤厚
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图 1 钻孔煤厚分布
变化梯度为 （ 0. 23 ～ 3. 15 m） / dam，平 均 为 1. 1 m / dam，煤层厚度经常在短距离内发生突变。
2） 全层构造煤发育，构造煤类别达到Ⅴ类。 构造煤的宏观煤体结构特点主要是： 煤的原生结 构、构造完全受到破坏，煤体以粉状为主，少量粒 状、鳞片状，光泽暗淡，松软，可捻成星片状或粉 末状等。微观结构主要特点是： 破碎的煤粒呈片状 （ 图 2） ，层层叠置，厚度一般小于 10 μm，煤粒表 面镜面发育等。实验室测试煤的普氏系数为 0. 16， 瓦斯放散初速度为 22. 2。
thickness and variation would control the gas content，ground stress and seam stability and could play the role to control the coal and gas outburst．
Key words： Baiping Minefield； seam thickness； gas content； ground stress； coal and gas outburst
白坪井田二1 煤层顶板大占砂岩一般较平整， 产状稳定，但底板泥岩起伏较大。底板下凹，煤厚 增大，底板凸起，煤厚减薄，因此，煤厚变化实际 上也反映了煤层底板产状的变化，煤厚变化大，煤 层底板产状变化也大。
根据煤层受力分析，当煤层底板产状变化时， 在煤层内必然产生附加水平应力，该应力大小决定 于煤层底板产状变化的大小，煤层产状变化大，附 加水平应力也大，如果煤厚稳定，煤层底板产状也 稳定，则水平附加应力为零。
tionship were the higher the seam thickness was，the higher the seam gas content and the poorer the coal seam stability was． The high var-
iation of the seam thickness would cause both the seam gas content grads and the horizontal ground stress grads get greater． The seam
煤厚变化对瓦斯突出的控制机理是： 当煤层厚 度由厚急剧变薄时，瓦斯含量和瓦斯压力减小，但 水平地应力增大，最容易出现压出，压出过程中地 应力起着比较重要的作用； 当煤层厚度由薄急剧变 厚时，地应力作用的水平分量指向巷道里端，其趋 势是不利于瓦斯突出，但瓦斯含量和瓦斯压力不断 增大，容易发生突出，突出中瓦斯起着比较重要的
文章编号： 0253 － 2336 （ 2010） 09 － 0065 － 03
Seam Thickness Variation Affected to Coal and Gas Outburst Danger
LI Zhong-zhou
（ Zhengzhou Coal Industry Group Corporation Ltd. ，Zhengzhou 450042，China）
突出危险性的主要因素，其关系如下： 煤厚大，煤层瓦斯含量大，则煤层稳定性差； 煤厚变化大，