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[摘 要]本文介绍了宣东二号煤矿在实际开采过程中产生瓦斯动力现象和瓦斯涌出的原因，对瓦斯地质条件及开采时的瓦斯情况进行了对比和分析。
[关键词]瓦斯动力现象 瓦斯涌出 对比分析
中图分类号：TM586 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0045-02
1 概况
宣东二号煤矿是河北省冀中能源张矿集团的主力矿井之一，原设计生产能力为90万吨/年，经矿井扩能技术改造后，到2007 年已经达到150万吨/年。目前开拓水平-230m，距地表850m，采用走向长壁综合机械化采煤方法，截止到2011年底累计产煤908万吨。经过几年的开采，瓦斯呈历年增高的趋势，给正常生产衔接造成极大困难。因此，研究瓦斯地质，掌握瓦斯地质规律，开展瓦斯地质预测预报是安全生产上急需解决的重大安全技术课题。
2 矿井地质特征
2.1 地层
钻孔揭露和地表出露的地层由老至新为：新元古界青白口系下马岭组、长龙山组；中生界侏罗系中—下统下花园组、中统九龙山组、髫髻山组；新生界第四系。煤系为侏罗系中统下花园组，是一套典型的陆相山间断陷盆地型含煤建造，煤系厚度128.61～425.32m，岩性主要由泥岩、粉砂岩组成，次为砂岩，夹砂砾岩、煤层和炭质泥岩等，可采煤层为Ⅲ3、Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅳ3煤层，目前主采煤层为Ⅲ3层，平均厚度2.0～4.5m。
2.2 构造
本矿井位于宣后向斜的西北翼，基本呈一单斜构造形态，地层倾角一般小于5°，局部达10°左右。断层以近南北方向发育的高角度正断层为主。三维地震勘探资料显示，局部小构造较发育。
2.3 岩浆岩
辉绿岩在井田分布较广，其岩性特征为：浅灰绿—灰黑色全晶质、粗—细粒等粒结构，块状构造。辉绿岩在井田东部以巨厚层（200余米）岩床形式侵入到煤系中，在井田东南部9-7、5-6孔附近Ⅲ3煤层全部被吞失，在井田西北部，岩体厚度递减冲断Ⅱ2煤层，形成平缓的岩墙，最厚处可达到250m。据51、7-3、5-5、9-3钻孔资料，辉绿岩距Ⅲ3煤层最小间距37.25m，平均间距为56.87m。
3 瓦斯涌出及动力情况
宣东二号煤矿是按低瓦斯进行设计和施工的，自试生产后历年鉴定均为高瓦斯矿井，矿井瓦斯涌出量最高达到85m3/h，制约了矿井正常安全生产。据2006年矿井瓦斯等级鉴定结果显示，绝对瓦斯涌出量达到115.8m3/h，相对瓦斯涌出量42.72m3/h，根据矿井投产以来观测数据，矿井瓦斯涌出量呈逐年增加的趋势（表1）。
宣东二号煤矿自投产以来，一采区没有发现瓦斯动力现象，二采区据不完全统计已发生瓦斯动力现象17次，瓦斯浓度4%～11%，涌出煤量145吨，最大一次涌出煤量20吨。
一、二采区各工作面的瓦斯涌出情况见表2。
瓦斯涌出构成：根据瓦斯统计数据分析，回采工作面瓦斯主要来源于回采工作面采落煤炭、煤壁、采空区及邻近层。工作面回采时，本煤层瓦斯涌出量占采煤工作面瓦斯涌出总量的22%～28%，采空区及邻近层涌出量占采煤工作面瓦斯涌出总量的72%～78%。矿井瓦斯来源中，回采工作面占59%，老采空区占25%，掘进工作面占16%。
4 瓦斯地质特征
表2数据表明，一、二采区煤层瓦斯含量与煤层的变质程度关系密切，并因不同地段煤层赋存条件、围岩性质、辉绿岩侵入情况的不同而存在一定差别。
4.1 一采区
该区域在岩性组合上正处于透气性较好的层位上，其透气性直接影响着瓦斯的保存和排放，而透气性又与顶、底板岩石的组成、结构、胶结程度和裂隙有紧密关系。一般情况下，煤层顶板为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩者多为低瓦斯区。该区域直接顶板为砂岩、砂砾岩及砾岩，正是这种岩性组合特征，瓦斯含量相对来讲比二采区小的多。另外，该区域小断层较发育，岩石较破碎，采面之间水力联系较好，煤层厚度也较二采区薄，这样，就形成了有利于瓦斯逸散而不利于保存的低瓦斯区。上覆岩层直接与砂岩、砂砾岩、砾岩相接触，而辉绿岩只是零星分布在煤层顶板上，没有形成岩床的顺层侵入，也就是说上覆岩层的透气性能较好，这就为瓦斯的逸出和扩散提供了空间和通道。
4.2 二采区
二采区Ⅲ3煤层直接顶板主要以泥质胶结的粉、细砂岩、泥岩、炭质泥岩为主，夹有少量的砂岩和粉砂岩，岩性较致密。Ⅲ3煤层顶板上部直接覆盖了巨厚层状的辉绿岩。
从纵向剖面图方向看，辉绿岩从西南方向的11-4、9-4只零星侵入到地层当中，从9-3孔开始到井田东北方向的3-5孔侵入方式基本成岩床状，厚度由216.8m逐渐加厚到256.81m。从横向剖面图来看，辉绿岩从西部的7-1孔开始到7-5孔结束，呈岩床状侵入到各地层当中，其厚度在211.55～225.7m，侵入规律基本是越来越厚而且距离Ⅲ3煤层越来越近（仅为40m），直到辉绿岩把Ⅲ3煤层吞失。
由于上覆岩性组合差异的变化和辉绿岩的侵入，致使该区整体岩层透气性差，岩层封闭条件好，使得瓦斯在岩体内得不到释放，同时也是瓦斯保存和滞留的最好空间（图1）。
正因为上述地质条件的复杂性造成了二采区在掘进当中，经常发生响煤砲、夹钻杆、顶钻、吸钻、喷钻、钻屑量增加、煤体压出、煤体外鼓等动力现象。
5 瓦斯地质条件综合分析
產生瓦斯动力现象与煤层涌出是极其复杂的地质现象，是受各种地质因素综合作用控制的结果，结合历年开采的实际和瓦斯逐年增长的情况，对宣东二矿瓦斯地质条件作如下分析。
5.1 瓦斯的赋存与构造的关系
宣东二号煤矿地处宣下煤田西北部，属宣后向斜的西北翼。由于该矿位于宣下煤田的西北部，无论燕山运动一、二幕SN向的主应力还是燕山运动中晚期SE-NW向主应力均在矿井北部的怀安——宣化断裂上得到释放；在井田南部则在下花园矿区及宣东矿区的东部也得到释放，形成了下花园背斜，在矿井的东部则形成许多褶皱和断裂，使本矿井东部及下花园矿区的构造变得极其复杂。三维地震勘探也证实矿井东南部小断层较发育。从近几年矿井实际开采情况来看，煤层仍有小的波动和小断层存在，据井巷揭露断距小于5m的小断层较为发育。目前二采区正处于小构造集中的地带，煤层受地质构造的挤压和揉皱要比其他地区强烈的多。因此，所发生的动力现象和煤层涌出也较频繁。 5.2 煤系的岩性组合特征
该矿井为陆相山间盆地型沉积，煤系平均厚度250m左右，岩性以粉、细砂岩及泥岩为主，约占57%，中、粗粒砂岩次之。位于煤系上部的Ⅲ3煤层的顶板大部分为细砂岩和粉砂岩，颜色深，分选好，局部为砂质泥岩或泥岩。底板为粉砂岩和泥岩，Ⅲ3煤层顶底板均属于低透气岩层。显示出有利于瓦斯保存的特点，这是造成瓦斯富集的先决条件。
顶板岩层的透气性高低与瓦斯赋存和涌出有密切关系。二采区的直接顶板大部分为粉砂岩、泥岩，透气性较低，瓦斯气体不易逸出，加之煤层相对较厚，局部地段夹有厚约1.2～1.5m的软煤，所以瓦斯含量就高，而一采区直接顶板大部分为砂岩、砾岩，胶结性较差，磨圆度较好，透气性好，煤层相对较薄，所以瓦斯含量就低。
5.3 火成岩侵入对动力现象和煤层涌出的影响
宣东二号煤矿侵入体主要以辉绿岩为主，产状为岩床，以顺层贯入为明显特征，厚度230～250m，具有结构致密，厚度大的特点。由于辉绿岩的侵入，上覆岩层封闭状态较好，使煤变质时产生的大量瓦斯保存于煤层顶板之中，难以逸散。
5.4 煤层埋藏深度与瓦斯赋存的关系
宣东二号煤矿煤层埋藏深度在800m以下，顶底板岩性大部分为泥岩和粉砂岩，加之巨厚层辉绿岩床的屏蔽作用，使瓦斯在封闭条件较好的地质条件下得以保存，难以释放。只有在煤层开采后，给瓦斯留有一定的空间才能从煤体释放出来。
5.5 煤层厚度与瓦斯赋存的关系
煤层越厚生成的瓦斯量越多，同时给瓦斯的大量保存创造了有利条件，宣东二矿厚煤层主要分布在二采区一带，且煤中夹有软分层，是发生瓦斯动力现象和煤层涌出的有利地段。而一采区煤层厚度相对稳定，多呈块状，层理较明显，原生结构没有遭受到破坏，透气性较好，所以一采区发生瓦斯动力现象的机率相对来讲比较少。
5.6 煤体结构与瓦斯赋存的关系
煤体结构是煤体在后期改造中所形成的结构。宣东二矿二采区Ⅲ3煤层局部地段由于受小构造挤压作用变得松软，据井下实际观测，煤层在中下部有一层软分层，其原生结构遭到破坏，层理紊乱，无层理，光泽暗淡，煤体结构大部分为粒状、片状、粉末状。煤的坚固性很差，用手轻捻即成粉末状，坚固性系数f值<0.30，揉皱系数在0.89～0.97之间，煤的抗压强度较低。
6 几点认识
（1）通过对宣东二矿瓦斯地质条件的综合分析，认为宣东二号煤矿产生瓦斯动力现象和煤层涌出的控制因素是地质构造、煤体结构和围岩性质，影响因素是埋藏深度大，煤层厚度及其变化，辉绿岩侵入等。
（2）煤层埋藏深度大，顶板岩性多数为粉砂岩和泥岩，透气性差，辉绿岩床成为煤层上覆岩层的屏蔽层，使瓦斯得以保存，难以逸散。
（3）构造应力相对集中地段，煤体结构受到严重破坏，煤层增厚或变薄、断层或褶皱附近，都是瓦斯容易积聚和产生动力现象及煤層涌出的区段。煤层一旦开采后，瓦斯会顺煤层的裂隙涌入工作面进而产生动力现象和煤层涌出。
（4）煤层合并分叉处也是瓦斯富集的地方，往往也是发生动力现象和煤层涌出的危险地带。
（5）断裂常常是瓦斯运移的通道，有利于瓦斯的逸散，但有时也相反，特别是封闭性的断裂，则是瓦斯集中的场所，由于断裂是应力比较集中的部位，采掘工程破坏了原来的平衡，而形成残余应力的突然释放，在这种情况下，断层附近往往是产生瓦斯动力的区域和瓦斯释放的最佳时期。
[关键词]瓦斯动力现象 瓦斯涌出 对比分析
中图分类号：TM586 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0045-02
1 概况
宣东二号煤矿是河北省冀中能源张矿集团的主力矿井之一，原设计生产能力为90万吨/年，经矿井扩能技术改造后，到2007 年已经达到150万吨/年。目前开拓水平-230m，距地表850m，采用走向长壁综合机械化采煤方法，截止到2011年底累计产煤908万吨。经过几年的开采，瓦斯呈历年增高的趋势，给正常生产衔接造成极大困难。因此，研究瓦斯地质，掌握瓦斯地质规律，开展瓦斯地质预测预报是安全生产上急需解决的重大安全技术课题。
2 矿井地质特征
2.1 地层
钻孔揭露和地表出露的地层由老至新为：新元古界青白口系下马岭组、长龙山组；中生界侏罗系中—下统下花园组、中统九龙山组、髫髻山组；新生界第四系。煤系为侏罗系中统下花园组，是一套典型的陆相山间断陷盆地型含煤建造，煤系厚度128.61～425.32m，岩性主要由泥岩、粉砂岩组成，次为砂岩，夹砂砾岩、煤层和炭质泥岩等，可采煤层为Ⅲ3、Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅳ3煤层，目前主采煤层为Ⅲ3层，平均厚度2.0～4.5m。
2.2 构造
本矿井位于宣后向斜的西北翼，基本呈一单斜构造形态，地层倾角一般小于5°，局部达10°左右。断层以近南北方向发育的高角度正断层为主。三维地震勘探资料显示，局部小构造较发育。
2.3 岩浆岩
辉绿岩在井田分布较广，其岩性特征为：浅灰绿—灰黑色全晶质、粗—细粒等粒结构，块状构造。辉绿岩在井田东部以巨厚层（200余米）岩床形式侵入到煤系中，在井田东南部9-7、5-6孔附近Ⅲ3煤层全部被吞失，在井田西北部，岩体厚度递减冲断Ⅱ2煤层，形成平缓的岩墙，最厚处可达到250m。据51、7-3、5-5、9-3钻孔资料，辉绿岩距Ⅲ3煤层最小间距37.25m，平均间距为56.87m。
3 瓦斯涌出及动力情况
宣东二号煤矿是按低瓦斯进行设计和施工的，自试生产后历年鉴定均为高瓦斯矿井，矿井瓦斯涌出量最高达到85m3/h，制约了矿井正常安全生产。据2006年矿井瓦斯等级鉴定结果显示，绝对瓦斯涌出量达到115.8m3/h，相对瓦斯涌出量42.72m3/h，根据矿井投产以来观测数据，矿井瓦斯涌出量呈逐年增加的趋势（表1）。
宣东二号煤矿自投产以来，一采区没有发现瓦斯动力现象，二采区据不完全统计已发生瓦斯动力现象17次，瓦斯浓度4%～11%，涌出煤量145吨，最大一次涌出煤量20吨。
一、二采区各工作面的瓦斯涌出情况见表2。
瓦斯涌出构成：根据瓦斯统计数据分析，回采工作面瓦斯主要来源于回采工作面采落煤炭、煤壁、采空区及邻近层。工作面回采时，本煤层瓦斯涌出量占采煤工作面瓦斯涌出总量的22%～28%，采空区及邻近层涌出量占采煤工作面瓦斯涌出总量的72%～78%。矿井瓦斯来源中，回采工作面占59%，老采空区占25%，掘进工作面占16%。
4 瓦斯地质特征
表2数据表明，一、二采区煤层瓦斯含量与煤层的变质程度关系密切，并因不同地段煤层赋存条件、围岩性质、辉绿岩侵入情况的不同而存在一定差别。
4.1 一采区
该区域在岩性组合上正处于透气性较好的层位上，其透气性直接影响着瓦斯的保存和排放，而透气性又与顶、底板岩石的组成、结构、胶结程度和裂隙有紧密关系。一般情况下，煤层顶板为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩者多为低瓦斯区。该区域直接顶板为砂岩、砂砾岩及砾岩，正是这种岩性组合特征，瓦斯含量相对来讲比二采区小的多。另外，该区域小断层较发育，岩石较破碎，采面之间水力联系较好，煤层厚度也较二采区薄，这样，就形成了有利于瓦斯逸散而不利于保存的低瓦斯区。上覆岩层直接与砂岩、砂砾岩、砾岩相接触，而辉绿岩只是零星分布在煤层顶板上，没有形成岩床的顺层侵入，也就是说上覆岩层的透气性能较好，这就为瓦斯的逸出和扩散提供了空间和通道。
4.2 二采区
二采区Ⅲ3煤层直接顶板主要以泥质胶结的粉、细砂岩、泥岩、炭质泥岩为主，夹有少量的砂岩和粉砂岩，岩性较致密。Ⅲ3煤层顶板上部直接覆盖了巨厚层状的辉绿岩。
从纵向剖面图方向看，辉绿岩从西南方向的11-4、9-4只零星侵入到地层当中，从9-3孔开始到井田东北方向的3-5孔侵入方式基本成岩床状，厚度由216.8m逐渐加厚到256.81m。从横向剖面图来看，辉绿岩从西部的7-1孔开始到7-5孔结束，呈岩床状侵入到各地层当中，其厚度在211.55～225.7m，侵入规律基本是越来越厚而且距离Ⅲ3煤层越来越近（仅为40m），直到辉绿岩把Ⅲ3煤层吞失。
由于上覆岩性组合差异的变化和辉绿岩的侵入，致使该区整体岩层透气性差，岩层封闭条件好，使得瓦斯在岩体内得不到释放，同时也是瓦斯保存和滞留的最好空间（图1）。
正因为上述地质条件的复杂性造成了二采区在掘进当中，经常发生响煤砲、夹钻杆、顶钻、吸钻、喷钻、钻屑量增加、煤体压出、煤体外鼓等动力现象。
5 瓦斯地质条件综合分析
產生瓦斯动力现象与煤层涌出是极其复杂的地质现象，是受各种地质因素综合作用控制的结果，结合历年开采的实际和瓦斯逐年增长的情况，对宣东二矿瓦斯地质条件作如下分析。
5.1 瓦斯的赋存与构造的关系
宣东二号煤矿地处宣下煤田西北部，属宣后向斜的西北翼。由于该矿位于宣下煤田的西北部，无论燕山运动一、二幕SN向的主应力还是燕山运动中晚期SE-NW向主应力均在矿井北部的怀安——宣化断裂上得到释放；在井田南部则在下花园矿区及宣东矿区的东部也得到释放，形成了下花园背斜，在矿井的东部则形成许多褶皱和断裂，使本矿井东部及下花园矿区的构造变得极其复杂。三维地震勘探也证实矿井东南部小断层较发育。从近几年矿井实际开采情况来看，煤层仍有小的波动和小断层存在，据井巷揭露断距小于5m的小断层较为发育。目前二采区正处于小构造集中的地带，煤层受地质构造的挤压和揉皱要比其他地区强烈的多。因此，所发生的动力现象和煤层涌出也较频繁。 5.2 煤系的岩性组合特征
该矿井为陆相山间盆地型沉积，煤系平均厚度250m左右，岩性以粉、细砂岩及泥岩为主，约占57%，中、粗粒砂岩次之。位于煤系上部的Ⅲ3煤层的顶板大部分为细砂岩和粉砂岩，颜色深，分选好，局部为砂质泥岩或泥岩。底板为粉砂岩和泥岩，Ⅲ3煤层顶底板均属于低透气岩层。显示出有利于瓦斯保存的特点，这是造成瓦斯富集的先决条件。
顶板岩层的透气性高低与瓦斯赋存和涌出有密切关系。二采区的直接顶板大部分为粉砂岩、泥岩，透气性较低，瓦斯气体不易逸出，加之煤层相对较厚，局部地段夹有厚约1.2～1.5m的软煤，所以瓦斯含量就高，而一采区直接顶板大部分为砂岩、砾岩，胶结性较差，磨圆度较好，透气性好，煤层相对较薄，所以瓦斯含量就低。
5.3 火成岩侵入对动力现象和煤层涌出的影响
宣东二号煤矿侵入体主要以辉绿岩为主，产状为岩床，以顺层贯入为明显特征，厚度230～250m，具有结构致密，厚度大的特点。由于辉绿岩的侵入，上覆岩层封闭状态较好，使煤变质时产生的大量瓦斯保存于煤层顶板之中，难以逸散。
5.4 煤层埋藏深度与瓦斯赋存的关系
宣东二号煤矿煤层埋藏深度在800m以下，顶底板岩性大部分为泥岩和粉砂岩，加之巨厚层辉绿岩床的屏蔽作用，使瓦斯在封闭条件较好的地质条件下得以保存，难以释放。只有在煤层开采后，给瓦斯留有一定的空间才能从煤体释放出来。
5.5 煤层厚度与瓦斯赋存的关系
煤层越厚生成的瓦斯量越多，同时给瓦斯的大量保存创造了有利条件，宣东二矿厚煤层主要分布在二采区一带，且煤中夹有软分层，是发生瓦斯动力现象和煤层涌出的有利地段。而一采区煤层厚度相对稳定，多呈块状，层理较明显，原生结构没有遭受到破坏，透气性较好，所以一采区发生瓦斯动力现象的机率相对来讲比较少。
5.6 煤体结构与瓦斯赋存的关系
煤体结构是煤体在后期改造中所形成的结构。宣东二矿二采区Ⅲ3煤层局部地段由于受小构造挤压作用变得松软，据井下实际观测，煤层在中下部有一层软分层，其原生结构遭到破坏，层理紊乱，无层理，光泽暗淡，煤体结构大部分为粒状、片状、粉末状。煤的坚固性很差，用手轻捻即成粉末状，坚固性系数f值<0.30，揉皱系数在0.89～0.97之间，煤的抗压强度较低。
6 几点认识
（1）通过对宣东二矿瓦斯地质条件的综合分析，认为宣东二号煤矿产生瓦斯动力现象和煤层涌出的控制因素是地质构造、煤体结构和围岩性质，影响因素是埋藏深度大，煤层厚度及其变化，辉绿岩侵入等。
（2）煤层埋藏深度大，顶板岩性多数为粉砂岩和泥岩，透气性差，辉绿岩床成为煤层上覆岩层的屏蔽层，使瓦斯得以保存，难以逸散。
（3）构造应力相对集中地段，煤体结构受到严重破坏，煤层增厚或变薄、断层或褶皱附近，都是瓦斯容易积聚和产生动力现象及煤層涌出的区段。煤层一旦开采后，瓦斯会顺煤层的裂隙涌入工作面进而产生动力现象和煤层涌出。
（4）煤层合并分叉处也是瓦斯富集的地方，往往也是发生动力现象和煤层涌出的危险地带。
（5）断裂常常是瓦斯运移的通道，有利于瓦斯的逸散，但有时也相反，特别是封闭性的断裂，则是瓦斯集中的场所，由于断裂是应力比较集中的部位，采掘工程破坏了原来的平衡，而形成残余应力的突然释放，在这种情况下，断层附近往往是产生瓦斯动力的区域和瓦斯释放的最佳时期。