陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯突出能量差異化分布特征及地質(zhì)致因分析

1、    陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯突出能量差異化分布特征及地質(zhì)致因分析    周建斌 王曉東 趙偉 徐超 何舒蕾 周倩 劉晨熙摘 要：為探究陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯突出危險(xiǎn)性差異化分布特征及其內(nèi)在控制機(jī)制，本研究以陽(yáng)泉礦區(qū)發(fā)生的突出事故為背景，根據(jù)突出事故發(fā)生區(qū)域位置及規(guī)模，對(duì)分布差異化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析。另外，通過(guò)計(jì)算各突出事故的瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能以及突出總激發(fā)能，對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)總體突出能量的垂向和橫向分布特征進(jìn)行了分析。之后結(jié)合礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)史，獲得了導(dǎo)致該能量差異化分布的地質(zhì)原因。結(jié)果表明：就突出事故頻次和規(guī)模而言，陽(yáng)泉礦區(qū)的突出事故主要發(fā)生在礦區(qū)中部的東北區(qū)域;就突出能

2、量分布而言，垂向上瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能以及總激發(fā)能3種能量隨埋深呈線性關(guān)系，橫向上區(qū)域危險(xiǎn)性整體上呈中部區(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域的分布規(guī)律。這種差異化的分布特征是由于陽(yáng)泉礦區(qū)在印支期、燕山期以及喜馬拉雅期受到的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力不同所致。關(guān)鍵詞：瓦斯突出;差異化特征;突出能量;陽(yáng)泉礦區(qū);地質(zhì)構(gòu)造中圖分類號(hào)：td 712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a文章編號(hào)：1672-9315（2021）04-0601-07doi：10.13800/ki.xakjdxxb.2021.0404開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（osid）：distribution differentiation characteristics

3、  of gas outburstsin yangquan mining area and geological causation analysiszhou jianbin1，wang xiaodong1，zhao wei3，xu chao1，2，3，he shulei3，zhou qian3，liu chenxi3（1.huayang new material technology group co.，ltd.，yangquan 045000，china;2.postdoctoral research station，yangquan coal industry（group）co

4、.，ltd.，yangquan 045000，china;3.school of emergency  management and safety engineering，china university of mining and technology（beijing），beijing 100083，china）abstract：to explore thedistributiondifferentiation characteristics  of gas outbursts and their internal controlling mechanism，the pr

5、evious gas outburst accidents occurring in yangquan mining area were taken as an example.according to the locations and sizes of different outbursts，their  distributiondifferentiation characteristics  were summarized and examined.moreover，the vertical and horizontal distribution of outburs

6、t energy in yangquan mining area was analyzed by calculating the gas expansion energy，elastic potential energy of coal body and the total triggering energy involved in outbursts.then the geological reasons that control this distribution difference were identified by investigating the regionally geol

7、ogical history in yangquan mining area.the results reveal that，in terms of the frequency and size，gas outbursts  concentrated mainly in the northeast part of middle yangquan mining area.for outburst energy distribution，the gas expansion energy，elastic potential energy of coal body and the total

8、 triggering energy all obey a linear relationship with mining depth vertically，while horizontally，the order of outburst risk from high to low is middle region，south region and north region.this distribution difference is due mainly to the different regional tectonic stress applied on the yangquan co

9、alfield in indochina，yanshan and himalayan periods.key words：gas outburst;differentiation characteristics;outburst energy;yangquan mining area;geological structure0 引 言中國(guó)煤炭資源分布較廣，包括東北、華北、山西、內(nèi)蒙和云貴川等眾多礦區(qū);其中包括神東、晉北、晉西和晉東等多個(gè)億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)基地。各個(gè)礦區(qū)由于煤層賦存條件和開(kāi)采條件的不同，導(dǎo)致同一地區(qū)瓦斯災(zāi)害同樣存在較大差異。同樣，對(duì)于陽(yáng)泉礦區(qū)而言，煤礦瓦斯突出災(zāi)害頻發(fā)，且同樣存在差異

10、化特征1-2。關(guān)于煤與瓦斯突出的控制機(jī)理，目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中主要有“瓦斯作用說(shuō)”、“地應(yīng)力作用說(shuō)”、“化學(xué)本質(zhì)說(shuō)”以及“綜合作用說(shuō)”4種假說(shuō)。其中，“綜合作用說(shuō)”考慮了瓦斯、地應(yīng)力及煤體本身性質(zhì)等因素，因此更為科學(xué)系統(tǒng)，逐漸被學(xué)界認(rèn)可3-9。在突出準(zhǔn)備及發(fā)動(dòng)階段，瓦斯主要起降低煤體強(qiáng)度，形成高壓梯度的作用，而地應(yīng)力則是破壞煤體能量的主要提供者。在突出發(fā)展階段，解吸形成的高速瓦斯流與地應(yīng)力配合連續(xù)剝離突出煤體，并將前方煤體拋射到巷道中，形成逐步向深部發(fā)展的新突出面。這種剝離面或呈層狀，或呈球殼狀，因此形成了層裂理論及球殼失穩(wěn)理論10-11。而在突出終止階段，瓦斯則繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間解吸，異常解吸的時(shí)間可持

11、續(xù)長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)甚至幾天。煤與瓦斯突出是一個(gè)復(fù)雜多變的非線性過(guò)程，很難完整精確的定量化對(duì)其進(jìn)行描述12。因此，對(duì)突出的過(guò)程研究多從能量角度進(jìn)行闡述。蘇聯(lián)學(xué)者霍多特首先推導(dǎo)出了描述突出過(guò)程的瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能、破碎功等公式13。澳大利亞學(xué)者gray利用能量理論分析了澳大利亞三起突出事故6。我國(guó)學(xué)者鄭哲敏基于突出能量得出瓦斯在突出中起著主導(dǎo)作用14。文光才等基于破碎實(shí)驗(yàn)給出了破碎功的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?5。安豐華等基于數(shù)值模擬對(duì)突出能量大小進(jìn)行了探究，并給出了基于能量模型的突出激發(fā)判據(jù)16-17。趙偉從能量角度分析了有效做功瓦斯在突出瓦斯中所占的比重3。從上述研究現(xiàn)狀可以看出，以能量方程為基本手段去分析突

12、出危險(xiǎn)性，厘定突出激發(fā)的閾值是可行的。陽(yáng)泉礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造差異化大，突出危險(xiǎn)性變化不一，如何利用合適方法對(duì)區(qū)域突出危險(xiǎn)性進(jìn)行劃分意義重大。文中利用陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯突出事故資料，基于突出能量的基本方程，對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)區(qū)域煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分布規(guī)律進(jìn)行了定量研究，并探究導(dǎo)致此差異化分布規(guī)律的內(nèi)在原因，為陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯災(zāi)害差異化精準(zhǔn)防控奠定基礎(chǔ)。1 陽(yáng)泉礦區(qū)突出事故統(tǒng)計(jì)陽(yáng)泉礦區(qū)位于山西省中東部，沁水盆地東北部，是中國(guó)重要的無(wú)煙煤基地。礦區(qū)現(xiàn)有新景礦、一礦、三礦、五礦、寺家莊礦、石港礦、永新、新元礦和平舒礦9對(duì)突出礦井。根據(jù)陽(yáng)泉礦區(qū)歷年來(lái)各煤礦突出事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將最大突出煤巖量和最大噴出瓦斯量與陽(yáng)泉礦區(qū)各煤礦的地理

13、位置統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，如圖1所示。從圖1可以看出，突出事故主要集中發(fā)生在陽(yáng)泉礦區(qū)中部的東北區(qū)域，即在陽(yáng)泉礦區(qū)一礦和三礦突出事故發(fā)生較為集中，其中19661989年之間發(fā)生近4 000次突出事故。而突出規(guī)模最大的事故發(fā)生在中部的陽(yáng)泉三礦，共拋出525 t煤體，而最小的發(fā)生在北部的新元礦，突出大小為4 t。進(jìn)一步對(duì)突出的發(fā)生年份進(jìn)行對(duì)比，將突出事故發(fā)生的地點(diǎn)與突出事故的大小、次數(shù)與突出發(fā)生時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以得到圖2和圖3的結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)突出發(fā)生在2000年之前。而在大規(guī)模采用瓦斯預(yù)抽、保護(hù)層開(kāi)采等防突措施之后，突出事故發(fā)生的頻次得到了較大程度上的遏制。在2000年之后，只有約40起突出事故發(fā)

14、生。而就最大突出量來(lái)講，有效的防突措施也使得2000年之后的突出量得到了顯著下降。綜上所述，若以陽(yáng)泉礦區(qū)突出事故發(fā)生的頻次及規(guī)模作為參照，以此來(lái)定義陽(yáng)泉礦區(qū)的突出危險(xiǎn)性，則可得出各區(qū)域的突出危險(xiǎn)性總體排序?yàn)椋褐胁繀^(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域。其中在2000年之后，突出危險(xiǎn)性排序變?yōu)椋耗喜繀^(qū)域>中部區(qū)域>北部區(qū)域。應(yīng)當(dāng)指出的是，基于突出事故的危險(xiǎn)性排序，往往決定于其開(kāi)采范圍以及開(kāi)采方法等人為因素，故而存在一定的誤差，但對(duì)于宏觀的分布規(guī)律來(lái)講，仍有一定的統(tǒng)計(jì)意義。在下一節(jié)中，為了更加定量化地描述突出能量的危險(xiǎn)性，采用能量指標(biāo)對(duì)突出危險(xiǎn)性進(jìn)行更加精細(xì)化的評(píng)價(jià)。2 陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯突出

15、能量分布特征一般認(rèn)為，在突出過(guò)程中涉及的能量主要有瓦斯膨脹能和煤體的彈性潛能2種，即19w總=w1+w2（1）式中 w總，w1和w2分別為總的突出能、瓦斯膨脹能和煤體彈性潛能。2.1 瓦斯膨脹能因?yàn)橥怀鰰r(shí)間極短，常在瞬間發(fā)生，故而瓦斯膨脹過(guò)程常被近似為氣體的絕熱膨脹過(guò)程，即p1vg1=p0vg0（2）式中 p1，v1分別為突出前的瓦斯壓力及瓦斯體積;p2，v2分別為突出后的大氣壓和瓦斯在大氣壓下的體積;g為甲烷的絕熱系數(shù)，通常取1.3。根據(jù)上式，可得瓦斯膨脹功為19w1=p0v0g-1p1p0g-1g-1（3）2.2 煤體彈性潛能煤體彈性潛能是由地應(yīng)力壓縮煤體產(chǎn)生的。鄭哲敏14曾給出在地應(yīng)力作

16、用下突出煤體所含的彈性潛能為w2=831+e2vc（4）式中 為地應(yīng)力;為煤的泊松比;e為煤的彈性模量;vc為突出煤質(zhì)量。將式（3）和（4）代入式（1）便可得到瓦斯突出總能量的突出規(guī)律，即w總=p0v0g-1p1p0g-1g-1+831+e2vc（5）2.3 能量分布特征統(tǒng)計(jì)陽(yáng)泉礦區(qū)2000年后發(fā)生的突出事故，將突出地點(diǎn)埋深、突出煤體質(zhì)量以及突出瓦斯質(zhì)量等參數(shù)帶入式（1）式（5），則可以得到瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能以及總激發(fā)能3種能量隨埋深的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)3種能量隨埋深均大致呈線性關(guān)系：煤體彈性能與埋深關(guān)系為y=0.20x-83，大小范圍在0.0990.17 mj;瓦斯膨脹能隨

17、埋深變化關(guān)系為：y=9.02x-3 399，大小在14.73 638.52 mj;總激發(fā)能隨埋深變化關(guān)系為y=9.22x-3 482，大小在15.033 667.81 mj。因此，礦區(qū)的最小突出能量為15.03 mj，其對(duì)應(yīng)的其對(duì)應(yīng)的事故為2007年5月21日發(fā)生在溫家莊礦南二正巷的突出事故，始突深度為328 m。3種關(guān)系中，煤體彈性潛能隨埋深的線性關(guān)系最好，而瓦斯膨脹能與總激發(fā)能的線性關(guān)系較弱。這主要是因?yàn)樵诮y(tǒng)計(jì)突出瓦斯量時(shí)，往往從瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始變化到恢復(fù)初始濃度期間的所有瓦斯涌出量作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于沒(méi)有對(duì)突出煤體實(shí)際做功的低速瓦斯也考慮在內(nèi)，高估了瓦斯的參與做功量，使得瓦斯膨脹能計(jì)算離散度過(guò)

18、高3。另外，從3種能量的數(shù)量級(jí)可以發(fā)現(xiàn)（圖5），瓦斯膨脹能約比煤體彈性潛能大2個(gè)數(shù)量級(jí)，且瓦斯膨脹能和突出總激發(fā)能變化規(guī)律及數(shù)量級(jí)近似，因此可以推測(cè)該區(qū)域的突出事故由瓦斯膨脹能主控。對(duì)比瓦斯膨脹能與煤體彈性能之間的比值可以發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的升高2種能量比值會(huì)越來(lái)越低，表明在深部應(yīng)力對(duì)突出的控制作用越來(lái)越強(qiáng)。這是因?yàn)槊后w由淺部的水平應(yīng)力主控（2和3）逐步發(fā)展為深部的三向應(yīng)力環(huán)境（1，2和3），地應(yīng)力顯著增高。而在水平方向上，以陽(yáng)泉礦區(qū)15煤層為例，依據(jù)陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯含量等值線圖18以及瓦斯賦存規(guī)律20，并根據(jù)一般垂直地應(yīng)力隨深度的變化公式4，21，即p=2.5 mpa/hm，便可以得到圖6的計(jì)算結(jié)果

19、。圖中能量等值線密度越大，表示其突出能量變化值越大，突出危險(xiǎn)性越大。因此可以發(fā)現(xiàn)，在陽(yáng)泉礦區(qū)中部區(qū)域，即新景、五礦、以及寺家莊北部地區(qū)，突出危險(xiǎn)性明顯增大。而在礦區(qū)南部的等值線密度稍微較北部稍密，說(shuō)明礦區(qū)南部的突出危險(xiǎn)性要稍高于礦區(qū)北部。這與第2小節(jié)中對(duì)突出事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。因此，總體而言，突出危險(xiǎn)性為中部>南部>北部。3 突出能量差異化分布地質(zhì)成因分析礦區(qū)宏觀突出分布特性往往與礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。陽(yáng)泉礦區(qū)主要受到nne向復(fù)向斜構(gòu)造的影響，區(qū)域內(nèi)主要以中生代ne向、ew向褶皺為主，其構(gòu)造主要是受褶皺擠壓張拉作用。在水平方向上，陽(yáng)泉礦區(qū)由于受古今多期構(gòu)造影響，逐漸形成了“中間高、南

20、北低”的應(yīng)力分布特點(diǎn)。在印支期，其受到近ns向的擠壓應(yīng)力，在礦區(qū)北部形成了近ew向的褶皺和斷層。在燕山期，其受到nwwsee至ew向的擠壓應(yīng)力，在礦區(qū)大面積形成nnene向的褶皺。在喜馬拉雅期，其又受到nnessw向擠壓，對(duì)原有的構(gòu)造又進(jìn)行了疊加改造，在陽(yáng)泉中部礦區(qū)形成了少數(shù)nww向的褶皺22。因此，經(jīng)過(guò)三期作用，陽(yáng)泉中部的構(gòu)造狀況最為嚴(yán)重，南部和北部則次之。這就造成了中部礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜且地應(yīng)力高，褶曲軸部的壓縮拉伸，煤層頂?shù)装宓幕坪蛿鄬由舷卤P的錯(cuò)動(dòng)等地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成大量的構(gòu)造煤，如圖7所示。構(gòu)造煤是煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生成分及結(jié)構(gòu)變化的產(chǎn)物。由于在成煤過(guò)程中成煤條件的差異，使得構(gòu)造煤自身結(jié)構(gòu)以

21、及外在的力學(xué)條件存在較大差異，故而破碎的程度不同。相較于原生結(jié)構(gòu)煤而言，構(gòu)造煤煤質(zhì)松軟，滲透性較低，是突出發(fā)生的主要區(qū)域23-25。煤礦突出鑒定時(shí)，礦區(qū)構(gòu)造煤的破壞程度是評(píng)價(jià)該區(qū)域突出危險(xiǎn)型大小的重要考量因素。唐軍曾對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)中部礦區(qū)的地應(yīng)力要顯著高于礦區(qū)南北兩極，這也從側(cè)面驗(yàn)證了中部地區(qū)構(gòu)造嚴(yán)重的特點(diǎn)18。而對(duì)于南北兩極，由于陽(yáng)泉礦區(qū)西南部發(fā)育有幾條ne向的大型斷層，使得南部的構(gòu)造復(fù)雜度要大于構(gòu)造更為簡(jiǎn)單的北部區(qū)域22，故而南部的突出危險(xiǎn)性要大于北部。4 結(jié) 論1）陽(yáng)泉礦區(qū)突出事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：礦區(qū)中部東北區(qū)域突出事故多發(fā)，在一礦和三礦區(qū)域甚至達(dá)到了近4 000次突出;

22、區(qū)域突出危險(xiǎn)性中部區(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域。2）陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯突出能量計(jì)算結(jié)果表明：瓦斯膨脹能、煤體彈性潛能以及總激發(fā)能3種能量隨埋深呈線性關(guān)系。各突出事故中，煤體彈性能在0.0990.17 mj，瓦斯膨脹在14.73 638.52 mj，總激發(fā)能在15.033 667.81 mj。3種能量的數(shù)量級(jí)差異表明該區(qū)域的突出事故由瓦斯膨脹能主控。突出能量水平方向上呈中部>南部>北部的分布規(guī)律。3）陽(yáng)泉礦區(qū)地質(zhì)演化史表明：陽(yáng)泉礦區(qū)受到印支期、燕山期以及喜馬拉雅期多期構(gòu)造應(yīng)力影響，構(gòu)造復(fù)雜程度呈現(xiàn)中部>南部>北部的特點(diǎn)，進(jìn)而使得突出能量分布產(chǎn)生相應(yīng)變化。參考文獻(xiàn)（ref

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