桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出規律分析
1 井田概況
桑樹坪煤礦地處陜西省韓城市北部，屬渭北石炭二疊紀煤田東北端，面積63km2。井田為一走向北東、傾向北西的單斜構造，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°。井田內中小型褶曲、斷層均很發育，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，斜井采用分區式通風。
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
突出類型
突出次數/次
突出強度/t
瓦斯涌出量/m3
壓出
36
4～220
42.36
810～28 000
4 717.94
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。從壓出和突出次數所占總突出次數百分比看，桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出多為以地應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
突出強度/t
突出次數/次
占總數比例/％
＜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系
3.1 突出強度及瓦斯涌出量與開采深度的關系
表3 突出強度及瓦斯涌出量與開采深度的關系
開采深度/m
突出次數/次
突出強度/t
瓦斯涌出量/m3
＜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中數據可以看出，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回風巷掘進過程中，共發生煤與瓦斯突出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系
表4 突出強度及瓦斯涌出量與采掘工程類型的關系
采掘工程類型
突出次數/次
突出強度/t
瓦斯涌出量/m3
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中突出次數看，平巷突出量多，占總突出次數的68.8％；采煤工作面突出次之，占總突出次數的25％；石門最少，占總突出次數的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，桑樹坪煤礦巷道發生煤與瓦斯突出的危險性遠元大于采煤工作面。
3.3 突出強度及瓦斯涌出量與作業方式的關系
從表5中突出次數看，放炮和架棚引發突出并列首位，均占總突出次數的37.5％；采煤機割煤引發突出次之，占總突出次數的18.75％；無作業與打鉆引發突出最少。但從突出強度看，無作業突出強度最大，放炮與架棚突出強度相近，采煤機割煤突出強度最小。桑樹坪煤礦無作業突出和架棚突出強度較大。研究發現，當煤體結構完整時，放炮使煤體破壞，裂隙增多，有利于瓦斯排放；當煤體結構破壞嚴重，為碎粉煤，糜棱煤時，放炮使媒體內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，當瓦斯壓力達到一定程度時，發生煤與瓦斯突出。因此，可以認為，放炮既有誘導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方式的關系
作業方式
突出次數/次
突出強度/t
瓦斯涌出量/m3
放炮
采煤機割煤
架棚
打鉆
無作業
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構造的關系
表6 突出強度及瓦斯涌出量與地質構造的關系
構造類型
突出次數/次
突出強度/t
瓦斯涌出量/m3
斷層及層滑構造
褶曲
煤厚變化
無構造
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，在各種構造因素中，褶曲部位煤與瓦斯突出強度最大，在發生的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；斷層及層滑構造突出強度最小。桑樹坪煤礦無構造突出強度較大，突出次數較多，其原因是這類突出多發生在深部或煤體結構破壞嚴重的部位。因此，可以認為，桑樹坪煤礦煤與瓦斯突出與地質構造聯系密切，但在采深＞400 m及煤體結構破壞嚴重的無構造部位，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兆的關系
表7 突出強度及瓦斯涌出量與突出預兆的關系
突出預兆
突出次數/次
突出強度/t
瓦斯涌出量/m3
響煤炮
片幫、掉碴
煤結構紊亂
頂板來壓
噴頂夾鉆
瓦斯異常
瓦斯忽大忽小
無預兆
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兆，并且突出預兆的種類及特征與突出強度和突出時間有密切聯系；當有響煤炮、片幫掉碴、頂板來壓及瓦斯異常等預兆時，突出強度較大；煤炮聲為單個，由遠而近，強度由小到大，突出可以有在數小時后發生，突出強度較大；煤炮聲為群炮，頻率很高，強度很大，突出很快就要發生；當瓦斯異常或瓦斯忽大忽小，且有煤塵及瓦斯冷風出現時，突出可能在數秒或數分鐘內立刻發生；突出預兆種類越多，突出發生的時間越近；突出預兆越提前，越明顯，突出強度就越大。因此，掌握突出預兆的種類及特征，對煤與瓦斯突出預測，防止突出造成人身傷亡事故，具有重要的現實意義。
4 結論
通過對桑樹坪煤礦近6年來48次煤與瓦斯突出進行分析，可初步得出如下結論：
（1）桑樹坪煤礦75％的煤與瓦斯突出為以地應力為主導的煤與瓦斯壓出，突出強度一般＜100 t。
（2）各種巷道掘進中發生的煤與瓦斯突出強度大、頻度高、危害嚴重；工作面采過程中發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）褶曲構造、煤厚變化是影響煤與瓦斯突出的重要因素，但當采深超過400 m時靜壓力成為煤與瓦斯突出的重要影響因素。
（5）絕大多數煤與瓦斯突出發生之前有預兆出現，預兆的種類、特征與突出強度、突出時間密切相關。當有響煤炮、頂板來壓、片幫掉碴及瓦斯異常等預兆中的2種以上同時出現時，發生突出的強度大。
