平煤集团煤与瓦斯突出矿井分析与治理方案

一、矿井简况

平煤神马集团公司目前共有23个原煤生产单位，36对矿井，其中突出矿井16对，分别为平煤股份一矿、二矿、四矿、五矿、六矿、八矿、九矿、十矿、十一矿、十二矿、十三矿、首山一矿、平禹煤电四矿、白庙矿、方山新井、梨园矿、长虹公司。煤与瓦斯突出矿井核定产能3662万吨／年，占全公司产能（5008万吨／年）的73.1%。其中平顶山煤田煤与瓦斯突出矿井产能3470万吨／年，占平顶山煤田产能（4122万吨／年）的84.2%；汝州煤田煤与瓦斯突出矿井产能45万吨／年，占汝州煤田产能（474万吨／年）的9.5%；禹州煤田煤与瓦斯突出矿井产能147万吨／年，占禹州煤田产能（412万吨／年）的35.7%。

该集团公司八矿曾于1984年10月13日在戊二沿煤胶带下山掘进工作面发生了集团公司首次煤与瓦斯突出事故至2012年底，共发生煤与瓦斯突出156次，总结分析煤与瓦斯突出情况和特征，是防治煤与瓦斯突出主要措施的重要依据。

二、矿区瓦斯赋存规律及现状

矿区煤层瓦斯含量4.6～30.0m3／t，瓦斯压力0.60～6.60Mpa（首山一矿瓦斯基础参数测定－580m处戊8煤层压力6.6Mpa，戊9－10煤层5.4Mpa，煤层瓦斯含量在32m3／t以上）。开采煤层透气性系数0.0001～0.0061毫达西，属于低透气性难抽采煤层。煤层具有自燃倾向，自然发火期3～12个月，最短18天。煤尘有爆炸危险性，爆炸危险性指数为18.80～44.14%。通过对矿区内不同矿井、不同煤层、不同标高煤层已测定的318组原始瓦斯压力，221组原始瓦斯含量统计分析，瓦斯赋存主要有以下特点。

（一）瓦斯压力分布特征

1.通过分析矿区315组实测原始瓦斯压力，初步得出以下结论：

从地域角度分析，在同等垂深条件下，1.5Mpa以上的数据东部矿井占70%以上，2.0Mpa以上的数据东部矿井占80%以上。整体来看，瓦斯压力东部高、西部低，具有明显的条带性；东西部瓦斯压力分布特点见图4－93。

图4－93　平顶山煤田东西部瓦斯压力分布柱状图

2.从煤层赋存角度分析，实测瓦斯压力较大的数据集中分布平顶山煤田的已组和戊组，其中瓦斯压力大于1.5Mpa，已组和戊组占94%以上。整体来看，瓦斯压力已组和戊组高、丁组和庚组低，不同煤层具有差异性较大的特点，不同煤组瓦斯压力分布特点见图4－94。

图4－94　平顶山煤田不同煤组瓦斯压力分布柱状图

3.瓦斯含量分布特征

通过分析矿区221组实测原始瓦斯含量，初步得出以下结论：

（1）从地域角度分析，10m3／t以上的数据东部矿井占74%以上，15m3／t以上的数据东部矿井占88%以上。整体来看，瓦斯含量东部高、西部低，具有明显的条带性；东西部瓦斯含量分布特点见图4－95。

图4－95　平顶山煤田东西部瓦斯含量分布柱状图

（2）从煤层赋存角度分析，实测瓦斯含量较大的数据集中分布在平项山煤田的已组和戊组煤层。15m3／t以上的数据全部分布在矿区的已组和戊组煤层，大于10m3／t的数据98%以上分布在矿区的已组和戊组煤层，整体来看，瓦斯含量已组和戊组高、丁组和庚组低，不同煤层具有差异性较大的特点。不同煤组瓦斯含量分布特点见图4－96。

图4－96　平顶山煤田不同煤组瓦斯含量分布柱状图

（3）同一瓦斯地质单元内煤层瓦斯含量与其埋深呈正相关系，随着埋藏深度的增加，瓦斯含量也逐步增大。

4.其它分布特征

（1）地层产状转折地段、煤厚变化地段，煤层尖灭端及其它地应力集中部位，是瓦斯积聚的有利场所。

（2）围岩致密完整，煤层瓦斯易于保存；反之煤层瓦斯易于逸散。如禹州煤田白庙矿、二矿、四矿、方山新井二1煤层直接顶、老顶为中细粒大占砂岩，平均厚度超过20m，直接底为泥岩及砂质泥岩，平均厚度超过20m。较厚的、致密完整的顶底板为瓦斯储存创造了有利条件。

（3）煤与瓦斯突出矿井动力灾害取决于区域地质动力背景，据平顶山地震台网监测，矿区自2006年以来，共发生矿震162次，最大为里氏2.6级。八矿、十矿、十二矿所在位置是平顶山矿区及邻域天然地震震级较高值区和频度较高值区，几个矿井煤与瓦斯突出频发，很大程度上受到了区域动力环境不稳定的影响。

（4）根据对平顶山矿区地形曲率研究，曲率绝对值较大时发生煤与瓦斯突出概率大，矿区八矿、十矿、十二矿处于曲率最大值区域内；二矿、三矿、五矿、七矿、九矿、十一矿处于曲率变化值较小的区域内。

（5）矿区最大主应力为水平应力，与区域构造应力场的最大主应力方向一致。垂直主应力值基本上大于或等于自重应力。最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力均随埋深的增加而增大。八矿、十矿、十二矿地应力场以水平压应力为主导。

随着矿井开采的延深，尤其是已进入深部开采的东部矿区及已开采坚硬顶板、低渗透、高吸附煤层为主的平禹矿区，瓦斯及复合动力灾害愈加严重，已成为制约煤矿安全生产的瓶颈，导致了有效实施区域瓦斯防治技术日趋复杂。

①深部开采环境复杂，深部采掘导致地应力重新分布，时空关系复杂多变，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎，且大范围开采对煤岩体形成反复扰动，使煤岩体经历多次变形和破坏过程，应力分布越来越复杂。

②大垂深开采对煤岩体形成强烈开采扰动，是浅部开采所不能比拟的，导致瓦斯运移富集规律呈现复杂的特点。

③坚硬顶板、低渗透、高吸附煤层具有吸附强和解吸速度慢的特性，导致瓦斯抽采十分困难。

具体而言，平顶山矿区突出煤层赋存具有以下特点：

A.组间距离远，组内距离近。大部分突出矿井无非突出煤层作为保护层开采（主采煤层戊、已组间距平均约180m，煤组间距大，保护层开采效果有待于进一步研究）。

B.瓦斯压力大（首山一矿戊组煤层最大达6.6MPa），瓦斯含量高（局部达30m3／t以上），煤与瓦斯突出危险性大。

C.开采深度大（平顶山煤田开采深度达800m以上的矿井6对，其中十二矿采深达1100m以上），地应力高（十二矿最大主应力达48.25MPa），具有冲击地压倾向性。

D.禹州煤田白庙矿、二矿、四矿、方山新井二1煤层具有顶板坚硬、低渗透、高吸附、构造煤全成层发育等特性。

三、平煤神马集团公司突出事故的发展阶段

平煤神马集团公司八矿于1984年10月13日在戊二沿煤胶带下山掘进工作面发生了集团公司的首次煤与瓦斯突出事故至今，共发生了156次突出，平煤突出发生可大致划分为三个阶段：

第一个阶段是从1984～1996年，每年突出次数在10次左右，平均突出强度47t／次左右；在这一阶段，一方面刚进入突出煤层开采，开采深度浅、瓦斯压力、瓦斯含量低，另一方面人们对突出的认识水平以及防治煤与瓦斯突出的技术手段落后，煤与瓦斯突出比较频繁，集中表现在突出次数多，但突出规模小。

第二阶段是从1997～2006年，每年突出次数在6次左右，平均突出强度77t／次，在这10年中，由于“九五”防治煤与瓦斯突出成果的有效应用以及防治技术手段的提高，突出次数有了明显的降低，但随着采掘深度不断延伸，突出规模开始逐渐变大。

第三个阶段是2007年至今，共发生煤与瓦斯突出7次，平均突出强度1300t／次左右。虽然平煤神马集团在落实瓦斯综合治理“十二字”方针及“十六字”工作体系方面做了大量工作，但是仍然发生了高强度的煤与瓦斯突出事故，给职工生命和国家财产造成了巨大损失。

四、历年来平煤神马集团公司煤与瓦斯突出情况统计分析

中国平煤神马集团公司自1984年发生第一次煤与瓦斯突出以来，历史上有记载的煤与瓦斯突出共发生156次（历次突出情况见附表4－56），平均突出煤量117.2t／次，平均涌出瓦斯量8633.6m3／次。近年来，强度较大的两次突出是平禹四矿的“2008.8.1”和“2010.10.16”突出，突出煤量分别为2555t和2547t，涌出瓦斯量分别为26万m3和15万m3。

（一）按年度分类

1996年以前，每年突出次数在8～10次左右，平均突出强度43.1t左右；1997～2006年，每年突出在6次左右，平均强度77.6t；近几年，每年突出1～3次，但平均强度达到1200t以上（见表4－58）。

（二）按突出强度分类

在156次突出中，100吨以下的突出占了125次，达总数的80%，大型特大型突出为6次，大部分发生在2006年以后，表明突出强度的加剧与采掘深度的延伸以及复杂地质灾害有密切关系（见表4－59）。

（三）按埋藏深度分类

平煤的始突深度为340m，400m垂深以上突出10次，占总数的6%；401m～500m区段突出32次，占总数的21%；501m～600m区段以下突出64次，占总数的41%。随着采掘深度的延伸，今后－500m水平以下突出要占主导地位，而且突出危险性增大，突出的强度增大（见表4－60）。

表4－58　历年来的突出情况表

表4－59　突出强度分布表

表4－60　突出深度分布表

（四）按煤层分类

中国平煤神马集团公司突出煤层主要是丁组、戊组、已组（二1），丁组突出40次，占总数的25.6%；戊组41次，占26.4%；已组74次，占47.4%；2011年二矿庚20－21050采面发生了突出，是集团公司庚组煤发生的首次突出，占0.6%。

丁组煤突出主要在一矿、四矿，而且近两年没有发生过突出。十矿丁5－6－21130采面在1996年4月至12月连续发生14次小型压出，最大33吨，小的煤量只有3吨，主要是以地应力为主导因素导致的连续压出。

戊组和已组是平煤主要突出煤层，戊组煤层比较大的突出都发生在八矿。如八矿戊二皮带下山，突出煤量551t，瓦斯量30103m3。其主要原因：一是戊组和已组煤中都存在一定厚度的构造煤，在正常的情况下只有0.5～0.8m左右，如有构造或煤层倾角变化，构造煤发生变化局部加厚，给突出造成有利的条件；二是戊组和已组煤厚度较厚，戊组煤平均4.5～5.0m。已组煤平均3.5～4.0m（见表4－61）。

（五）按矿井分类

全公司156次突出，主要集中在八矿、十矿、十二矿3对突出矿井，共突出117次，占总数的75%，可以看出东三矿的突出严重性，也说明突出是存在区域性和条带性的（见表4－62）。

（六）按构造分类

突出与构造和煤结构有着密切的关系，156次突出遇到构造或因构造影响的89次，占总数的57.1%。掘进工作面因构造影响的突出达70%左右。如八矿13170机巷受辛店正断层影响，机巷正处在断层尖灭区，掘进不到200m连续突出8次；2002年8月13日，五矿23200机巷掘进遇到构造，割煤时发生突出伤亡6人。所以现在掘进工作面都采取深孔探测（30～40m），以及时探清前方构造和煤层储存状况，以便及早采取针对性措施，减少事故的发生（见表4－63）。

表4－61　突出煤层分布表

表4－62　矿井突出分布表

表4－63　构造突出分布表(www.xing528.com)

（七）按作业方式及回采工艺分类

从表4－64可以看出打钻、割煤、放炮几种作业方式与突出的关系，放炮突出次数占比例最大，占总数的46.2%；其次是割煤，占总数的37.2%。这说明放炮和割煤对煤体震动较大，使煤层中瓦斯应力得到急剧释放，诱导突出的发生。外力的作用是发生突出的重要条件。

表4－64　突出作业方式分布表

在156次突出中掘进占107次，占总数的68.6%，回采工作面突出45次占总数的28.8%，石门揭石突出4次，占总数的2.6%。掘进工作面形成三面应力，采取措施后使应力逐渐前移，遇到地质条件变化时，应力集中在工作面时，在外力的作用下易发生突出（见表4－65）。

表4－65　突出回采工艺分布表

（八）按突出类型分类

从表4－66可以看出中国平煤神马集团矿井的突出类型以压出为主，突出26次只占总数的16.7%，压出114次占总数的73.1%，说明中国平煤神马集团的突出类型是以地应力为主导因素的。

表4－66　突出类型分布表

五、平煤神马集团公司煤与瓦斯突出规律分析

通过对中国平煤神马集团公司历年来煤与瓦斯突出情况分析，总的规律和特点是：

（一）突出次数逐年减少，突出强度越来越大，近年来的大型突出多发生的措施执行过程中。

矿区在浅部开采时，煤与瓦斯突出的演变是由较少发生逐渐演变到频繁发生。在这个阶段，局部防突措施发挥了作用，有效防范和遏制了大型突出的发生。但随着集团公司多数矿井向深部开采，地质构造情况发生较大变化，暴露出局部防突措施的局限性，面对“三高、一复杂”（地应力高、瓦斯压力高、瓦斯含量高，地质构造复杂）的局面，突出次数虽然逐年减少，但突出强度越来越大（见图4－97、图4－98）。

图4－97　不同年份突出次数和平均突出强度

图4－98　不同埋深突出次数图和平均突出强度

已发生的156次煤与瓦斯突出中，最近发生的2008年的“8.1”事故、2010年发生的十三矿“6.13”事故，“10.16”事故均发生在措施执行过程当中，且每次突出煤量均在1000吨以上。平禹四矿措施执行过程中发生的两次突出是历史上强度最大的两次突出，两次突出的煤量占总突出煤量的27.8%，涌出瓦斯量占总量的30.3%。

（二）不同煤层煤与瓦斯突出强度不同，浅部区域丁组、戊组煤层突出次数多，强度小，深部区域已组突出多，强度大。其中已组煤层突出次数最多、突出煤量和瓦斯涌出量最大，戊组次之，丁组最小。在有历史记载的突出中，丁组煤层共发生突出40次，且全部为压出，其中掘进工作面发生突出9次，在采取条带预抽瓦斯防治技术后，丁组煤层掘进工作面，从2002年至今，未发生突出（见图4－99和图4－100）。

图4－99　不同煤层平均突出强度和突出次数

（三）突出具有一定的条带性，特大型及大型突出集中在平禹矿区与平煤东部矿区。

已发生的29次100t以上突出，除平禹煤电四矿发生的两次特大型突出外，八矿、十矿、十二矿、十三矿等东部地区矿井发生27次。平禹煤电四矿与集团东部地区矿井地质构造复杂，特别是牛庄向斜轴附近，断层、褶曲多，随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力、含量急剧增加。如首山一矿－580m处实测戊8煤层压力达6.8Mpa，戊9－10煤层瓦斯压力达5.4Mpa，推算煤层瓦斯含量30m3／t以上。

在156次突出中，122次发生在平顶山煤田的东部五个矿井，占总突出次数的78.2%（见图4－100）。

图4－100　平煤东部矿区与平禹矿区突出情况

（四）突出类型以压出为主，在有记载的煤与瓦斯突出事故中，压出次数114次，突出次数26次，倾出次数16次。近几年来，随着瓦斯防治技术的进步，小型突出基本消除，但随着开采深度的增加，以复合动力灾害为主的煤与瓦斯突出逐渐显现。突出类型比例见图4－101。

图4－101　平煤东部矿区与平禹矿区突出情况

（五）突出多发生在地质构造带附近。56次发生在断层处或断层附近，10次发生在向斜与背斜共同翼及其次级构造附近，21次发生煤层产状变化处。

（六）突出多发生在软分层及构造煤发育区。如平禹四矿的“8.1”、“10.16”两次突出、十矿的“11.12”突出均发生构造煤发育区，且强度大，破坏性强。

（七）突出与采掘作业工艺有关。72次突出发生在放炮作业过程中，42次发生在采煤机割煤过程中，16次发生在综掘机割煤过程中，9次发生在打钻过程中，17次发生在其它施工过程中。

（八）大多数煤与瓦斯突出具有一定的预兆。138次出现了如响煤炮、喷孔、瓦斯涌出异常、片帮、顶板来压、煤层倾角和厚度变化较大等现象。

六、进一步做好瓦斯防治防突工作的措施

近些年来特别是“十二五”时期以来，煤矿瓦斯防治和防突工作成果显著。在党中央、国务院的正确领导下，有关部门、地方政府、煤炭企业以及广大干部职工，团结一心，艰苦奋斗，加强瓦斯防治体系建设，落实瓦斯防治政策，推进科技创新，全国煤矿瓦斯防治形势持续稳定好转，瓦斯事故起数和死亡人数大幅度下降，瓦斯抽采利用量大幅度上升；煤矿瓦斯防治工作得到社会各方面的重视和支持。使“瓦斯事故是可以预防和避免的”理念深得人心。同时，也要看到“十三五”时期煤矿瓦斯防治形势更加严峻，从宏观形势看，国家将更加关注民生，更加关注节能减排，更加关注和谐社会建设；国民经济将继续保持平稳较快发展，煤炭作为主体能源，这给瓦斯防治工作带来了新挑战。随着很多煤矿往深部开采，一些低瓦斯矿井和高瓦斯矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，现有高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井灾害加剧，并与水、火、地温、地压等灾害交织在一起，防突工作难度越来越大。所以煤矿瓦斯防治（防突工作）的客观条件更趋复杂；防突工作形势更加严峻；瓦斯防治的压力更为沉重。

就平煤神马集团而言，同样面临着瓦斯治理、防突工作的难度越来越大的现实，集团公司应正视、重视瓦斯治理中存在的问题和防突工作实际情况，进一步提升、落实瓦斯治理理念，提高队伍素质、严格贯彻落实《关于进一步加强煤矿瓦斯防治工作的若干意见》、《防治煤与瓦斯突出规定》等要求和规定，坚定瓦斯可防、可控的信心和决心，做好瓦斯防治（防突）工作。

（一）进一步提升瓦斯防治理念。要根治瓦斯事故、保障职工生命安全，实现企业健康发展，就必须从根本上转变瓦斯治理理念。前些年提出的“瓦斯不治，矿无宁日”、“瓦斯超限就是事故”、“瓦斯事故是可以预防和避免的”的理念目前已深入人心。平煤神马集团应进一步按照国家“坚持科学发展安全发展”安全理念的总体要求，结合集团公司瓦斯防治工作现实和长远规划，进一步提升瓦斯防治理念，以统领企业安全发展和瓦斯治理工作。

（二）坚持综合治理，构建高效有力的瓦斯防治（防突工作）体系。

在瓦斯防治工作中要着力强化“四个综合”，即：人才和投入的综合，技术和管理的综合，装备和培训的综合，抽采和利用的综合。以全面落实“抽采达标”和“两个四位一体”防突措施为抓手，构建“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的煤矿瓦斯综合治理工作体系，通过科学统筹瓦斯治理资金、人才、技术、管理、装备、培训等要素，努力把安全与生产的矛盾统一于先进生产力，有效保护职工生命安全。

（三）因地制宜做好瓦斯治理（防突）工作。集团公司各高瓦斯和突出矿井突出危险性程度、煤层赋存条件、煤层透气性系数等情况各不相同，应按照一矿一策的思路开展防突工作。

必须实施“可保尽保、应抽尽抽”的瓦斯治理战略。凡具备条件的，都要开采保护层。能够抽采瓦斯的都应抽采，做到抽采最大化。

无保护层开采的突出煤层实施以卸压为主导的技术，强力推行低（高）位巷穿层预抽区域瓦斯治理技术，逐渐消除突出煤层本煤层条带预抽区域措施。在推行低位巷区域瓦斯治理技术时，应布置大断面低位巷，实施大孔径穿层钻孔，并进行水力冲孔造穴，配合大管路抽采，真正实现“煤、气”共采，将瓦斯降下来，达到整体卸压的目的。

（四）减轻高瓦斯和突出矿井产量压力，根据通风和抽采能力安排产量，为瓦斯治理留足时间和空间。近年来平煤神马集团虽然实施了大量的区域瓦斯治理工程，但采取过区域瓦斯治理措施的煤层尚不能满足正常接替要求，下一步需要重新核定高突矿井产量，在这个过渡期内，要把其产量降下来，给其充足的瓦斯治理时间，为下一步的正规循环、正常接替打好基础。

（五）提升瓦斯治理装备水平，为瓦斯治理工作提供可靠保障。解决缺乏大孔径、深钻孔施工和软分层煤层施工的钻机、钻具问题，保证机、风两巷打钻能够实现交叉，提高抽放系统装备能力，实现抽采钻机“大功率、大扭矩、定方向”，抽采钻孔“大孔径、长钻孔”，抽采系统“高负压、大流量、大管径、多回路、多泵抽”，提高预抽效果，确实将瓦斯降低到《防突规定》的指标以内，消除煤层突出的危险性。

（六）加强瓦斯参数测定，做好矿井以及煤层预警升级管理工作。

进一步加强矿井压力、瓦斯含量、透气性系数、排放半径、抽放半径等基础参数的测试。突出矿井开采煤层垂深每增加50m或推进200m进行一次压力、含量测试；工作面每50～100m取一组煤样，化验△P、f等瓦斯参数，有构造或煤层变化地段适当增加取样密度，瓦斯基础参数达到《防突规定》指标时，应及时进行矿井或煤层突出危险性鉴定。

（七）进一步加强防突技术管理和现场管理工作。解决防突专项技术措施编制不规范不严谨、两个“四位一体”防突措施执行程序有关资料不完整、矿井瓦斯地质图绘制不符合要求、抽采管路积水多、封孔联网不严密、防突抽放钻孔没有严格按照设计要求施工（或施工深度不够）、防突风门、躲避硐室、压风自救装置施工质量和管理维护不到位等问题。

（八）开展瓦斯治理科技攻关，进一步研究瓦斯赋存、突出规律，采取新技术、新工艺治理瓦斯，解决影响安全生产的瓦斯难题。从低透气性煤层的增透和有效抽采技术研究、深部矿井煤岩动力灾害防治技术研究、采动过程中破断煤岩体的结构特征及联通性规律研究、深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律研究等，为复杂地质条件下高瓦斯、突出矿井安全高效开采奠定坚实的基础。