桑树坪煤矿是一个年产300万t、具有煤与瓦斯突出危险的矿井，1997年矿井建成投产以来，煤与瓦斯突出时有发生，严重影响煤矿生产安全。随着采掘深度的加大和采掘速度的不断提高，煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象日趋严重。因此，进行煤与瓦斯突出规律分析研究，找出影响煤与瓦斯突出的因素，对有效地防治煤与瓦斯突出，消除或降低煤与瓦斯突出事故造成的危害，具有重要的现实意义。
1 井田概况
桑树坪煤矿地处陕西省韩城市北部，属渭北石炭二叠纪煤田东北端，面积63km2。井田为一走向北东、倾向北西的单斜构造，受东部边缘韩城大断层影响，边浅部煤层倾角10°左右，深部3°～5°。井田内中小型褶曲、断层均很发育，断层密度为32.5条/km2。井田含煤地层为二叠系山西组及石炭系太原组，含煤9层（1、2、3、5、7、8、9、11、12），其中3号煤、11号煤为主采煤层，2号煤局部可采。3号煤厚5m，煤层瓦斯含量10.23 m3/t；11号煤厚3.3 m，煤层瓦斯含量9.27 m3/t；2号煤厚1.0 m，煤层瓦斯含量8.74 m3t。矿井采用联合开拓（平硐-斜井）。平硐矿井绝对瓦斯涌出量20.80 m3/min，相对瓦斯涌出量10.35 m3/t；斜井矿井绝对瓦斯涌出量4.98 m3/min，相对瓦斯涌出量42.28 m3/t。平硐采用对角式通风，斜井采用分区式通风。
2 煤与瓦斯突出类型及突出强度特征
桑树坪煤矿1998年至2004年5月共发生强度不同的煤与瓦斯突出48次，按突出类型及突出强度统计分析如下。
2.1 煤与瓦斯突出类型
表1 煤与瓦斯突出类型
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突出类型 |
突出次数/次 |
突出强度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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压出 |
36 |
4～220 42.36 |
810～28 000 4 717.94 |
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突出 |
12 |
93～1 100 478.92 |
5 600～66 784 27 635.50 |
由表1可以看出，桑树坪煤矿煤与瓦斯压出较多，共36次，占总突出数的75％，突出强度较小，平均突出强度 42.36 t，平均瓦斯涌出量4 717.94 m3，突出强度超过100t的仅有3次；煤与瓦斯突出12次，占总突出次数的25％，但突出强度较大，平均突出强度478.92 t，平均瓦斯涌出量27 635.50 m3。从压出和突出次数所占总突出次数百分比看，桑树坪煤矿煤与瓦斯突出多为以地应力主要作用力的压出。
2.2 煤与瓦斯突出强度
表2 煤与瓦斯突出强度
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突出强度/t |
突出次数/次 |
占总数比例/％ |
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＜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中煤与瓦斯突出强度分布特征显示，小于100 t的突出共34次，占总突出次数的70.8％。因此，桑树坪煤矿煤与瓦斯突出以强度＜100 t的突出主为。
3 煤与瓦斯突出与各种影响因素的关系
3.1 突出强度及瓦斯涌出量与开采深度的关系
表3 突出强度及瓦斯涌出量与开采深度的关系
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开采深度/m |
突出次数/次 |
突出强度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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＜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 |
从表3中数据可以看出，随着开采深度的加大，突出强度及瓦斯涌出量明显增大。实测资料显示，桑树坪煤矿煤层瓦斯压力梯度平均1.15MPa/hm，当采深大于400mm时，煤与瓦斯突出的频度提高，突出强度增大。例如，采深＞415 m的4137回风巷掘进过程中，共发生煤与瓦斯突出6次，其中5次突出强度超过200 t，最大强度为810 t最大瓦斯涌出量为66 784m3。
3.2 突出强度及瓦斯涌出量与采掘工程类型的关系
表4 突出强度及瓦斯涌出量与采掘工程类型的关系
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采掘工程类型 |
突出次数/次 |
突出强度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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平巷 石门 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 |
从表4中突出次数看，平巷突出量多，占总突出次数的68.8％；采煤工作面突出次之，占总突出次数的25％；石门最少，占总突出次数的6.2％。但从突出强度看，石门突出强度最大，平巷突出强度次之，采煤工作面突出强度最小。石门突出强度是采煤工作面突出强度的10.63倍，平巷突出强度是采煤工作面突出强度的3倍。由此可以看出，桑树坪煤矿巷道发生煤与瓦斯突出的危险性远元大于采煤工作面。
3.3 突出强度及瓦斯涌出量与作业方式的关系
从表5中突出次数看，放炮和架棚引发突出并列首位，均占总突出次数的37.5％；采煤机割煤引发突出次之，占总突出次数的18.75％；无作业与打钻引发突出最少。但从突出强度看，无作业突出强度最大，放炮与架棚突出强度相近，采煤机割煤突出强度最小。桑树坪煤矿无作业突出和架棚突出强度较大。研究发现，当煤体结构完整时，放炮使煤体破坏，裂隙增多，有利于瓦斯排放；当煤体结构破坏严重，为碎粉煤，糜棱煤时，放炮使媒体内部裂隙闭合或被煤泥充填，煤层透气孔生变差，不利于瓦斯排放，造成煤层瓦斯含量增大，瓦斯压力升高，当瓦斯压力达到一定程度时，发生煤与瓦斯突出。因此，可以认为，放炮既有诱导煤与瓦斯突出的作用，又有延缓煤与瓦斯突出的作用。
表5 突出强度及瓦斯涌出量与作业方式的关系
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作业方式 |
突出次数/次 |
突出强度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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放炮 采煤机割煤 架棚 打钻 无作业 |
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 突出强度及瓦斯涌出量与地质构造的关系
表6 突出强度及瓦斯涌出量与地质构造的关系
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构造类型 |
突出次数/次 |
突出强度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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断层及层滑构造 褶曲 煤厚变化 无构造 |
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显示，在各种构造因素中，褶曲部位煤与瓦斯突出强度最大，在发生的5次突出中，有4次突出强度超过200t，其中＋300 m轨道石门发生的强度为1 100 t的煤与瓦斯突出是近年来最强的一次；无构造突出强度排次之；煤厚变化突出强度排第三；断层及层滑构造突出强度最小。桑树坪煤矿无构造突出强度较大，突出次数较多，其原因是这类突出多发生在深部或煤体结构破坏严重的部位。因此，可以认为，桑树坪煤矿煤与瓦斯突出与地质构造联系密切，但在采深＞400 m及煤体结构破坏严重的无构造部位，煤与瓦斯突出的危险性依然很大。
3.5 突出强度及瓦斯涌出预兆的关系
表7 突出强度及瓦斯涌出量与突出预兆的关系
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突出预兆 |
突出次数/次 |
突出强度/t |
瓦斯涌出量/m3 |
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响煤炮 片帮、掉碴 煤结构紊乱 顶板来压 喷顶夹钻 瓦斯异常 瓦斯忽大忽小 无预兆 |
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％的煤与瓦斯突出有突出预兆，并且突出预兆的种类及特征与突出强度和突出时间有密切联系；当有响煤炮、片帮掉碴、顶板来压及瓦斯异常等预兆时，突出强度较大；煤炮声为单个，由远而近，强度由小到大，突出可以有在数小时后发生，突出强度较大；煤炮声为群炮，频率很高，强度很大，突出很快就要发生；当瓦斯异常或瓦斯忽大忽小，且有煤尘及瓦斯冷风出现时，突出可能在数秒或数分钟内立刻发生；突出预兆种类越多，突出发生的时间越近；突出预兆越提前，越明显，突出强度就越大。因此，掌握突出预兆的种类及特征，对煤与瓦斯突出预测，防止突出造成人身伤亡事故，具有重要的现实意义。
4 结论
通过对桑树坪煤矿近6年来48次煤与瓦斯突出进行分析，可初步得出如下结论：
（1）桑树坪煤矿75％的煤与瓦斯突出为以地应力为主导的煤与瓦斯压出，突出强度一般＜100 t。
（2）各种巷道掘进中发生的煤与瓦斯突出强度大、频度高、危害严重；工作面采过程中发生的煤与瓦斯突出多为小型压出。
（3）放炮突出和炮后延期突出的强度和频度均较高，说明放炮既有诱导煤与瓦斯突出的作用，又有延缓煤与瓦斯突出的作用。
（4）褶曲构造、煤厚变化是影响煤与瓦斯突出的重要因素，但当采深超过400 m时静压力成为煤与瓦斯突出的重要影响因素。
（5）绝大多数煤与瓦斯突出发生之前有预兆出现，预兆的种类、特征与突出强度、突出时间密切相关。当有响煤炮、顶板来压、片帮掉碴及瓦斯异常等预兆中的2种以上同时出现时，发生突出的强度大。
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