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摘要：工作面区域预测较矿井或采区尺度上的预测可靠性更好，与矿井区域防突措施结合更紧密。基于某矿区主采煤层煤瓦斯地质特点，根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，建立了工作面区域突出预测指标及临界值，包括煤厚及变化率、距离小断层距离、瓦斯含量及瓦斯压力、喷孔等。
关键词：构造煤；煤与瓦斯突出；突出预测；预测指标与临界值
中图分类号： X752 文献标识码： A
1 引言
根据《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 34条：突出煤层区域预测的范围由煤矿企业根据突出矿井的开拓方式、巷道布置等情况划定。实际生产中一般分为矿井、采区和工作面三个尺度[1]，其中，矿井尺度上的区域预测已经在突出煤层普遍开展，采区尺度上的预测相对较少，工作面尺度上的预测更少。
目前，绝大多数矿井属于单一煤层开采，区域防突措施主要是工作面穿层钻孔或顺层钻孔预抽[2-3]，即主要是在工作面尺度上进行的。显然，这与区域预测的尺度是不一致的，突出预测的尺度大，可靠性低，而采取的区域防突措施尺度小，措施具体。
矿井、采区和工作面三个尺度上的区域预测处于生产的不同阶段，预测所依据的指标也具有不同的特点，依据生产实际合理选定不同的指标及临界值进行预测更具有针对性和科学性。突出区域预测所采用的地质指标如地质构造、煤层赋存等定性不定量，在实际应用中受到限制。以上问题表明，建立工作面区域突出预测指标及临界值是必要的。
2 矿区瓦斯地质条件
大量研究表明，矿区瓦斯地质条件具有显著的特殊性，主要表現在以下几个方面：
1．重力滑动构造普遍发育。已查明大小29个滑动构造，滑动面一般在煤层顶板附近或沿煤层顶板滑动，不仅使煤厚发生巨大变化，而且还形成构造顶板和局部构造应力集中等[4]。
2．主采煤层为全层构造煤。煤的坚固性系数 f值一般小于 0.2，瓦斯放散初速度 △P一般在15～20之间，是我国东北、华北、西北同一煤层少有的高类别构造煤全层分布区。
3．煤厚大，平均厚度约 5～8m，煤厚变化大，似鸡窝状，常在短距离内变厚或变薄。如矿区东部钻孔揭露煤厚平均变化率 0.37m/10m，生产中揭露则达到 1.1m/10m[5]。
4．瓦斯含量赋存极不均匀。埋深、构造、煤厚等地质因素对煤层瓦斯含量具有重要的控制作用，如断层两盘瓦斯含量一般较小，厚煤区瓦斯含量一般比较高等。 5. 煤层直接顶板一般为大占砂岩，少数情况下有伪顶或 1～2m厚的泥岩（直接顶）；煤层底板一般为 4m厚的泥岩，有时相变为砂质泥岩或粉砂岩；顶板产状相对稳定，底板起伏比较明显，并常常在向斜处形成厚煤区。
矿区特殊的瓦斯地质条件使得在本区开展区域瓦斯突出预测与防治也必然具有特殊性，机械地套用《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）的方法，必然给矿井防突工作造成损失。
3 采掘工作面区域突出预测指标及临界值
3.1区域突出预测的依据
煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及影响因素的认识。在对煤与瓦斯突出进行研究的一个多世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出了各种不同的预测方法，并广泛应用于生产实践。不过准确的预测、预报方法应建立在对突出机制充分认识的基础上，由于目前对突出机理的认识较少，从而对可靠预测、预报方法的建立带来困难。按照《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 43条，工作面区域预测方法与矿井或采区突出预测方法相同。
3.2掘进工作面突出区域预测指标及临界值
按照《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 49条，预测的范围主要限于煤巷条带宽 30m的采取区域防突措施的工作范围；预测的性质属于动态区域预测，即依据底抽巷所提供的工作条件，利用区域防突措施即穿层钻孔，根据瓦斯参数测试和瓦斯地质条件分析，在矿井或采区区域突出预测划定的突出危险区，进行更可靠的分段预测，将不具有区域突出危险的区段划分出来，减少不必要的穿层钻孔施工和预抽，缩短防突时间，节约防突费用，将有限的防突力量真正用到具有突出危险性区域的防突工作。
按照《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 43条，结合豫西瓦斯地质条件分析，突出预测可考虑煤层赋存、地质构造、瓦斯含量、突出规律四个因素，瓦斯风化带、△ P、f值、a、b值等突出参数可以不考虑。
（一）煤层赋存
主要指围岩和煤厚。围岩：底抽巷和穿层钻孔的施工主要控制煤层底板一定层段内岩性结构的变化，不能控制顶板，而围岩真正的变化以及对突出影响比较大的恰恰是顶板；另外，与其他因素相比，围岩是影响煤与瓦斯突出的次要因素。因此，围岩不宜作为准确判识指标。
煤厚：根据研究，豫西矿区煤厚变化主要是底板起伏引起的局部性变化，勘探钻孔和工作面上下顺槽揭露的煤厚难以控制区域上的变化，而底抽巷穿层钻孔对煤巷条带内的变化是可以控制的。另外，从小范围来说，构造、埋深、围岩、煤质等地质条件变化很小，可以认为是常量，那么，煤厚变化则成为控制突出的最重要的地质因素，可以作为突出危险性的判识指标。
根据矿区煤厚变化引起瓦斯含量增量的研究，煤层瓦斯含量总是随着煤厚增大而增大；瓦斯含量增量变化在 0.1177～1.1058m3/t·m，平均 0.6519 m3/t·m；相同埋深条件下厚煤层比薄煤层瓦斯含量大约增加 1.3m3/t；煤厚小于 2m时瓦斯含量一般在 5m3/t以下。
煤厚变化不仅引起瓦斯含量变化，而且也引起地应力的变化，特别是在煤厚急剧变化部位，往往引起煤与瓦斯突出。根据对新安煤田 14次突出分析，至少有 9次突出与煤厚剧烈变化有关（图 1），煤厚变化率 0.75-4.6m/10m，平均 1.74m/10m。
图1 某矿 14151工作面上下付巷瓦斯突出和异常涌出剖面图
综合分析，可以煤厚 2m、煤厚变化率 0.5m/10m作为突出判识指标临界值。
（二）地质构造
底抽巷在掘进中经常遇到的主要构造形式是小断层，落差一般小于 5m，小褶皱的发育通常与煤岩层倾角变化和煤厚变化相复合。因此，在底抽巷尺度上，影响煤与瓦斯突出的地质构造条件实际上主要是小断层。断层形成后，局部应力得到释放，出现类似于井下采掘工程引起的应力转移和应力集中的情况，即由于煤层顶底板强硬岩层的托板效应，使得靠近断层的岩层承担的上覆岩层的重力向远离断层方向转移，并出现应力集中。但瓦斯的逸散通道受上覆和下伏岩层限制，瓦斯含量改变幅度较小。因此，小断层实际上主要是通过控制局部地应力，进而起到控制煤与瓦斯突出的作用。
目前，断层对瓦斯含量和地应力、对煤与瓦斯突出的控制还限于定性研究阶段，也缺少足够的统计数据和控制机理分析，而且，其控制作用不仅与断层性质有关，还与断层规模、产状及两盘岩性结构等因素有关，其影响范围还难以给出确切的判断。根据淮南矿区谢一矿研究，在断层附近下列范围内视为有突出危险：
② 断层落差 H＜1m，距断层或尖灭端， 10m；
② 断层落差 1m＜H＜2m，距断层或尖灭端， 20m；
③ 断层落差 2m＜H＜5m，距断层或尖灭端， 30m；
④ 断层落差 5m＜H＜10m，距断层或尖灭端，50m；
⑤ 断层落差 10m＜H＜20m，距断层或尖灭端，100m。
（三）突出分布规律
依据突出分布规律对煤与瓦斯突出进行区域预测主要体现的是构造和埋深两大地质因素。构造的作用前已述及，而走向长壁开采条件下，埋深在底抽巷尺度上基本上是一个常量，因此，突出分布规律或埋深可以不作为煤巷条带的突出区域预测指标。
事实上，豫西矿区各突出矿井主要采用走向长壁法进行煤炭开采，很少采用倾斜长壁法，如果采用倾斜长壁法开采可另行分析，此不赘述。
按照《防治煤与瓦斯突出规定》读本（2009）的解释，在钻孔钻进过程中，明显的突出预兆直接反映了煤层的突出危险性，而喷孔最能反映突出预兆，因此，可将喷孔作为煤巷条带区域突出预测的一个直接指标。
（四）瓦斯压力或瓦斯含量
按照综合假说的观点，瓦斯含量或瓦斯压力是直接控制煤与瓦斯突出的三大因素之一，实际上，瓦斯含量也是反映煤与瓦斯突出的一个综合指标，在底抽巷掘进和穿层钻孔预抽煤层瓦斯过程中具有较好的测压和瓦斯含量测试条件，因此，瓦斯壓力或瓦斯含量可以作为煤巷条带的突出区域预测指标。根据豫西矿区瓦斯地质特点，瓦斯压力或瓦斯含量的临界值可定为 0.6MPa、8m3/t，与矿井或采区区域预测临界值相同[6]。
鉴于瓦斯含量在煤层中分布的不均匀性和取样的代表性难以控制，瓦斯含量取样应不少于 3个，最好每钻进 1m取 1个样。综上所述，在矿区特殊的瓦斯地质条件下，采用底抽巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施中，可以对煤巷条带进一步开展精细的区域突出预测，预测的主要指标包括煤厚及煤厚变化、小断层、瓦斯压力或瓦斯含量、喷孔等。预测指标的临界值应根据实际考察确定，在确定前可暂按表1预测。以上指标只要有一项满足表1的条件，即可最终确定为有突出危险性。
同理，对于石门揭煤工作面和采煤工作面也可以采用类似的分析方法和相应的指标及临界值进行预测（表 1）。
表 1矿区主采煤层区域突出预测判识指标及临界值
4 结论
（1）煤巷条带突出预测指标和临界值是突出预兆（喷孔）、小断层两盘距离（≤30m）、瓦斯含量（≥8 m3/t）、瓦斯压力（≥0.6MPa）、煤厚（≥2m）及煤厚变化率（ ≥0.5m/10m）；
（2）石门揭煤区域突出预测指标和临界值是突出预兆（喷孔）、小断层两盘距离（ ≤30m）、瓦斯含量（≥8 m3/t）、瓦斯压力（ ≥0.6MPa）；
（3）回采工作面突出预测指标和临界值是突出预兆（喷孔）、小断层两盘距离（≤30m）、瓦斯含量（≥8 m3/t）。
参考文献
[1] 张子敏, 张玉贵.三级瓦斯地质图与瓦斯治理 [J].煤炭学报， 2005,30（4）：455-458.
[2] 王平虎 .顺层定向长钻孔预抽瓦斯区域防突技术在特大型突出矿井中的应用 [J].矿业安全与环保， 2011,38（3）：36-39.
[3] 张明，杰滑俊杰，华敬涛 .单一煤层底板巷穿层钻孔预抽煤巷瓦斯条带区域防突技术 [J].煤矿安全 ,2011,42（6）：30-32.
[4] 刘传喜主编.华北板块南部豫西滑动构造研究 [M]..北京：煤炭工业出版社， 2008.
[5] 李中州.煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响 [J].煤炭科学技术， 2010,38（）：65-67.
[6] 翟华，张建甫，王恩营 .豫西“三软”不稳定厚煤层煤与瓦斯突出快速判识技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.
关键词：构造煤；煤与瓦斯突出；突出预测；预测指标与临界值
中图分类号： X752 文献标识码： A
1 引言
根据《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 34条：突出煤层区域预测的范围由煤矿企业根据突出矿井的开拓方式、巷道布置等情况划定。实际生产中一般分为矿井、采区和工作面三个尺度[1]，其中，矿井尺度上的区域预测已经在突出煤层普遍开展，采区尺度上的预测相对较少，工作面尺度上的预测更少。
目前，绝大多数矿井属于单一煤层开采，区域防突措施主要是工作面穿层钻孔或顺层钻孔预抽[2-3]，即主要是在工作面尺度上进行的。显然，这与区域预测的尺度是不一致的，突出预测的尺度大，可靠性低，而采取的区域防突措施尺度小，措施具体。
矿井、采区和工作面三个尺度上的区域预测处于生产的不同阶段，预测所依据的指标也具有不同的特点，依据生产实际合理选定不同的指标及临界值进行预测更具有针对性和科学性。突出区域预测所采用的地质指标如地质构造、煤层赋存等定性不定量，在实际应用中受到限制。以上问题表明，建立工作面区域突出预测指标及临界值是必要的。
2 矿区瓦斯地质条件
大量研究表明，矿区瓦斯地质条件具有显著的特殊性，主要表現在以下几个方面：
1．重力滑动构造普遍发育。已查明大小29个滑动构造，滑动面一般在煤层顶板附近或沿煤层顶板滑动，不仅使煤厚发生巨大变化，而且还形成构造顶板和局部构造应力集中等[4]。
2．主采煤层为全层构造煤。煤的坚固性系数 f值一般小于 0.2，瓦斯放散初速度 △P一般在15～20之间，是我国东北、华北、西北同一煤层少有的高类别构造煤全层分布区。
3．煤厚大，平均厚度约 5～8m，煤厚变化大，似鸡窝状，常在短距离内变厚或变薄。如矿区东部钻孔揭露煤厚平均变化率 0.37m/10m，生产中揭露则达到 1.1m/10m[5]。
4．瓦斯含量赋存极不均匀。埋深、构造、煤厚等地质因素对煤层瓦斯含量具有重要的控制作用，如断层两盘瓦斯含量一般较小，厚煤区瓦斯含量一般比较高等。 5. 煤层直接顶板一般为大占砂岩，少数情况下有伪顶或 1～2m厚的泥岩（直接顶）；煤层底板一般为 4m厚的泥岩，有时相变为砂质泥岩或粉砂岩；顶板产状相对稳定，底板起伏比较明显，并常常在向斜处形成厚煤区。
矿区特殊的瓦斯地质条件使得在本区开展区域瓦斯突出预测与防治也必然具有特殊性，机械地套用《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）的方法，必然给矿井防突工作造成损失。
3 采掘工作面区域突出预测指标及临界值
3.1区域突出预测的依据
煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及影响因素的认识。在对煤与瓦斯突出进行研究的一个多世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出了各种不同的预测方法，并广泛应用于生产实践。不过准确的预测、预报方法应建立在对突出机制充分认识的基础上，由于目前对突出机理的认识较少，从而对可靠预测、预报方法的建立带来困难。按照《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 43条，工作面区域预测方法与矿井或采区突出预测方法相同。
3.2掘进工作面突出区域预测指标及临界值
按照《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 49条，预测的范围主要限于煤巷条带宽 30m的采取区域防突措施的工作范围；预测的性质属于动态区域预测，即依据底抽巷所提供的工作条件，利用区域防突措施即穿层钻孔，根据瓦斯参数测试和瓦斯地质条件分析，在矿井或采区区域突出预测划定的突出危险区，进行更可靠的分段预测，将不具有区域突出危险的区段划分出来，减少不必要的穿层钻孔施工和预抽，缩短防突时间，节约防突费用，将有限的防突力量真正用到具有突出危险性区域的防突工作。
按照《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）第 43条，结合豫西瓦斯地质条件分析，突出预测可考虑煤层赋存、地质构造、瓦斯含量、突出规律四个因素，瓦斯风化带、△ P、f值、a、b值等突出参数可以不考虑。
（一）煤层赋存
主要指围岩和煤厚。围岩：底抽巷和穿层钻孔的施工主要控制煤层底板一定层段内岩性结构的变化，不能控制顶板，而围岩真正的变化以及对突出影响比较大的恰恰是顶板；另外，与其他因素相比，围岩是影响煤与瓦斯突出的次要因素。因此，围岩不宜作为准确判识指标。
煤厚：根据研究，豫西矿区煤厚变化主要是底板起伏引起的局部性变化，勘探钻孔和工作面上下顺槽揭露的煤厚难以控制区域上的变化，而底抽巷穿层钻孔对煤巷条带内的变化是可以控制的。另外，从小范围来说，构造、埋深、围岩、煤质等地质条件变化很小，可以认为是常量，那么，煤厚变化则成为控制突出的最重要的地质因素，可以作为突出危险性的判识指标。
根据矿区煤厚变化引起瓦斯含量增量的研究，煤层瓦斯含量总是随着煤厚增大而增大；瓦斯含量增量变化在 0.1177～1.1058m3/t·m，平均 0.6519 m3/t·m；相同埋深条件下厚煤层比薄煤层瓦斯含量大约增加 1.3m3/t；煤厚小于 2m时瓦斯含量一般在 5m3/t以下。
煤厚变化不仅引起瓦斯含量变化，而且也引起地应力的变化，特别是在煤厚急剧变化部位，往往引起煤与瓦斯突出。根据对新安煤田 14次突出分析，至少有 9次突出与煤厚剧烈变化有关（图 1），煤厚变化率 0.75-4.6m/10m，平均 1.74m/10m。
图1 某矿 14151工作面上下付巷瓦斯突出和异常涌出剖面图
综合分析，可以煤厚 2m、煤厚变化率 0.5m/10m作为突出判识指标临界值。
（二）地质构造
底抽巷在掘进中经常遇到的主要构造形式是小断层，落差一般小于 5m，小褶皱的发育通常与煤岩层倾角变化和煤厚变化相复合。因此，在底抽巷尺度上，影响煤与瓦斯突出的地质构造条件实际上主要是小断层。断层形成后，局部应力得到释放，出现类似于井下采掘工程引起的应力转移和应力集中的情况，即由于煤层顶底板强硬岩层的托板效应，使得靠近断层的岩层承担的上覆岩层的重力向远离断层方向转移，并出现应力集中。但瓦斯的逸散通道受上覆和下伏岩层限制，瓦斯含量改变幅度较小。因此，小断层实际上主要是通过控制局部地应力，进而起到控制煤与瓦斯突出的作用。
目前，断层对瓦斯含量和地应力、对煤与瓦斯突出的控制还限于定性研究阶段，也缺少足够的统计数据和控制机理分析，而且，其控制作用不仅与断层性质有关，还与断层规模、产状及两盘岩性结构等因素有关，其影响范围还难以给出确切的判断。根据淮南矿区谢一矿研究，在断层附近下列范围内视为有突出危险：
② 断层落差 H＜1m，距断层或尖灭端， 10m；
② 断层落差 1m＜H＜2m，距断层或尖灭端， 20m；
③ 断层落差 2m＜H＜5m，距断层或尖灭端， 30m；
④ 断层落差 5m＜H＜10m，距断层或尖灭端，50m；
⑤ 断层落差 10m＜H＜20m，距断层或尖灭端，100m。
（三）突出分布规律
依据突出分布规律对煤与瓦斯突出进行区域预测主要体现的是构造和埋深两大地质因素。构造的作用前已述及，而走向长壁开采条件下，埋深在底抽巷尺度上基本上是一个常量，因此，突出分布规律或埋深可以不作为煤巷条带的突出区域预测指标。
事实上，豫西矿区各突出矿井主要采用走向长壁法进行煤炭开采，很少采用倾斜长壁法，如果采用倾斜长壁法开采可另行分析，此不赘述。
按照《防治煤与瓦斯突出规定》读本（2009）的解释，在钻孔钻进过程中，明显的突出预兆直接反映了煤层的突出危险性，而喷孔最能反映突出预兆，因此，可将喷孔作为煤巷条带区域突出预测的一个直接指标。
（四）瓦斯压力或瓦斯含量
按照综合假说的观点，瓦斯含量或瓦斯压力是直接控制煤与瓦斯突出的三大因素之一，实际上，瓦斯含量也是反映煤与瓦斯突出的一个综合指标，在底抽巷掘进和穿层钻孔预抽煤层瓦斯过程中具有较好的测压和瓦斯含量测试条件，因此，瓦斯壓力或瓦斯含量可以作为煤巷条带的突出区域预测指标。根据豫西矿区瓦斯地质特点，瓦斯压力或瓦斯含量的临界值可定为 0.6MPa、8m3/t，与矿井或采区区域预测临界值相同[6]。
鉴于瓦斯含量在煤层中分布的不均匀性和取样的代表性难以控制，瓦斯含量取样应不少于 3个，最好每钻进 1m取 1个样。综上所述，在矿区特殊的瓦斯地质条件下，采用底抽巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施中，可以对煤巷条带进一步开展精细的区域突出预测，预测的主要指标包括煤厚及煤厚变化、小断层、瓦斯压力或瓦斯含量、喷孔等。预测指标的临界值应根据实际考察确定，在确定前可暂按表1预测。以上指标只要有一项满足表1的条件，即可最终确定为有突出危险性。
同理，对于石门揭煤工作面和采煤工作面也可以采用类似的分析方法和相应的指标及临界值进行预测（表 1）。
表 1矿区主采煤层区域突出预测判识指标及临界值
4 结论
（1）煤巷条带突出预测指标和临界值是突出预兆（喷孔）、小断层两盘距离（≤30m）、瓦斯含量（≥8 m3/t）、瓦斯压力（≥0.6MPa）、煤厚（≥2m）及煤厚变化率（ ≥0.5m/10m）；
（2）石门揭煤区域突出预测指标和临界值是突出预兆（喷孔）、小断层两盘距离（ ≤30m）、瓦斯含量（≥8 m3/t）、瓦斯压力（ ≥0.6MPa）；
（3）回采工作面突出预测指标和临界值是突出预兆（喷孔）、小断层两盘距离（≤30m）、瓦斯含量（≥8 m3/t）。
参考文献
[1] 张子敏, 张玉贵.三级瓦斯地质图与瓦斯治理 [J].煤炭学报， 2005,30（4）：455-458.
[2] 王平虎 .顺层定向长钻孔预抽瓦斯区域防突技术在特大型突出矿井中的应用 [J].矿业安全与环保， 2011,38（3）：36-39.
[3] 张明，杰滑俊杰，华敬涛 .单一煤层底板巷穿层钻孔预抽煤巷瓦斯条带区域防突技术 [J].煤矿安全 ,2011,42（6）：30-32.
[4] 刘传喜主编.华北板块南部豫西滑动构造研究 [M]..北京：煤炭工业出版社， 2008.
[5] 李中州.煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响 [J].煤炭科学技术， 2010,38（）：65-67.
[6] 翟华，张建甫，王恩营 .豫西“三软”不稳定厚煤层煤与瓦斯突出快速判识技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.