煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.06.001 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2002 煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用 郭德勇)韩德馨)王新义) 1)中国矿业大学北京校区，北京1000832)平顶山煤业集团公司，平顶山467000 摘要将构造物理学的理论和方法应用于煤与瓦斯突出预测中，对地质构造控制煤与瓦斯 突出机理及分布规律进行了研究，指出煤与瓦斯突出构造物理环境由构造组合特征、构造应力 场、构造煤和煤层瓦斯四因素组成，探讨了煤与瓦斯突出构造物理环境各种因素控制突出的机 理，提出了煤与瓦斯突出构造物理环境多种因素的综合作用控制地质构造带煤与瓦斯突出，为 地质构造突出危险性判定提供了理论依据.工程实践证明，利用煤与瓦斯突出构造物理环境可 以对煤与瓦斯突出进行准确地预测， 关键词煤与瓦斯突出；构造物理环境；突出预测 分类号TD713.2 煤和瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的 的划分（图1）.如何区分突出构造与非突出构造 地质灾害.国外对瓦斯地质研究四表明：突出分 及突出构造的突出段与非突出段，是利用构造 布的不均匀性受地质条件控制，突出点主要发 指标进行突出预测的关键 生在断层处，我国通过对瓦斯突出分布规律的 非突出构造 研究，提出了瓦斯地质区划论，地质构造是煤 地质构造 非突出段 与瓦斯突出预测的重要地质指标.能否防治煤 突出构造 和瓦斯突出在很大程度上取决于突出预测的准 突出段 确性和可靠性，提高预测指标的准确性是突出 预测研究的目标.目前对地质构造指标的研究 图1瓦斯突出地质构造类型 取得了重要进展，但是发生煤与瓦斯突出的 Fig.1 Types of outburst-prone tectonic 地质构造只占少数（少于10%），对地质构造突出 煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯和煤体 危险性划分，以及区分突出构造和非突出构造 结构物理性质共同作用的结果.根据构造物理 仍然是瓦斯突出预测研究的前沿课题”，也是瓦 学理论，不同的地质构造及地质构造的不同部 斯防治急需解决的实际问题 位具有不同的构造物理环境.对地质构造控制 煤与瓦斯突出机理及其分布规律的综合研究认 1煤与瓦斯突出的构造物理环境 为，地质构造通过构造物理环境控制煤与瓦斯 煤与瓦斯突出大多数发生在小型地质构造 突出的发生与分布，煤与瓦斯突出构造物理环 附近，大规模的地质构造对突出分布有控制作 境由四方面的因素组成： 用.但是发生突出的地质构造只占极少数，地质 (1)构造组合.包括构造的形式、规模、成因 构造与突出不是对应关系，即使是控制突出分 和力学性质. 布的地质构造在不同的构造段突出危险性也不 (2)构造介质.包括构造煤的破坏程度和发 同.对煤与瓦斯突出预测构造指标的进一步研 育规模及煤层、围岩性质 究要求对地质构造进行突出构造及构造突出段 (3)构造应力场.包括构造应力场的特征及 演化规律，有古构造应力和现代构造应力， (4)构造带瓦斯.包括瓦斯压力、含量以及流 收稿日期20020606 郭德勇男，36岁，副散授，博士 *国家自然科学基金(No.C40002010)和救育部博土点基金 动性 (No.9229008)资助项目 不同构造及不同构造段构造物理环境各因

第 24 卷 第 6期 20 0 2 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e r s yit o f S e i e n e e a n d Te c h o o of yg B e ij i n g 从 , L 2 4 N 0 . 6 D e e 。 2 0 0 2 煤与瓦斯突 出的构造物理环境及其应用 郭德勇 ` , 韩德 馨 ” 王 新义 ” l ) 中国矿业大学北京校 区 , 北京 1 0 00 83 2 ) 平顶ilJ 煤业集团公司 , 平顶山 4 6 7 0 0 0 摘 要 将构造 物理学 的理论和方法 应用 于煤与瓦斯突 出预测 中 , 对 地质构造控制煤与瓦斯 突出机理及分布规律进行 了研究 , 指 出煤与瓦斯突出构造物 理环境 由构造组合特征 、 构造应力 场 、 构造煤和煤层 瓦斯 四因素组成 , 探讨了煤与瓦斯 突出构造 物理环境各种 因素控制突出的机 理 , 提出了煤与瓦斯突 出构造 物理环境多种 因素的综合作用 控制地 质构造带煤与瓦斯 突出 , 为 地质构 造突 出危险性判定 提供 了理论依据 . 工程 实践证 明 ,利用煤 与瓦斯突 出构造物理环 境可 以对煤 与 瓦斯突 出进 行准 确地预测 . 关键 词 煤与瓦斯突出 ; 构造物理环境 ; 突 出预测 分类 号 T D 71 犷 2 煤 和瓦斯突 出是严重威胁煤矿安全生产的 地质灾害 . 国外对瓦 斯地质研究 「l] 表 明 : 突出分 布 的不均匀性受地质条件 控制 , 突出点主要发 生在断层处 . 我国通 过对瓦 斯突出分布规律的 研究 `, ,3] , 提出了瓦斯地质 区划论 , 地质构造是煤 与瓦斯 突出预测 的重要地 质指标 . 能否防治煤 和瓦斯突 出在很大程度上取决于突出预测 的准 确性 和 可靠性 , 提高预测指标 的准确性是突 出 预测研 究的 目标 . 目前对地质构造指标 的研究 取得了 重要进展附 l , 但是发生煤与瓦斯突 出的 地质构造只 占少数 (少于 1 0% ) , 对地质构造突出 危险性划分 , 以及 区分 突出构造 和非 突出构造 仍然是 瓦斯突出预测研究的前沿课题 l7] , 也是瓦 斯 防治急需解决 的实 际问题 . 的划分 (图 1) . 如何 区分突出构造 与非突 出构造 及 突出构造 的突出段与非 突出段 , 是利用构造 指标进 行突出预测 的关键 . 非突出构造 地质构造 非突出段 突出构造 图 1 瓦斯 突出地质构 造类 型 F婚 1 介 p e s o f o u ht u sr -t P or n e t e c ot n i c 1 煤与瓦斯突 出的构造物理环境 煤与瓦斯突出大多数发生在小型地质构造 附近 , 大规模 的地质构造对突 出分布有控制作 用 . 但是发生 突出的地质构造只 占极少数 , 地质 构造与突 出不是对应关系 , 即使是控制突 出分 布的地质构造在不 同的构造段突出危险性 也不 同 . 对煤 与瓦斯 突出预测构造指标 的进一步研 究要求对地质构造进行突出构造及构造突出段 收稿 日期 2 0 2-() 6 一 0 6 郭德勇 男 , 36 岁 , 副教授 , 博士 * 国家 自然科学基金 ( N O . 4C 00 0 2 0 10) 和教育部博士 点基金 ( No . 92 2 9 0 0 8 )资助项 目 煤与瓦 斯突出是地应力 、 煤层 瓦斯 和煤体 结构物理性质共 同作用 的结果 . 根据构 造物理 学理论 8I] , 不 同的地质构造及地质构造 的不同部 位具有不 同的构造物理环境 . 对地质 构造控制 煤与瓦斯突出机理及其分布规律的综合研究认 为 , 地质构造通过构造物理环境控制煤与瓦斯 突出的发生 与分布 , 煤与瓦斯突 出构造物理环 境 由四 方面的因素组成 : l( )构造组合 . 包括构造 的形式 、 规模 、 成因 和 力学性质 . (2 )构造介质 . 包括构造煤 的破坏程度和发 育规模及煤层 、 围岩性质 . (3 )构造应力场 . 包括构造应力场 的特征及 演化规律 , 有古构造应力和 现代构 造应力 , (4 )构造带瓦斯 . 包括瓦斯压力 、 含量以及流 动性 . 不 同构造及不 同构造段 构造物理环境各因 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 06. 001

·582 北京科技大学学报 2002年第6期 素不同，几种因素的叠加形成一定的煤与瓦斯 上盘煤层破坏严重，形成了煤与瓦斯突出的地 突出构造物理环境，地质构造带发生瓦斯突出 质条件 是几种因素共同作用的结果，当几种因素对突 由几条断层形成地垒型、阶梯状或断层相 出的作用达到一定程度时即发生瓦斯突出.因 交的构造组合，在断层的公共盘，由于断层挤压 此，一定条件的构造物理环境是发生突出的前 和揉搓，煤体结构破坏严重，而且断层面为压性 提，寻找不同因素量的临界值并对地质构造进 结构面，中间煤层结构破碎，瓦斯压力高，为煤 行划分，是利用构造指标预测及判定构造突出 与瓦斯突出提供了必要条件.四川南桐鱼田堡 危险性的技术途径 矿的F2断层带是一组斜列状断层，在断层带发 生了100余次突出.因此，断层构造组合形式成 2对瓦斯突出的作用机理 为瓦斯突出的地质标志 2.2构造煤及煤体结构特征 2.1构造组合特征 构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件，构造 在褶皱不同构造部位有不同的突出危险 煤与瓦斯组成煤与瓦斯突出煤体，不同类型构 性，背斜中和面之上的煤层与向斜中和面之下 造煤具有不同的突出危险性 煤层及围岩的变形特征是相似的.由于煤层和 (1)构造煤强度低.随构造煤破坏程度的增 围岩受到张应力，煤层及围岩破坏后形成张裂 加，煤体强度降低，表现为普氏强度系数f值逐 隙为主，提高了煤层及围岩的透气性，有利于煤 渐减少，不同类型构造煤的∫值主要分布区间 层内瓦斯逸散，瓦斯压力和瓦斯含量趋于降低. 背斜中和面以下与向斜中和面之上煤层有相似 不同.平顶山矿区统计资料（表）表明：原生结 构煤98.5%的测试值≥0.3；碎裂煤70%的测试 的构造变形特征，受到以压应力为主的构造应 力作用，煤层和围岩中的裂隙以压性为主，降低 值≥0.3,24%的测试值在0.2~0.3之间；碎粒煤 了煤层及围岩的透气性，有利于煤层瓦斯含量 有91.2%的测试值≤0.2；糜棱煤有95.3%的测试 值≤02，不同结构类型的煤有相应的强度值. 和瓦斯压力的升高.褶皱构造轴部及转折端在 埋藏条件好时，对煤层瓦斯有良好的保存作用. 表1平顶山矿区煤体结构与瓦斯参数 平顶山五矿己6，煤层22200机巷发生两次突 Table 1 Coal structures and gas parameters in Pingding- 出，位于锅底山断层的次级背斜轴部. shan mining area 断层与褶皱构造叠加，反映了两种构造的 煤矿煤层煤体结构类型煤样数 f AP 伴生关系或煤层受到多期构造作用，构造煤发 I,Ⅱ 30>0.2 <5.5 十二矿己组 育，同时由于煤层流变，煤厚变化较大，造成局 Ⅲ，V 30≤0.2 ≥5.5 I,B 40>0.3 <10 部构造煤全层发育，使煤层围岩破坏程度增加， 八矿 己组 Ⅲ，V 40 ≤0.3≥10 裂隙发育，构造应力相对集中，形成煤与瓦斯突 出危险区.河南安阳龙山矿的龙山向斜与F301 (2)构造煤瓦斯放散速度快.煤样放散瓦斯 断层带相交区域发生煤与瓦斯突出30余次. 快慢的程度用△P值来表示，其大小与煤的微孔 断层构造带突出次数更多.由于不同断层、 隙结构、孔隙表面性质和孔隙大小有关，随构造 不同断盘及不同区段断层的应力场不同，具有 煤破坏类型的增高△P值也增加.平顶山矿区不 不同的变形特征，对瓦斯有不同的封闭条件，规 同类型构造煤的△P值测试结果表明，原生结构 模不同的断层对瓦斯的储集能力也不同，规模 煤有93%的△P<10,碎裂煤只有48.3%的△P 大、断层带宽而且出露地表的断层是瓦斯释放 ≥10，碎粒煤有91%的△P≥10，糜棱煤有93%的 的良好通道，相对较小规模的压扭性隐伏断层 △P≥10.碎粒煤和糜棱煤的瓦斯放散指数△P值 则是瓦斯聚集的有利场所.一些正断层的上盘 主要在不小于10的范围. 由于受到挤压作用为主的构造变形，煤层破坏 (3)构造煤的瓦斯突出预测指标值高.在实 严重，上盘煤层中构造煤发育程度高于下盘，地 际应用中更多的是选用突出倾向性的综合指标 应力集中，煤层瓦斯含量和压力都较大，因而是 K值来预测煤和瓦斯突出.平顶山矿区不同类型 发生突出的危险区.平顶山八矿和十二矿的突 煤体结构K值的统计结果表明：随构造煤结构 出主要发生在正断层上盘，原因就在于正断层 破坏程度增加K值升高，原生结构煤100%的测

北 京 科 技 素不 同 , 几种因素的叠加形成一定的煤与瓦 斯 突出构造物理环境 , 地 质构造带发生瓦斯突 出 是几种 因素共 同作用 的结果 , 当几种 因素对突 出的作用达到一定程度 时即发生 瓦斯 突出 . 因 此 , 一定条件的构造物理环境是发生突 出的前 提 , 寻找不同因素量 的临界值并对地质构造进 行划分 , 是利用构造指标预测及判定构造突 出 危 险性 的技术途径 . 2 对瓦斯突出的作用机理 .2 1 构造组合特征 在 褶皱 不 同构造 部位 有 不 同的 突 出危 险 性 , 背斜 中和面之上的煤层与 向斜 中和面之下 煤层及围岩的变形特征是相似的 . 由于 煤层和 围岩受到张应力 , 煤层及 围岩破坏后形成张裂 隙为主 , 提高了煤层及围岩 的透气性 , 有利于 煤 层 内瓦斯逸散 , 瓦 斯压力和 瓦斯含量趋于 降低 . 背斜中和面 以下 与向斜 中和 面之上 煤层有相似 的构造变形 特征 , 受到 以压应力为主 的构造应 力作用 , 煤层和 围岩中的裂隙以压性为主 , 降低 了 煤层及围岩的透气性 , 有利于 煤层瓦斯含量 和 瓦斯 压力的升高 . 褶皱构造轴部及转折端在 埋藏条件好 时 , 对煤层瓦 斯有 良好的保存作用 . 平顶 山五矿 己 , -61 7 煤层 2 2 2 0 机巷发 生两次突 出 , 位 于锅底 山断层 的次级背斜轴部 . 断层与褶皱构造叠加 , 反映 了两种构造 的 伴生关 系或煤层受 到多期 构造作用 , 构造煤发 育 . 同时由于煤层流变 , 煤厚变化较大 , 造成局 部构造煤全层发育 , 使煤层 围岩破坏程度增加 , 裂隙发育 , 构造应力相对集 中 , 形成煤与瓦斯突 出危险区 . 河南安 阳龙 山矿 的龙 山 向斜 与 F 3 01 断层带相交区 域发生煤与瓦 斯突 出 30 余次 . 断层构造带突出次数更多 , 由于不同断层 、 不 同断盘及不同区 段断层 的应力场不 同 , 具有 不 同的变形特征 , 对瓦斯有不同的封 闭条件 , 规 模不 同的断层对瓦斯 的储集能力也不 同 , 规模 大 、 断层带宽而且 出露地表 的断层是瓦 斯释放 的 良好通道 , 相对较小规模 的压扭性 隐伏断层 则是瓦 斯聚集的有利场所 . 一些正断层 的上盘 由于受到挤压作用 为 主 的构造变形 , 煤层破坏 严重 , 上盘煤层 中构造煤发育程度高 于下盘 , 地 应力集 中 , 煤层瓦斯含量和压力都较 大 , 因而是 发生突出的危 险区 . 平顶 山八矿 和十二矿 的突 出主 要发生在正断层上盘 , 原 因就在 于正 断层 大 学 学 报 2 0 0 2 年 第 ` 期 上盘煤层破坏严重 , 形成 了煤与瓦斯 突出的地 质条件 . 由几条 断层形成地 垒型 、 阶梯状或断层相 交的构造组合 , 在断层的公共盘 , 由于断层挤压 和揉搓 , 煤体结构破坏严重 , 而且断层面为压性 结构面 , 中间煤层结构破 碎 , 瓦斯压力高 , 为煤 与瓦斯突 出提供 了 必要 条件 . 四川南桐鱼 田堡 矿的 F Z 断层带是一组斜列状断层 , 在断层 带发 生了 10 0 余次突 出 . 因此 , 断层构造组合形式成 为瓦斯 突出的地质 标志 . .2 2 构造煤及煤体结构特征 构造煤是煤与瓦 斯突出的必要 条件 , 构造 煤 与瓦斯组 成煤与 瓦斯突 出煤体 , 不 同类 型 构 造煤具有不 同的突 出危险性 . ( l) 构造煤强度 低 . 随构造煤破坏程度 的增 加 , 煤体强度降低 , 表现 为普 氏强度系数 f 值逐 渐减少 , 不同类 型 构造煤 的 f 值主 要分 布区 间 不同 . 平顶山 矿区统 计资料 (表 l) 表 明: 原生结 构煤 98 . 5 % 的测试值 ) .0 3 ; 碎裂煤 70 % 的测试 值 ) .0 3 , 24 % 的测试值在 .0 2一 .0 3 之间 ; 碎粒煤 有 91 . 2% 的测试值 〔 .0 2 ;糜棱煤有 95 .3 % 的测试 值 ` .0 2 , 不 同结构类型 的煤有相应 的强度值 . aT b l ! 日h 皿n 表 1 平顶 山矿区 煤体 结构 与瓦斯参数 C o a l s t r u e ot esr a o d g a s P a r a m e et sr in P i . g d i . -g m 皿nI g a r e . 煤矿 煤层 煤体结构类型 煤样数 f 护 扔.5< 2 十二矿 己组 钊>.0 八矿 己组 I , 1 1 , W I , 1 1 , W > 0 . 3 < 10 毛 0 . 3 ) 1 0 一40304 (2 )构造煤瓦斯放散 速度快 . 煤样放散瓦斯 快慢的程度用夕值来表示 , 其 大小 与煤 的微孔 隙结构 、 孔隙表面性质和孔隙大小有关 , 随构造 煤破坏类型 的增高 AP 值也增加 . 平顶 山矿 区不 同类型 构造煤 的△尸值测试结 果表明 , 原生结构 煤有 93 % 的AP < 10 , 碎裂 煤只 有 48 3 % 的AP 妻 10 , 碎粒煤有 91 % 的AP ) 1 0 , 糜棱煤有 93 % 的 夕) 10 . 碎粒煤和 糜棱煤 的瓦斯放散指数夕值 主 要在不 小于 10 的范 围 . (3 )构造煤 的瓦 斯突 出预测指标值高 . 在实 际应用 中更多的是选用 突 出倾 向性 的综合指标 犬值来预测煤和瓦斯 突出 . 平顶 山矿区不 同类型 煤体结 构K值 的统计 结果表 明: 随构造 煤结构 破坏程度增加犬 值升高 , 原生结 构煤 10 % 的测

Vol.24 郭德勇等：煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用 ·583· 试结果K<30;碎裂煤也是以K<30为主，占 相对集中造成突出危险区，受构造应力控制煤 58.6%;碎粒煤K>30的有98%；糜棱煤100%的 与瓦斯突出类型以压出为主 测试结果K≥50.K值的分布更具有规律性 表2平顶山八矿地应力测量结果 2.3构造应力场 Table 2 Ground stress data of No.8 Colliery in Pingding- 构造应力是构造带发生瓦斯突出能量的重 shan 要组成部分，构造应力在突出中起重要作用.在 矿区 戊组大巷 丁四石门 12270机巷 逆掩断层中，尽管断层水平移距和垂直断距都 垂深/m 547.5 545 795 很小，在断层带中却发生了多次突出，而且突出 主应力MPa 21.32 18.14 19.93 强度大，相对于正断层带的突出其破坏性更强. 在逆掩断层的底部煤层及岩石受到了强烈的挤 2.4构造带瓦斯 煤层瓦斯含量不仅决定着发生瓦斯突出的 压和揉搓，构造变形强烈而且地应力高.构造应 难易程度，而且还影响瓦斯突出强度，地质构造 力分古构造应力和现代构造应力，二者在瓦斯 是控制煤层瓦斯赋存及含量最重要的地质条件 突出中发挥着不同的作用.古构造应力的主要 之一，煤层中的构造裂隙既是煤层瓦斯储集的 作用在于形成了构造和构造煤，有利于煤层瓦 空间，也是煤层瓦斯涌出的通道.煤层构造裂隙 斯的赋存，由于构造应力作用，煤的变质程度增 有良好的连通性，在采掘工程揭露煤层时，煤层 高，有利于煤中烷烃的生成.现代构造应力在古 中的瓦斯将顺裂隙通道涌出.构造作用造成煤 构造应力作用的基础上，为煤与瓦斯突出的发 层瓦斯含量不均匀分布的原因不仅是构造裂 生提供了主要的能量，有时可能改变突出发生 隙，还有构造形态和规模造成煤层埋深变化、煤 的条件和突出危险性. 层厚度变化、煤体结构类型变化、构造应力作用 平顶山八矿位于矿区构造李口向斜的轴 等方式使煤层瓦斯含量分布发生变化. 部，是矿区煤与瓦斯突出最严重的矿井.对矿井 根据构造对瓦斯赋存的作用，将地质构造 现代地应力的测试表明（表2），矿井现代地应力 分为封闭型和开放型构造.在封闭型构造带，瓦 受构造应力场控制，水平应力是最大应力，主应 斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、瓦斯涌出 力方向与构造应力方向一致，地应力由岩层自 量随距断层带的接近其数值均增加，在开放断 重应力和构造应力组成.顺层断层沿层面的相 层带则相反（表3）.背斜构造轴部由于煤层顶板 对滑动使煤层结构遭到破坏，构造应力在局部 表3地质构造带（接近断层带）瓦斯参数 Table 3 Gas parameters in the tectonic zone 煤矿 位置 距断层面距离/m 瓦斯放散初速度△P采面瓦斯涌出量/(m3·min-)瓦斯含量/(mt) 80.0 3.2 8.78 平顶山八矿辛店断层 50.0 8.3 11.23 25.0 12.0 16.69 70.0 1.30 1.68 邢台矿 F断层 30.0 1.25 0.59 15.0 1.00 0.47 张裂隙发育，瓦斯将沿裂隙向地表运移，使煤层 3瓦斯突出预测实践 瓦斯扩散形成瓦斯含量低值区；向斜构造轴部 煤层底板张裂隙发育，瓦斯沿煤层运移在向斜 3.1瓦斯地质条件 轴部聚积形成瓦斯含量高值区，瓦斯含量等值 平顶山八矿是目前平顶山煤业集团公司煤 线呈闭合状.断层上、下盘受力作用岩层破碎程 与瓦斯突出最严重的刊矿井，矿井地质构造复杂， 度往往不一样，其中一盘破坏严重会形成更多 己组煤层瓦斯含量高，具有严重的煤与瓦斯突 的裂隙，另一盘裂隙相对不发育，瓦斯在两盘的 出危险性（表4），迄今发生煤与瓦斯突出33次. 相对富集程度就不一样，导致煤层瓦斯含量等 己1s-13190采面标高-463~-507m,煤层埋藏 值线的不连续. 深度为539-583m,煤层平均倾角15°，煤层厚度

郭德勇等 : 煤与 瓦斯突 出的构造物 理环境及 其应用 试结 果K < 30 ; 碎裂 煤也 是 以 K < 30 为主 , 占 58 . 6% ; 碎粒煤K > 30 的有 98 % ; 糜棱煤 10 % 的 测试结果K 妻 50 . 尤值 的分布更具有规律性 . 2 .3 构造应 力场 构造应力是构造带发生瓦斯 突出能量的重 要组成部分 , 构造应力在突 出中起重要作用 . 在 逆掩断层 中 , 尽管断层水 平移距和垂直断距都 很小 , 在断层带 中却发生 了多次 突出 , 而且突出 强度大 , 相对于正断层带 的突出其破坏性更强 . 在逆掩断层的底部煤层及岩石受到了强烈的挤 压和揉搓 , 构造变形强烈而且地应力高 . 构造应 力分古构造应力和现代构造应力 , 二者在瓦斯 突 出中发挥着不同的作用 . 古构造应力的主要 作用在于 形成了 构造 和 构造煤 , 有利于煤层 瓦 斯的 赋存 , 由于构造应力作用 , 煤的变质程度增 高 , 有利于煤 中烷烃的生成 . 现代构造应力在古 构造应力作用 的基础上 , 为煤与瓦斯 突出的发 生提供 了 主要 的能量 , 有时可 能改变突出发生 的条件和突出危 险性 . 平 顶 山 八矿 位 于 矿 区 构造 李 口 向斜 的轴 部 , 是矿区煤与 瓦斯突出最严重的矿井 . 对矿井 现代地应力 的测试表明(表 2) , 矿井现代地应力 受构造应力场控制 , 水平应力是最大应力 , 主应 力方 向与构造应 力方 向一致 , 地应力 由岩层 自 重应力和 构造应 力组 成 . 顺层断层沿层面 的相 对滑动使煤层结 构遭 到破坏 , 构造应力在局部 相对集 中造成突 出危险 区 , 受 构造应力控制煤 与瓦斯 突出类型 以压 出为主 . 表 2 平顶 山八矿地应 力测且 结果 aT b l e 2 G or u n d s t er s s d a at o f N o . 8 C o山e yr i n P i n gd i n g - S h a n 矿区 戊组大巷 丁四石 门 1 2 2 70 机巷 垂深 m/ 5 4 7 . 5 5 4 5 7 9 5 主应力 / M Pa 2 1 . 3 2 1 8 . 14 1 9 . 9 3 .2 4 构造带瓦斯 煤层 瓦斯含量不仅决定着发生瓦 斯突出的 难易程度 , 而且还影响瓦斯突 出强度 . 地质构造 是控制煤层瓦 斯赋存及含量最重要 的地质条件 之一 煤层 中的构造裂 隙既是煤层 瓦斯储集 的 空 间 , 也是煤层瓦斯涌 出 的通道 . 煤层构造裂 隙 有 良好的连通性 , 在采掘工程揭露煤层 时 , 煤层 中的瓦斯将顺裂隙通道涌 出 . 构造作用造成煤 层 瓦 斯含 量不均 匀分 布 的原 因不 仅是构 造裂 隙 , 还有构造形态和 规模造成煤层埋深变化 、 煤 层厚度变化 、 煤体结构类 型变化 、 构造应力作用 等方式使煤层瓦斯含量分布发生 变化 . 根据构造对瓦 斯赋存的作用 , 将地质构造 分为封闭型 和 开放型构造 . 在封 闭型 构造带 , 瓦 斯含量 、 瓦斯压力 、 瓦斯放散初速度 、 瓦斯涌 出 量 随距断层带 的接 近其数值均增加 , 在开放 断 层带则相反 (表 3 ) . 背斜构造轴部 由于 煤层顶板 表 3 地质构 造带 (接近断 层带 )瓦斯参数 aT b le 3 G a s P a r a m d e r s in t h e t e c t o n ic z o n e 煤 矿 位置 距断层面距离m/ 瓦斯放散初速度护 采面瓦斯涌出量(/ m , · m in 一 1 ) 瓦斯含量 (/ m , 一今 80 . 0 3 . 2 8 . 7 8 一 平顶 山八矿 辛店断层 50 .0 .8 3 1 . 23 一 2 5 . 0 12 . 0 1 6 . 6 9 一 7 0 . 0 1 . 3 0 一 1 . 6 8 0 . 5 9 0 . 4 7 叹J 邢台矿 F o 20 O . , 断层 3 0 l 5 张裂隙发育 , 瓦斯将沿裂隙向地表运移 , 使煤层 瓦斯扩散形成瓦 斯含量低值 区 ; 向斜构造轴部 煤层底板张裂 隙发育 , 瓦斯沿煤层运 移在 向斜 轴部 聚积形成瓦 斯含量高值 区 , 瓦斯含量等值 线呈 闭合状 . 断层上 、 下盘受力作 用岩层破碎程 度 往往不一 样 , 其 中一 盘破坏严 重会形成更多 的裂 隙 , 另一盘裂隙相对不发育 , 瓦斯在两盘的 相对富集程度就不一样 , 导致煤层 瓦斯含量等 值线的 不 连续 . 3 瓦斯突 出预测实践 3 . 1 瓦斯地质条件 平顶 山八矿是 目前平顶 山煤业集 团公司煤 与瓦斯突 出最严重 的矿井 , 矿井地质构造复杂 , 己 组煤层瓦斯 含量 高 , 具有严重的煤与瓦 斯突 出危险性(表 4) , 迄今发生煤 与瓦斯 突出 3 次 . 己 , 5一 1 3 19 0 采面 标高 一 4 6 3一5 0 7 m , 煤层埋 藏 深度为 53 9一 58 3 m , 煤层平均倾角 150 , 煤层厚度

584 北京科技大学学报 2002年第6期 表4平顶山八矿己组煤层瓦斯参数 33预测效果检验 Table 4 Gas parameters of coal seam F15 in No.8 Colliery 己6-13190采面（图2）1998年12月4日在 of Pingdingshan 机巷掘进207.7m时发生了一次瓦斯突出，突出 地点 垂深/m压力MPa瓦斯含量/(m'.t 煤量132t,瓦斯14049m3;1999年1月25日当 14081风巷 495 0.70 11.10 机巷掘进到268.2m时又发生了一次瓦斯突出， 14081机巷 537 16.90 突出煤量215t,瓦斯6766m,两次瓦斯突出距 己三皮带下山 525 1.19 己三皮带下山 625 1.89 一 离在70m以内.在突出预测基础上，采取了有 己三扩大 605 1.15 15.28 效的瓦斯防治措施和安全防护措施，没有造成 13170机巷 545 13.58 人员伤亡，开采实践证明，煤与瓦斯突出构造物 理环境成功地预测了两次煤与瓦斯突出 2.6-3.2m,采面位于矿井的中部偏东，制约综采 的首要问题是矿井瓦斯，对瓦斯突出准确预测 4结论 是瓦斯防治的关键 (1)煤与瓦斯突出的构造物理环境由地质构 3.2构造物理环境方法预测瓦斯突出 影响矿井采面的主要地质构造是辛店断 造组合、构造应力场、构造煤和构造带瓦斯四因 层，辛店断层在上部采面己5-13170尖灭，己5 素组成，地质构造带通过这四种因素对瓦斯突 -13170采面曾发生煤与瓦斯突出8次.己5- 出发生控制作用，不同因素在煤与瓦斯突出发 生中具有不同的作用机理和作用方式 13190采面属于辛店断层尖灭端的构造变形区 域，辛店断层由落差30m的正断层变为一组断 (2)煤与瓦斯突出构造物理环境四因素是一 层，次级构造发育，煤层破坏严重；采面煤层瓦 种综合的地质指标，通过对构造物理环境因素 斯含量为15~17mt,瓦斯压力1.4MPa,掘进过 的研究可以判定突出构造与非突出构造、构造 程中瓦斯涌出量大，最高达3.6mt,曾发生几期 的突出段和非突出段，对构造物理环境因素的 瓦斯动力现象；构造煤较发育，在正常地段Ⅲ，V 研究可以提高瓦斯突出预测地质构造指标的敏 类构造煤只有0.2~0.4m厚，受辛店断层影响， 感性 Ⅲ，V类构造煤厚度增加，平均为0.8m,局部达 (3)煤与瓦斯突出构造物理学研究为瓦斯灾 到1.5m以上，形成构造煤发育带，构造煤条带 害防治开劈了新的研究途径.通过对构造物理 顺辛店断层延展方向分布；巷道掘进过程中发 环境研究来判定构造突出危险性，提高了构造 生多期冒顶和片帮事故，巷道支护困难，在锚网 指标在突出预测中的可靠性，为煤与瓦斯突出 支护的基础上又增加了工字钢支护，局部构造 的点预报及突出强度预测提供了理论和方法 应力大. 参考文献 根据煤与瓦斯突出的构造物理环境，煤与 1 Shepherd J.Outbursts and geological structures in coal mi- 瓦斯突出是地质构造条件、煤层瓦斯条件、构造 nes [J].Int J Rock Mech Min Sci Geomech.1981,18 煤发育程度、构造应力条件综合作用的结果.因 (4):267 此预测在辛店断层的延伸方向，受构造影响形 2焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论M幻 成了煤与瓦斯突出危险区（图2），随时有发生煤 北京：煤炭工业出版社，1990 与瓦斯突出的可能性，突出带位于采面的西北 3彭立世.煤与瓦斯突出预测地质指标们.瓦斯地质， 1985(1):53 角，为构造煤增厚区，宽度约300m. 4袁崇孚，张子戌.褶皱变形系数的探讨及其应用) 煤炭学报，1992,17(3)：8 5黄德生，地质构造控制煤与瓦斯突出的探讨).地 质科学，1992（增刊）：201 6郭德勇.煤和瓦斯突出构造物理学研究D]北京：中 国矿业大学北京校区，1996.87 瓦斯含量点©瓦斯突出点。钻孔点 突出区域边界、一断层 7郭德勇，韩德馨地质构造控制煤与瓦斯突出作用类 图2平顶山八矿己s一13190采面瓦斯突出分布 型研究[).煤炭学报，1998,23(4)：337 Fig.2 Distribution of gas outburst sites on 13190 face of 8马瑾.构造物理学概论M0.北京：地震出版社，1987 the coal seam F15 in No.8 Colliery of pingdingshan (下转第592页)

一 5 8 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 2 年 第 6 期 表 4 平顶 山八矿 己 组煤 层瓦斯 参数 Ta b l e 4 G a s P a r a m e t e r s o f e o a l s e a m F 1 5 i n N o · S C o l li e叮 o f P i n g d i n g s h a n 地 点 垂深加 压力洲田a 瓦斯含量/( m , · t 一 1 ) 1 4 0 8 1 风巷 4 9 5 0 . 7 0 1 1 . 1 0 1 4 0 8 1 机巷 5 3 7 一 16 . 9 0 己 三皮 带下 山 5 25 1 . 19 一 己 三皮带下 山 6 25 1 . 89 一 己三扩大 6 0 5 1 . 15 1 5 . 2 8 1 3 1 7 0 机巷 5 4 5 一 1 3 . 5 8 3 .3 预测效果检验 己 , 5 一 1 3 19 0 采面 (图 2 ) 1 9 9 8 年 12 月 4 日在 机巷掘进 2 07 . 7 m 时发生了一次瓦 斯突 出 , 突出 煤量 1 3 2 t , 瓦 斯 1 4 0 4 9 m , ; 19 9 9 年 l 月 2 5 日 当 机巷掘进到 2 68 .2 m 时又发 生了一次瓦 斯突出 , 突出煤 量 1Z 5t , 瓦 斯 6 7 6 6 耐 , 两次瓦 斯突 出距 离在 70 m 以 内 . 在突 出预测基础上 , 采取 了有 效 的瓦 斯防治措施 和安全 防护措 施 , 没 有造 成 人员伤亡 . 开采实践证明 , 煤 与瓦斯突 出构造 物 理环境成功地预测 了两 次煤 与瓦斯突 出 . 2 . 6一 3 . 2 m , 采 面位于矿井的 中部偏东 , 制 约综采 的首要 问题 是矿井瓦 斯 , 对 瓦斯 突 出准确预测 是 瓦斯 防治的关 键 . .3 2 构造物理环境方法预测瓦斯突 出 影 响矿 井 采 面 的主要 地 质构 造是 辛 店 断 层 , 辛店 断层 在上部采面 己 , 5 一 13 170 尖灭 , 己 , 5 一 13 17 0 采 面曾发生煤与瓦 斯 突出 8 次 . 己 , 5一 1 3 190 采 面 属 于辛店断层尖灭端 的 构造变形 区 域 , 辛店 断层 由落差 30 m 的 正断层变为一组 断 层 , 次 级构造发育 , 煤层破坏严 重 ; 采面煤层 瓦 斯 含量 为 1 5一 17 m at/ , 瓦 斯压力 1 . 4 M p a , 掘进过 程 中瓦 斯涌出量大 , 最 高达 3 . 6 m at/ , 曾发生几期 瓦斯动力现象 ; 构造煤较发育 , 在正常地段 1 , W 类 构造煤只 有 .0 2 一o . 4 m 厚 , 受辛 店断层影响 , l , W类构造煤厚 度增 加 , 平均为 0 . 8 m , 局部达 到 1 . 5 m 以上 , 形成构 造煤发育带 , 构造煤条带 顺辛店 断层延展 方 向分布 ; 巷道掘进过程 中发 生 多期 冒顶 和片帮事故 , 巷道支护 困难 , 在锚 网 支护 的基础 上又增加 了工字钢支 护 , 局部构造 应力 大 . 根据煤 与瓦斯 突出 的构造物理环境 , 煤 与 瓦 斯突 出是地质构造条件 、 煤层瓦 斯条件 、 构造 煤发育程度 、 构造应力条件综合作用 的结果 . 因 此预测 在辛店 断层 的 延伸方 向 , 受 构造影响形 成 了煤与瓦 斯突 出危险 区 (图 2) , 随时有发生煤 与瓦 斯突 出 的可 能性 , 突出带位 于采面 的西北 角 , 为构造煤增厚 区 , 宽度 约 3 0 .m 4 结论 ( l) 煤与瓦斯 突出 的构造 物理环境 由地质 构 造组合 、 构 造应力场 、 构造煤 和构造带瓦 斯四 因 素组成 , 地质构造带 通过这 四种 因素对瓦 斯 突 出发 生控制作用 , 不 同因 素在煤与瓦 斯 突出发 生 中具有 不同 的作用机理 和作 用 方式 . (2 )煤与瓦斯 突出构造物理环境 四 因素是一 种综合 的地质指标 . 通过对构造物理环境 因 素 的研究 可 以判定突 出构造 与非 突出构 造 、 构造 的突出段 和 非突 出段 , 对构造物理环境 因素 的 研究可 以提高瓦 斯突出预测地质构造指标 的敏 感性 . (3 )煤与瓦斯 突出构造物理学研究为瓦斯灾 害防治开劈 了新 的研究途径 . 通过对构造物理 环境研究 来判定构造 突出危 险性 , 提高 了构造 指标在 突 出预测 中的可靠性 , 为煤与瓦 斯突 出 的 点预报及突 出强度预测提供 了 理论 和 方法 . 参 考 文 献 。 瓦斯含量点。 瓦 斯突出点。 钻孔点 一 一 突 出区 域边 异产弓 , ~ 断层 图 2 平顶 山八 矿 己 15 一 1 3 1 90 采 面瓦 斯突 出分布 F ig · 2 D is t r ib u ti o n o f g a s o u t b u sr t s i t e s o n 1 3 1 9 0 af e e o f th e e o a l s e a m F 1 5 i n N o . 8 C o lli e叮 o f P in g d i n g s h a n S h e Ph e rd J . O u t b u r s t s an d g e o l o g i c a l s t ur e t u r e s i n e o a l m i - n e s [J] . Iin J R o c k M e e h M in S c i & G e o m e e h , 1 9 8 1 , 1 8 (4 ) : 2 6 7 焦作矿 业学 院瓦斯地质 研究室 . 瓦斯 地质 概论[M I . 北 京 : 煤 炭工 业 出版 社 , 1 9 90 彭立 世 . 煤 与瓦斯 突 出预测地 质指 标 1[J . 瓦斯地 质 , 19 8 5 (l ) : 5 3 袁 崇孚 , 张子戌 . 褶皱变 形 系数 的探 讨及其应用 1[J . 煤 炭学 报 , 1 9 9 2 , 1 7 ( 3 ) : 8 黄德生 . 地质构 造控 制煤 与瓦斯 突 出的探讨 1[J . 地 质 科学 , 19 9 2 (增 刊 ) : 2 0 1 郭 德勇 . 煤 和瓦斯 突 出构造物 理学研 究 [D] . 北 京: 中 国矿业 大学北 京校 区 , 19 % . 87 郭德勇 ,韩 德馨 . 地 质构造 控制煤 与 瓦斯突 出作用类 型研究 [ J ] . 煤炭 学报 , 1 9 9 8 , 2 3 ( 4 ) : 3 3 7 马瑾 . 构造物 理学 概论 [M ] . 北 京 : 地 震 出版社 , 1 9 8 7 ( 下 转第 5 9 2 页 )

·592 北京科技大学学报 2002年第6期 3李杰，毛善君，张海荣，等.层状矿床的三维仿真与6李仲学，李翠平.矿床仿真及体视化技术).计算机 动态显示).中国矿业大学学报，1999,28(4)：335 仿真，2000,17(5)6 4朱大培，牛文杰，杨钦，等.地质构造的三维可视化7李翠平，李仲学，赵文广矿床的体视化及仿真系统 [.北京航空航天大学学报，2001,27(4)：448 框架[).金属矿山，2001(10)：44 5黄文静，唐龙，唐泽圣.体绘制及三维交互技术在地 8侯景儒，郭光裕，矿床统计预测及地质统计学的理 质数据可视化中的应用)，工程图学学报，1998(3)：60 论与应用M.北京：冶金工业出版社，1993 A Method for Spatialization and Regularization of Geological Data in the Volume Visualization of Mineral Deposits LI Cuiping,LI Zhongxue,HU Nailian Mining Research Institute,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A methodology is presented for the spatialization and regularization of geological data in de- veloping a volume visualization system of mineral deposits.In the process of spatialization,drill holes are treated as a series of broken !ines with the spatial direction,and the grade at a point is obtained through layering of the deposit with one meter depth.The regularization of geological data is realized using the Shepard method with the regionalization of mineralization taken into account through geostatistical variograms.A case of underground iron ore mine is studied to verify and validate the methodology. KEY WORDS volume visualization;data spatialization and regularization:Shepard method (上接第584页) Outburst-prone Tectonophisical Environment and Its Applications GUO Deyong",HAN Dexin',Wang Xinyi 1)China University of Mining Technology (Beijing Campus),Beijing 100083,China 2)Pingdingshan Coal (Group)Co Ltd,Pingdingshan 467000,China ABSTRACT Based on the research of the control mechanism of geology structure for the outburst and the distribution rule,the theory and method of tectonophisics were applied to the forecast of outburst.It was pro- posed that the outburst-prone tectonophisical environment is composed of 4 factors,that is tectonic combina- tion characteristic,tectonic stress field,and tectonic coal and gas.The control mechanism of all factors of the outburst-prone tectonophisical environment was discussed.It was shown that the synthetic action of multi fac- tors of the outburst-prone tectonophisical environment controls the outburst in the geology tectonic area,and this provides the theoretic basement for forecasting the outburst proneness due to the geology structure.En- gineering practice proves that the outburst of coal and gas can be forecasted accurately with the analysis of the outburst-prone tectonophisical environment. KEY WORDS outburst of coal and gas;tectonophysical environment;outburst forecast

5 9 2 北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 2年 第 6期 李 杰 , 毛 善君 , 张海荣 , 等 . 层状 矿床的三维 仿真 与 动态显示 [J ] . 中 国矿业 大学 学报 , 19 9 9 , 2 8 ( 4 ) : 3 3 5 朱大培 , 牛文杰 , 杨钦 , 等 . 地 质构造 的三维 可视 化 【J ] . 北京航 空航 天大学 学报 , 2 0 0 1 , 2 7 ( 4 ) : 4 4 8 黄文静 , 唐 龙 , 唐泽圣 . 体绘制 及三维 交互 技术在 地 质 数据可视化 中的应用 明 . 工程 图学 学报 , 1 9 9 8( 3) : 60 6 李 仲学 , 李翠 平 . 矿 床仿 真及体视化技 术 [J] . 计算机 仿真 , 2 00 0 , 1 7 ( 5 ) : 6 7 李翠平 , 李 仲学 , 赵 文广 . 矿床的体视 化及 仿真系统 框架 I J ] . 金属 矿 山 , 2 0 0 1 ( 1 0 ) : 4 4 8 侯景 儒 , 郭光裕 . 矿 床统计预 测及 地质统计学 的理 论与应 用 【M ] . 北京 : 冶金 工业 出版社 , 19 93 A M e ht o d fo r S P at i a li z at i o n an d R e g u l ar i z at i o n o f G e o l o g i c a l D at a in ht e Vo l u 工n e Vi s ua li z at i o n o f M ine r a l D e P o s it s LI uC iP i 刀g, IL hZ o n g x ue, H U N改il ia n M i n i n g eR s e ar hc ls t i t u t e , U S T B e ij l n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C l l i n a A B S T R A C T A m e ht o d o l o gy 1 5 P r e s e in e d for ht e s Piat a li z at i o n an d r e gu l iar z at i o n o f g e o l o g i c a l d at a in d e - v e l o Pi n g a v o 】u m e v i s u a li z at i o n sy s t e m o f m i n e r a l d e P o s it s . I n ht e P r o e e s s o f s P at i a li z at ion , dr ill h o l e s aer tr e a t e d a s a s e r i e s o f br o ke n lin e s w iht ht e s Pat i a l d i r e e it o n , an d ht e gr a d e at a P o int i s o b t a i n e d htr o u g h lay e r i n g o f ht e d eP o s it w iht o n e m e t e r d e Pht . The r e g u l ar i z at i o n o f g e o l o g i c a l d at a 1 5 r e a li z e d u s i n g ht e s h e P ar d m e ht o d w iht t h e r e g i o n a li z at i o n o f m i n e r a li z at i o n tak e n int o a e c o u n t htr o u g h g e o s t at i s t i e a l v iar o gr am s . A e a s e o f un d e gr o un d i r o n o er m i n e 1 5 s ut d i e d t o v e r i fy an d v a lid at e ht e m e ht o d o l o gy . K E Y W O R D S v o l um e v i s u a li z at i o n : d at a s Pat i a li z at i o n an d r e gu l ar i z at i o n ; Sh e Par d m e ht o d 拭材派洲C餐来今芳孕冷快来来弓{ ( 来 来来来拭(令冷矢谓e 矢舞弓装来白卜 (上接 第 5 84 页 ) O u ht ur s t 一 P r o n e eT e t o n o P h i s i c a l E n v i r o n m e n t an d It s AP P li e at i o n s G U O D ey o 心 ’ , 儿魂N D ex in] ’ , 肠gn iX yn 扩’ l ) C h in a U in v e rs iyt o f M in l ll g & eT e hn o l o gy (B e ij in g C田 n P u s ) , B e ij i n g 10 0 0 83 , C h in a 2 ) P in g d i n g sh an C o a l ( G or uP ) C o L dt , P I ll g di gn sh an 4 6 7 0 0 0 , C h i n a A B S T R A C T B a s e d o n ht e r e s e ar e h o f ht e e o ntr o l m e c h an i s m o f g e o l o gy s trU e trU e of r ht e o u t b ur s t an d 小e d i s tr ib ut i o n ru l e , ht e ht e o yr an d m e ht o d o f t e c ot n o Ph i s i c s w e r e a P P1i e d t o ht e fo er e a s t o f o ut b ur s t . l w a s P r o - Po s e d ht a t ht e o u t b ur s t . P r o n e et e t o n o hP i s i e al e n v i r o mn e nt 1 5 e o m P o s e d o f 4 fa c t o r s , ht at 1 5 t e c t o n i e c o n i b in a ` t ion e h ar e t e r i s t i c , t e e t o 正e s etr s s if e ld , an d t e e t o n i e e o a l a n d g a s . T h e e o ntr o l m e c h an i s m o f a ll fa c t o r s o f ht e o u t b ur s t 一 P r o n e t e e t o n op hi s i e a l e n v i r o mn e nt w a s d i s e u s s e d . It w a s s h o w n ht a t ht e s y n th e t i e a e t i o n o f mu lt i fa e - t o r s o f ht e o ut b ur s t 一 P r o n e t e e t o on Ph i s i e a l e vn i r o mn e in e o ntr o l s ht e o ubt ur s t i n ht e g e o l o gy t e c t on i e ar e a , an d ht i s P r o v ide s ht e ht e o r e t i c b a s e m e nt for fo r e c a s t i n g ht e o u t b u r s t P r o n e n e s s du e t o ht e g e o l o gy s utr e trU e . 劲 - g i n e e r i n g P r a c t i e e Por v e s ht at ht e o u ht ur s t o f c o a l an d g a s e an b e fo r e e a s t e d a e e ur at e l y w it h ht e an a ly s i s o f ht e o u t b ur s t 一 rP o n e t e e t o n op h i s i e a l e vn ir o nr e nt . K E Y W O R D S o Ll t b ur s t o f e o a l a xl d g as : et c t o n o P场 s i c a l e vn i r o mn e nt : o t l t b ur s t for e c a s t