地质构造对平顶山矿区煤与瓦斯突出的主控作用研究.pdf

中图分类号中图分类号TD712 密密 级级 UDC622 单位代码单位代码10460 地质构造对平顶山矿区煤与瓦斯突出的 主控作用研究 Study on Controlling Effect of Tectonic Structures on Coal and Gas Outburst in the Pingdingshan Mining Area 申请人姓名申请人姓名 闫江伟闫江伟 学 位 类 别学 位 类 别 工学博士工学博士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 瓦斯地质理论与应用瓦斯地质理论与应用 导师导师 崔洪庆崔洪庆 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015 年年 12 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015 年年 12 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文地质构造对平顶山矿区煤与瓦斯突地质构造对平顶山矿区煤与瓦斯突 出的主控作用研究出的主控作用研究是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采 用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版 本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签导师签名名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师崔洪庆教授的悉心指导下完成的，首先，值此论文完成之际， 谨向敬爱的导师致以最崇高的敬意和衷心的感谢一直以来，不论在学习、工作 还是生活中，崔老师都给予我无微不至的关心和帮助。从论文选题到总体架构， 理论分析直至论文编写和最后定稿，都倾注了导师的大量心血。导师渊博的学识、 严谨的治学态度、活跃的思维、开阔的视野、诲人不倦的学者风范和崇高的敬业 精神，使我受益匪浅，是我终生学习的楷模。 感谢河南理工大学安全科学与工程学院景国勋教授、高建良教授、王兆丰教 授、余明高教授、牛国庆教授、魏建平教授、杨宏民教授等老师在论文选题和写 作过程中的热情指导和帮助。 感谢河南理工大学安全科学与工程学院张玉培书记、高建良院长，牛国庆副 院长、袁东升副院长、孙彦副书记和高志扬主任和其他老师在工作和学习中给予 的关心、支持和帮助。 感谢瓦斯地质研究所的张玉贵教授、张明杰教授、魏国营教授、魏风清教授、 贾天让博士、谭志宏副教授、冯阵东博士、张小兵副教授、刘勇博士、王蔚博士、 钟福平博士、李东会博士、雷东记博士等众多老师在论文写作过程中给予的指导、 帮助和建议，感谢研究生陶东东、杨亚磊、武磊等同学在论文排版方面的帮助。 感谢平煤神马集团的张建国总工、吕有厂院长、吴建庭副院长、孙矩正主任、 郭明功区长、王佳科长、高建成等在现场资料收集、调查和测试给予的大力支持 与帮助。 特别感谢我人生的领路人张子敏教授，是他将我领上瓦斯地质的道路，在我 成长的这些年不论从生活还是学习上，一直对我无微不至的关怀和照顾。在论文 选题过程中给予的指导和帮助，是他谆谆教导我如何做人，如何做学问，我的成 长离不开他的关怀和帮助。他对事业执着的敬业精神和老老实实做人、踏踏实实 做事的人生态度，使我终生受益。 在博士即将毕业之际，感谢父母对我学业的默默支持和对生活的无私帮助， 感谢他们对我的养育之恩和无微不至的关怀感谢我的妻子郭艳女士，是你承担了 繁重的家务，使我能专心完成学业，感谢儿子闫鸿睿带给我的无限快乐 最后， 向审阅我论文和参加论文答辩的专家教授以及论文所引用参考文献的作 者致以深深的谢意 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 煤与瓦斯突出是井工煤矿危害极大的自然灾害，严重威胁着矿工的生命和煤 矿安全生产。研究煤与瓦斯突出与地质构造的关系一直是瓦斯地质工作的重要内 容，也是煤矿制定瓦斯突出预防措施的重要基础。平顶山矿区地质构造复杂，煤 与瓦斯突出灾害严重，而煤与瓦斯突出构造控制作用及控制规律仍不明确。本文 以煤与瓦斯突出综合作用假说为基础，从地应力、煤层瓦斯和煤的物理力学性质 三因素出发，运用瓦斯地质学、岩石力学、构造地质学和统计学等多学科研究方 法，采用现场观测调查、实验室试验、数值模拟分析、理论分析相结合的研究手 段，以构造控制为主线，在全面系统研究分析平顶山矿区地应力、构造煤、煤层 瓦斯分布及其地质构造控制作用的基础上，揭示了地质构造对煤与瓦斯突出的主 控作用。研究成果有助于进一步揭示煤与瓦斯突出地质构造控制机理，对指导矿 区煤与瓦斯突出防治工作具有重要现实意义。取得的主要成果如下 （1）揭示了构造演化对矿区构造和煤层瓦斯形成的控制作用，厘清了矿区、 矿井和采掘工作面三级构造，将平顶山矿区划分为七个构造区。 （2）揭示了矿区地应力分布和构造控制规律。将矿区地应力划分为东部高构 造应力区、中部构造应力区和西部垂直应力区；东部高构造应力区主要受控于矿 区东部的逆冲推覆褶皱断裂构造，中部构造应力区构造简单，西部垂直应力区主 要受控于锅底山断裂。 （3）揭示了矿区构造煤分布和构造控制规律。研究了褶曲构造和切层断层对 构造煤形成的控制作用，揭示了矿区戊组、己组煤层构造煤分布具有多层性、选 层性和分区分带性的构造成因。 （4）从地质构造的角度揭示了平顶山矿区瓦斯赋存特征。矿区西、中、东部 构造特征的差异控制着矿区瓦斯总体分布的差异，矿区东部 NWW-NW 向构造尤 其褶曲构造较西部发育，是矿区瓦斯赋存整体表现为东高西低的主要原因。 （5）从地应力、构造煤和煤层瓦斯三因素及构造控制出发，研究了地质构造 对矿区煤与瓦斯突出的主控作用，揭示了地质构造对煤与瓦斯突出的控制机制， 提出了六种矿区煤与瓦斯突出地质构造控制类型，划分为七个瓦斯地质单元，解 释了矿区煤与瓦斯突出分区分带和选层性特征，进行了未采区煤与瓦斯突出危险 性预测。 关键词关键词煤与瓦斯突出；地质构造；主控因素；瓦斯赋存；构造煤；地应力 万方数据 II Abstract Coal and gas outburst is a natural disaster greatly threatening underground coal mines, which seriously threatens the lives of miners and safe production of coal mines. Research on the correlation between coal and gas outburst and tectonic structures has always been an important part of gas geology studies, and also the important foundation for selection of prevention measures for coal and gas outburst. In the Pingdingshan Mining Area, the geological structures are complex, and coal and gas outburst hazards are serious. However, the controlling effect and law of geological structures on coal and gas outbursts are still unclear. In this study, based on the comprehensive hypothesis of coal and gas outburst, starting from the three factors determining coal and gas outburst, i.e., geostresses, coal seam gas, and the physical and mechanical properties of coal, by using multi-disciplinary research s, such as gas geology, rock mechanics, structural geology and statistics, integrated research means including field monitoring, laboratory testing, numerical modeling and theoretical analysis are adopted to reveal the controlling effects of tectonic structures on coal and gas outburst, on the basis of comprehensive and systematic analysis on the geostresses, deed coal, coal seam gas distribution and its tectonic controlling effects in the mining area. Furthermore, the coal and gas outburst risks are predicted for the mining area. The research results can help to further reveal the controlling mechanism of geological structures on coal and gas outburst and guide the coal and gas outburst control and prevention in the mining area. The main results and understandings achieved in this study are as follows 1 The tectonic evolution in the Pingdingshan mining area and its controlling effect on the gas occurrence of coal seam and structural ation are revealed. According to the scope and effect of the tectonic control, the geological structures in the mining area are clarified at three levels, namely, the mining area, coal mines and mining faces, the mining area is divided into seven tectonic zones. 2 The distribution of geostresses and the law of tectonic control for geostresses distribution in the mining area are revealed. The geostresses in the mining area are divided into the high tectonic stress zone in the east area, the tectonic stress zone in the central area and the vertical stress zone in the west. The high tectonic stress zone in the east area is mainly controlled by the thrust and nappe fold. The tectonic structures are 万方数据 III simple in the tectonic stress zone in the central area. The vertical stress zone in the west area is mainly controlled by the Guodishan rupture. 3 The distribution of deed coal and the law of tectonic control for deed coal in the mining area are revealed. The controlling effect of the fold and cross-bedding fault on deed coal ation is studied, the tectonic cause of selective distribution of deed coal in multiple layers and different zones are revealed. 4 The characteristics of gas occurrence in the Pingdingshan mining area are revealed from the viewpoint of tectonics. The difference in tectonic characteristics of the eastern, central and western parts of the mining area leads to the difference of overall distribution of gas occurrence in the mining area. In the east, the NWW-NW trending geological structures, especially the folds, are developed, which are the main reason for higher gas content in the east and lower gas content in the west in the mining area. 5 The main controlling effect of tectonic structures on coal and gas outbursts in the mining area is studied starting from the three factors determining coal and gas outburst, i.e., geostresses, coal seam gas, and deed coal and tectocnics controlling effect on them, the controlling mechanism of tectonic structures on coal and gas outburst is revealed, six types of tectonic structure-controlled coal and gas outbursts are proposed. According the major controlling factor for coal and gas outbursts, the mining area is divided into seven gas-geological units, the zonation and selective distribution of coal and gas outbursts in the mining area is explained, coal and gas outburst risks are predicted. Keywords Coal and gas outburst; Tectonic structure; Main controlling factor; Gas occurrence; Deed coal; Geostress 万方数据 IV 万方数据 V 目 录 致致 谢谢 ................................................................................................................................ 1 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................... II 目录目录 ................................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 选题背景 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 4 1.2.1 地质构造对瓦斯赋存、瓦斯突出的控制研究现状 .................................... 4 1.2.2 地应力分布及对瓦斯赋存、瓦斯突出的影响研究现状 ............................ 8 1.2.3 构造煤分布及对瓦斯赋存、瓦斯突出的影响研究现状 ............................ 9 1.2.4 存在问题 ...................................................................................................... 11 1.3 主要研究内容及技术路线 ................................................................................. 12 1.3.1 研究内容 ...................................................................................................... 12 1.3.2 技术路线 ...................................................................................................... 14 1.4 本章小结 ............................................................................................................ 15 2 矿区构造演化与构造分级分区矿区构造演化与构造分级分区 ................................................................................. 17 2.1 矿区大地构造位置 ............................................................................................. 17 2.2 区域构造应力场演化特征 ................................................................................. 20 2.3 矿区构造演化及控制作用 ................................................................................. 23 2.4 矿区控制性构造与构造分级分区 ..................................................................... 28 2.4.1 矿区构造分布特征 ...................................................................................... 28 2.4.2 矿区控制性构造与构造分级分区 .............................................................. 32 2.5 本章小结 ............................................................................................................. 36 3 矿区地应力分布构造控制与模拟矿区地应力分布构造控制与模拟 ............................................................................. 39 3.1 地应力资料 ......................................................................................................... 39 3.2 地应力分布特征与构造控制作用 ..................................................................... 42 3.2.1 矿区地应力分布特征 .................................................................................. 42 3.2.2 地应力分区划分与构造控制 ...................................................................... 55 3.3 矿区地应力分布与构造控制数值模拟研究 ..................................................... 56 万方数据 VI 3.3.1 有限元法原理 ............................................................................................... 57 3.3.2 地质建模 ....................................................................................................... 58 3.3.3 网格划分及边界条件 ................................................................................... 60 3.3.4 模拟结果及分析 ........................................................................................... 63 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 68 4 矿区构造煤分布与构造控制规律矿区构造煤分布与构造控制规律 ............................................................................. 69 4.1 构造煤分布研究方法 .......................................................................................... 69 4.1.1 构造煤巷道观测编录 ................................................................................... 69 4.1.2 钻孔测井曲线构造煤解译 ........................................................................... 73 4.1.3 数值模拟 ....................................................................................................... 75 4.2 主要井田构造煤分布特征 .................................................................................. 75 4.3 矿区构造煤分布规律 .......................................................................................... 97 4.3.1 多层性、选层性 ........................................................................................... 97 4.3.2 分区分带性 ................................................................................................... 98 4.4 矿区构造煤构造控制 .......................................................................................... 99 4.4.1 褶曲构造对构造煤分布的控制 ................................................................. 100 4.4.2 切层断层构造对构造煤分布的控制 ......................................................... 107 4.5 矿区深部构造煤分布预测 ................................................................................ 112 4.6 本章小结 ............................................................................................................ 113 5 矿区煤层瓦斯赋存与构造控制特征矿区煤层瓦斯赋存与构造控制特征 ....................................................................... 115 5.1 煤层瓦斯基本参数 ............................................................................................ 115 5.1.1 煤层瓦斯含量 ............................................................................................. 115 5.1.2 煤层瓦斯压力 ............................................................................................. 120 5.1.3 煤矿瓦斯涌出量 ......................................................................................... 127 5.2 矿区煤层瓦斯赋存特征 .................................................................................... 127 5.2.1 主要井田煤层瓦斯赋存特征 ..................................................................... 127 5.2.2 矿区煤层瓦斯赋存特征 ............................................................................. 149 5.3 矿区煤层瓦斯赋存的构造控制特征 ................................................................ 152 5.4 矿区深部瓦斯含量、瓦斯压力预测 ................................................................ 154 5.5 本章小结 ............................................................................................................ 156 6 矿区煤与瓦斯突出地质构造控制作用机制矿区煤与瓦斯突出地质构造控制作用机制 ........................................................... 159 万方数据 VII 6.1 矿区煤与瓦斯突出特征 ................................................................................... 159 6.1.1 历次煤与瓦斯突出 .................................................................................... 159 6.1.2 突出类型、强度特征 ................................................................................ 163 6.1.3 突出分布特征 ............................................................................................ 165 6.2 构造煤、地应力、煤层瓦斯与瓦斯突出 ....................................................... 168 6.2.1 构造煤与瓦斯突出 .................................................................................... 168 6.2.2 地应力与瓦斯突出 .................................................................................... 180 6.2.3 煤层瓦斯与瓦斯突出 ................................................................................ 183 6