城山矿瓦斯地质规律与瓦斯预测研究.pdf

硕士学位论文 城山矿瓦斯地质规律与瓦斯预测研究 T HER E S E A R C H0 FG A S GE O L O G Y R E G UL A R I T YA N DG A SP R E D l C T l O N lNC HE N G SH A NC O A LMlNE 作者石兴龙 导师刘永立教授 黑龙江科技学院 二。一二年五月 中图分类号T D 7 1 2学校代码 Q 至 皇 密级公开 黑龙江科技学院 硕士学位论文 城山矿瓦斯地质规律与瓦斯预测研究 T H ER E S E A R C HO FG A SG E O L O G Y R E G U L A R I T YA N DG A SP R E D I C T I O N I NC H E N G S H A NC O A LM I N E 作者互送垄 申请学位王堂亟 学科专业苤芷王猩 答辩委员会主席量渔洹 导师刻丞童 培养单位姿返皇叠墟工程堂随 研究方向芷瘗翌苤撞苤 评阅人型 亡竖 二。一二年五月 学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技学院有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布 包括刊登 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 作者签名石久毒 、 ， 1 导师签名三矽1 r 丁 2 9 ，2 年多月，箩日j 功2 年‘月∥日 论文审阅认定书 研究生石兴龙在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指 导下独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结 构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作 为学位申请论文送专家评审。 2 。，2 年彳月，，日 致谢 本文是在导师刘永立教授的悉心指导下完成的。在三年的研究生学习期问， 刘老师在学习上给予了我精心的指导；在生活上给予了我无微不致的关怀和照 顾。导师在论文的选题、研究方法、撰写等各个方面都倾注了大量的心血和精力。 特别是他在生活和工作中所表现出的高尚品德、渊博知识、精益求精的科研作风， 兢兢业业的工作精神深深感染和鞭策着我，使我受益匪浅。正是导师及时的启发、 帮助与鼓励，才使得论文得以顺利完成。 师恩似海，在此谨向导师致以深深的谢意和崇高的敬意 感谢黑龙江科技学院资源与环境工程学院采矿工程专业的董长吉老师、秦涛 老师，他们在我论文的撰写过程中提出了宝贵的意见并给予了热心的指导。 感谢北京龙软科技发展有限公司东北办事处的所有成员在我的论文完成过 程中给予的帮助，并给我提供了一个良好的学习实践机会和学习环境。 感谢资环学院的院长孙广义教授和采矿专业的全体老师，他们在我攻读硕士 学位期间的学习和生活中给予了极大的帮助，在我的论文撰写过程中给我提出了 很多宝贵的意见。 感谢我的同学吴祥业、赵坤、张永彬、于涛、王国超、赵祥顺、李涛、郝鑫 等在我论文的写作期间对我的帮助。 感谢我的师兄王海涛以及师弟杨虎、石浩然和谷牧在我论文写作过程中的给 予的帮助。 在论文撰写过程中，阅读了大量的文献资料。在此，向所有的作者表示衷心 的感谢，他们的研究成果给了我很大的启发与帮助。 感谢我的父母，感谢他们在我近二十年的读书生涯中辛勤地养育着我，并在 精神上给予鼓励和鞭策。 感谢各位专家和教授在百忙之中评阅我的论文。 摘要 针对城山煤矿开采过程中存在的瓦斯灾害问题，从地质的角度入手，采用定 性分析、定量计算和绘图相结合的方法对城山煤矿的瓦斯地质规律和瓦斯预测情 况进行研究。 论文运用瓦斯赋存构造逐级控制理论，分析了鸡西煤田构造演化特征以及构 造分布特征，结合矿区的瓦斯赋存特征，得出了地质构造是影响矿区瓦斯赋存的 主要因素。定性分析了地质构造、煤层顶底板岩性、上覆基岩厚度、煤厚、倾角、 煤层底板标高等因素对城山矿瓦斯赋存的影响。把影响瓦斯含量的主要因素运用 S P S S 软件进行多元回归分析，得出煤层底板标高是影响瓦斯含量的最主要因素。 通过S P S S 软件一元回归分析，以煤层底板标高为预测变量，瓦斯含量为因变量， 建立回归数学模型，通过对方程的求解，实现对3 B 、2 5 撑层瓦斯含量的预测。运 用瓦斯地质统计法建立瓦斯涌出量预测关系式，对3 B 、2 5 撵层采煤工作面瓦斯涌 出量进行预测。对3 B 、2 5 撑层进行了煤与瓦斯突出危险性预测，瓦斯含量大于 8 m 3 ／t 的区域为突出危险区。根据预测结果，运用L o n g r u a n G I S 3 ．0 瓦斯地质专题 图绘制系统绘制出3 B 、2 5 撑层1 5 0 0 0 的矿井瓦斯地质图。 本文有图3 2 幅，表3 5 个，参考文献5 3 篇。 关键词瓦斯地质规律；涌出量；瓦斯含量；回归分析 A b s t r a c t A c c o r d i n g t ot h ep r e s e n c eo fg a sd i s a s t e rp r o b l e mi nt h eC h e n g s h a nc o a lm i n i n g p r o c e s s ，t h i st h e s i s ，f r o mt h eg e o l o g i c a lp e r s p e c t i v e ，s t u d i e st h eg a sg e o l o g i c a lr u l e s a n dp r e d i c t i o n si nC h e n g s h a nc o a lm i n ec o m b i n i n gw i t ht h em e t h o d so fq u a l i t a t i v e a n a l y s i s ，q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o na n dd r a w i n g ． T h et h e s i sa p p l i e st h eg a so c c u r r e n c eo fp l a t es t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r y , a n a l y s e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e c t o n i ce v o l u t i o na n dt e c t o n i c d i s t r i b u t i o no fJ i x ic o a l f i e l d ， c o m b i n i n gw i t ht h eg a so c c u r r e n c ef e a t u r e se x i s t i n gi nm i n i n ga r e a ，a n dc o m e st ot h e c o n c l u s i o nt h a tg e o l o g i c a ls t r u c t u r ei st h em a i nf a c t o ro fg a so c c u r r e n c ei nt h em i n i n g a r e ag a s ．I ta l s og i v e saq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ff a c t o r s ，w h i c hi m p a c to nC h e n g s h a n c o a lg a so c c u r r e n c e ，s u c ha sg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，c o a ls e a mr o o f , f l o o rl i t h o l o g y , o v e r l y i n gr o c kt h i c k n e s s ，c o a lt h i c k n e s s ，a n g l e ，c o a ls e a mf l o o re l e v a t i o n ，e t c ．a n da r e c a r r i e do u tm u l t i v a r i a t er e g r e s s i o na n a l y s i sb yS P S Ss o f t w a r e ，t h e nc o n c l u d e st h a tt h e c o a ls e a mf l o o re l e v a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gg a sc o n t e n t ．T h r o u g h S P S Ss o f t w a r er e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h et h e s i se s t a b l i s h e sar e g r e s s i o nm a t h e m a t i c a l m o d e lt a k i n gc o a ls e a mf l o o re l e v a t i o na sp r e d i c t o rv a r i a b l e sa n dg a sc o n t e n ta st h e d e p e n d e n tv a r i a b l e ，b a s e do nt h ee q u a t i o n ，t h e3 B 撑，2 5 撑l a y e rg a sc o n t e n tf o r e c a s tc a n b er e a l i z e d ．B e s i d e s ，g a sg e o l o g i c a ls t a t i s t i c sm e t h o di su s e dt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n t op r e d i c t i o no fg a se m i s s i o na n dp r e d i c t3 ∥，2 5 撑l a y e rc o a lf a c eg a se m i s s i o n ．F o r 3 ∥，2 5 撑l a y e ro fc o a la n dg a so u t b u r s td a n g e rp r e d i c t i o n ，t h eg a sc o n t e n tw h i c hi s g r e a t e rt h a n8 m 3 ／ta r e ab e l o n g st ot h eo u t b u r s td a n g e r o u sa r e a ．A c c o r d i n gt ot h e p r e d i c t i o nr e s u l t s ，L o n g r u a n G I S 3 ．0g a sg e o l o g i c a lm a pd r a w i n gs y s t e mi su s e dt o d r a w3 B ，2 5 撑l a y e r1 5 0 0 0m i n eg a sg e o l o g i c a lm a p ． T h ep a p e rh a s3 2f i g u r e s ，3 5t a b l e sa n d5 3r e f e r e n c e s ． K e yw o r d s l a wo fg a sg e o l o g i c a l ；e m i s s i o n ；g a sc o n t e n t ；r e g r e s s i o na n a l y s i s I I 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅲ 11 者论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 课题的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．2 国内外发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 瓦斯地质国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 瓦斯预测国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 本文主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 地质构造及控制特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 矿区大地构造位置及构造应力场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 矿区大地构造归属及特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2 现今构造应力场特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．2 鸡西矿区地质构造演化及控制特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 构造演化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 构造分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 矿区瓦斯赋存特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 6 2 ．4 地质构造对矿区瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 2 ．4 ．1 褶皱对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 2 ．4 ．2 断层对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 矿井瓦斯地质规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 3 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 ．1 交通位置及隶属关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 ．2 井型、开拓方式及生产能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 3 ．1 ．3 地层、煤层及煤质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．1 ．4 矿井瓦斯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2 矿井地质构造特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 I I I 3 ．3 矿井瓦斯地质规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3 ．1 地质构造对矿井瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 3 ．3 ．2 煤层顶底板岩性对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．3 ．3 煤层厚度对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 3 ．3 ．4 煤层倾角对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．5 上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．3 ．6 埋深对瓦斯赋存的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 4 瓦斯预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 4 ．1 瓦斯含量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．1 理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 4 ．1 ．23 B 层瓦斯含量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 ．32 5 掌层瓦斯含量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 4 ．2 瓦斯涌出量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．2 ．13 B P 罢瓦斯涌出量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 ．22 5 层瓦斯涌出量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 突出危险性预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 8 4 ．3 ．1 突出参数测定及统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．3 ．2 区域突出危险性预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 9 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 5 矿井瓦斯地质图绘制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1 矿井瓦斯地质图简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 瓦斯地质图绘制软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 5 ．3 瓦斯地质图绘制系统主要功能实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 5 ．3 ．1 瓦斯地质数据库配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 5 ．3 ．2 瓦斯地质图图例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 5 ．3 ．3 修改瓦斯地质图图例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 4 5 ．3 ．4 生成线性回归方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 5 ．3 ．5 瓦斯资源量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3 ．6 采集瓦斯含量 瓦斯涌出量点 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．7 预测瓦斯含量 涌出量 等值线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．4 城山矿矿井瓦斯地质图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 I V 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 6 ．2 不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 9 V l 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的背景及意义 1 ．1 ．1 课题的背景 本课题来源于“黑龙江省龙煤集团鸡西分公司重大地质灾害预警项目研究”。 煤炭作为中国一次能源的主体，承载着我国的经济发展。自从1 9 9 0 年以来 我国的煤炭年产量位居世界首位，但是煤矿事故的死亡人数也约占全球的8 0 ％ 左右【1 1 。目前，煤矿事故虽然稳中有降，但与国外相比，仍然存在较大的差距。 在频繁发生的煤矿事故中，矿井瓦斯事故危害性最严重【2 1 。瓦斯事故导致人员伤 亡最多、经济损失最严重，并在矿井生产中最难防治的灾害。 瓦斯是来自煤炭生产中从煤岩层里涌出的气体，对煤矿安全的主要威胁有爆 炸、突出、窒息等三种形式【3 1 。随着开采深度的不断增加，地应力的升高，地质 构造条件的不断变化，导致了煤层中的瓦斯赋存状态发生改变，加上外界开采技 术条件的影响，就可能导致瓦斯不均匀的分布，使局部瓦斯变大，容易发生瓦斯 事故。近几年来，陆续发生的的重大、特大矿井瓦斯事故也呈现直线上升的趋势， 成为政府、各行业关注的焦点。2 0 0 4 年1 1 月2 8 日，陕西铜川陈家山煤矿发生 瓦斯爆炸事故，造成一次死亡1 4 8 人的重大惨剧；时隔不久，辽宁阜新孙家湾煤 矿又发生了一次死亡2 1 4 人的特大瓦斯爆炸事故。近几年，黑龙江省龙煤集团所 属煤矿发生一次死亡人数过百的就有三次。2 0 0 2 年，鸡西分公司城山煤矿发生 特大瓦斯爆炸事故，造成1 1 1 人死亡；2 0 0 5 年1 1 月2 7 日，七台河分公司东风 煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，造成1 7 1 人死亡；2 0 0 9 年1 1 月2 1 日，鹤岗分公 司新兴煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，造成1 0 8 人死亡。这一系列的煤矿事故，人 员伤亡巨大，给国家和煤矿造成了严重的损失，给矿工留下深刻的印象，震惊全 国乃至整个世界。随着煤矿开采深度和开采强度不断的增加，矿井瓦斯不断的升 耐4 1 。如果不能及时预防煤矿瓦斯，将会对安全生产造成极大的影响，井下职工 的自身安全也将受到威胁。大量研究证明，在矿井生产中可以预防瓦斯灾害。由 于瓦斯赋存状态受井下地质条件的控制，应该从地质的角度着手，找出地质与瓦 斯之间的规律，达到预防和预测矿井瓦斯的目的。 城山矿属于高瓦斯矿井，该矿的构造复杂程度为中等偏复杂，构造以断层为 主，也有小褶皱发育，造成瓦斯的分布不均衡。随着开采深度的增加和扩展，矿 井瓦斯严重威胁着该矿的安全生产和井下职工的自身安全。为了预防城山矿的瓦 斯地质灾害，必须找出影响瓦斯赋存的主要地质因素，从地质的角度着手，来治 理城山矿的瓦斯灾害。为了从根本上解决和治理城山矿瓦斯灾害问题，降低由瓦 硕士学位论文 斯灾害带来的巨大损失，该矿决定开展了研究城山矿的瓦斯地质规律和瓦斯预测 项目。 1 ．1 ．2 研究意义 通过对城山矿瓦斯地质规律和瓦斯含量、瓦斯涌出量预测研究，能够分析出 影响瓦斯赋存的最主要因素，进而找出最主要因素与瓦斯含量、瓦斯涌出量之间 的关系，实现对矿井瓦斯的预测。通过预测结果，可以有目的、有根据的制定预 防矿井瓦斯灾害的措施，对避免重大瓦斯事故的发生具有非常重大的理论意义和 现实意义。 本课题的应用对于鸡西分公司城山矿瓦斯分布规律的初步预测及瓦斯事故 预防具有现实的指导意义，以达到降低矿井瓦斯危害的目的。同时对黑龙江省以 至全国范围内的同类矿井具有重要的参考价值和应用价值。 1 ．2 国内外发展概况 1 ．2 ．1 瓦斯地质国内外发展现状 1 ．国外发展现状 由于井下地质条件复杂的变化，在长期的煤矿生产中，人们发现煤矿瓦斯的 赋存状态与地质因素有紧密的联系。因此，煤矿专业人员开始用地质的观点对瓦 斯进行研究。随着瓦斯不断发现和开发，长时间煤矿生产的总结，结合分析进行 瓦斯地质研究。在国外，苏联、荷兰、法、英、德等国对瓦斯地质的研究处于先 进领域【5 1 。1 9 1 4 年法国成立了“防治煤与瓦斯突出专门委员会”。2 0 世纪中期， 苏联进行了瓦斯地质研究。1 9 6 4 年1 0 月，在法国首次召开了防治煤与瓦斯突出 国际讨论会1 9 6 9 年和1 9 7 4 年，分别在匈牙利和苏联召开了防治煤与瓦斯突出 国际讨论会。以后每隔几年便召开一次防治煤与瓦斯突出国际讨论会。国外的专 家【6 ‘7 】研究结果表明由于地质条件的变化，煤与瓦斯突出受到影响，且不平衡 分布，突出点位置多发生在构造附近。一些专家普遍认为，在地质构造演化条件 下，含煤地层发生变化，使瓦斯赋存条件发生变化，改变了影响瓦斯灾害发生的 地质因素。B i b l e rC J 等学者【8 】在研究全球范围的瓦斯涌出现象时，提出了瓦斯生 成条件及其聚集条件受到矿区大地构造运动的影响；F r o d s h a mK 等人【9 ‘1 0 】了解 到，在构造挤压条件下以及受到剪切作用的破坏，煤层结构遭受破坏，形成了构 造煤，充分形成瓦斯聚集的场所。 2 ．国内发展现状 在我国，有人在很早以前就提出了瓦斯地质方面的问题。2 0 世纪中期，杨 力生教授发现，由于断层的影响，瓦斯突然增加，造成了瓦斯爆炸事故，并提出 2 1 绪论 了通过研究瓦斯地质的道路来治理矿井瓦斯。5 0 年代初，在全国范围内广泛进 行了煤田地质勘探工作。6 0 年代前期，为了掌握煤矿瓦斯的赋存规律，在峰峰 煤田开展了瓦斯赋存与地质因素关系的研究【1 1 】。7 0 年代中后期，全国广泛普及 瓦斯地质工作。一些煤炭院校的地质老师开始进行瓦斯地质方面的工作研究，进 一步加深了对瓦斯与地质的关系的认识。1 9 7 8 年，在瓦斯地质座谈会上，讨论 了有关瓦斯与地质方面的问题，部分煤矿研究院及煤炭高校陆续开展了瓦斯地质 方面的研究。在这项工作中，总结得出了一些瓦斯与地质方面的规律，瓦斯地质 工作在矿井瓦斯防治工作中逐步得到应用。1 9 8 3 年“全国煤矿瓦斯地质编图” 项目的开展，瓦斯地质工作在全国广泛发展，全国各矿区组织编录三级煤矿瓦斯 地质刚1 2 J 。 从上世纪8 0 年代，我国就开始了编制瓦斯地质图的工作，至今已有2 0 多年 的历史。全国各省市的矿务局、矿井成立了瓦斯地质图编制小组。1 9 8 7 年，“全 国瓦斯地质图编制’’项目完成了5 0 0 余幅矿井瓦斯地质图、1 2 5 幅矿区以及2 5 幅省区瓦斯地质图【1 3 】。由于编制瓦斯地质图处在瓦斯地质工作的初始阶段，理论 依据尚不成熟，很多瓦斯地质图还不能指导矿井的安全生产。但是，瓦斯地质方 面的资料在全国矿井范围内得到系统的整理与分析，使瓦斯地质理论知识得到大 规模的宣传，在全国范围内汇集了大量瓦斯地质信息，为今后瓦斯地质的发展奠 定了基础。1 9 9 0 年以来，先后出版了瓦斯地质概论、煤层瓦斯赋存和流动 理论、中国煤层瓦斯分布特征、瓦斯地质规律与瓦斯预测、编制煤矿三级 瓦斯地质图等专著和统编教材瓦斯地质、瓦斯地质基础。近几年来，瓦 斯地质编图在我国发展比较成熟，而且能够指导煤矿的安全生产。2 0 0 6 年，河 南理工大学编制了平顶山矿区瓦斯地质图、各个矿井瓦斯地质图以及采 掘 工 作面瓦斯地质图；2 0 0 8 年，编制了双鸭山矿区及高瓦斯矿井瓦斯地质图2 0 1 0 年，编制了鹤岗矿区及突出矿井瓦斯地质图。同年，北京龙软科技发展有限公司 编制了七台河矿区及高瓦斯矿井瓦斯地质图、鹤岗矿区及高瓦斯矿井瓦斯地质 图、鸡西矿区及高瓦斯矿井瓦斯地质图。这些工作的进展表明，我国瓦斯地质工 作正在逐步发展，并渐趋成熟，为中国煤层瓦斯地质规律的研究和矿井安全开采 奠定了基础。 1 ．2 ．2 瓦斯预测国内外发展现状 1 ．国外发展状况 近年来，世界各国对瓦斯预测工作特别关注，在矿井瓦斯防治中投入大量的 钱财和技术研究，也取得了很大的成效和经验。在国外，瓦斯预测方面的技术相 当成熟，其主要技术如下 1 预测技术规范化由于井下煤层赋存条件的不同，开采技术条件对瓦斯 硕士学位论文 涌出的影响，俄罗斯对矿井瓦斯预测制定了法规条例。在其它的产煤国也涌现出 很多的研究方法，其中，英国建立了艾黎法、德国建立了文特法、美国建立了匹 茨堡矿业研究院法等，这些方法都符合该国的矿井条件，与开采技术条件相适应。 2 预测方法动态化国外研究瓦斯涌出的影响因素时，认为时间、空间以 及煤层赋存条件是主要的影响要素，并给出了复变函数的关系。德国学者研究的 瓦斯预测法效果较好，呈现动态的变化趋势，随着井下生产条件的变化，预测值 也有不同程度的变化，同时也受到井下瓦斯赋存条件的影响，可以依据变化的瓦 斯预测值，适量调整工作面的风量，在生产中制定预防瓦斯的措施，达到治理瓦 斯的目的。 3 预测内容多元化、综合化俄罗斯不仅对矿井瓦斯进行预测，分析了矿 井瓦斯分区分带的特性，同时也对瓦斯以后的涌出趋势做了详细的预测，对预防 瓦斯采取的措施给出了精确的评价。 2 ．国内发展状况 煤层瓦斯的一个重要的指标就是瓦斯含量，它决定着瓦斯涌出量，同时也可 以依据瓦斯含量进行瓦斯突出危险性预测。王生全通过灰色系统理论，采用关联 分析法，分析了瓦斯含量的地质要素，找出主控因素，建立起瓦斯含量的预测方 法。吴观茂等人采用瓦斯地质分析法构建了瓦斯含量预测关系。程五一等人探讨 了运用间接法反求煤层瓦斯含量，即运用相对瓦斯涌出量为基础，计算煤层瓦斯 含量。 在1 9 5 3 年，辽源矿务局第一次将矿山统计法应用到中央竖井中，计算煤层 瓦斯含量梯度，随后分析探索影响煤中瓦斯含量的因素。国内许多知名学者、专 家根据煤矿的多种变化情况，探讨了许多瓦斯含量、瓦斯涌出量的预测方法。李 曲运用基因表达式程序设计方法建立预测模型对采煤工作面瓦斯涌出量进行了 多方位的预测。付永水通过对瓦斯涌出量的复杂变化规律和主要影响因素进行研 究，探索出适用于低瓦斯煤层工作面的瓦斯涌出量预测方法，取得了良好的效果。 由于连续作业是综掘工作面的主要特点，在这基础上，曲方提出了基于煤壁瓦斯 涌出初速度的综掘工作面瓦斯涌出量预测方法，通过分析已采区瓦斯涌出量沿煤 层走向和倾向变化的趋势来预测未采区的瓦斯涌出量。陈富勇用到了数学分析的 方法预测矿井瓦斯，把瓦斯数据与深度进行拟合分析，找出它们之间的函数关系 对瓦斯进行预测。袁东升把瓦斯作为地质体的组成成分，其生成和赋存同样存在 地质作用的影响，这种情况下，他通过三维灰色趋势面分析法对未采区的瓦斯进 行预测。夏红春提出了基于最d - - 乘法的矿井及工作面深部区域瓦斯涌出量的预 测方法。 国内学者还论证了分源预测法。不少的学者都认为分源预测法可以作为矿井 4 1 绪论 瓦斯预测的主要方法，在实践中也取得非常好的预测效果。其思路主要是根据矿 井在实际生产过程中瓦斯涌出来源的数量以及各个涌出源涌出瓦斯量的大小来 进行预测的，计算确定瓦斯源瓦斯涌出量的大小，则是以开采煤层的瓦斯含量、 瓦斯涌出的显现规律和煤层开采的技术条件作为基础。分源预测法比较适用于对 新建的矿井、矿井水平的延深、新设计的采区和采掘工作面的瓦斯涌出量的预测。 可是这种方法所需要的一些参数，是对某些矿区进行现场实测而得到的，并且运 用的一些公式都是经验公式，这些公式与参数存在着局限性，当在其它矿区运用 时，往往出现预测结果精度可信度不高的现象。 在研究瓦斯地质的同时，国内专家还运用了瓦斯地质数学模型法来预测矿井 瓦斯。它是在研究瓦斯地质规律、观测瓦斯含量以及涌出量变化规律和筛选对瓦 斯含量、涌出量的变化产生影响的主要地质因素基础上，参考已采区的瓦斯通风 资料与地质资料，将煤层开采深度等多种产生影响的因素综合考虑在内，运用某 些数学的方法，建立存在多种变量的有关预测瓦斯的数学模型，并且对所得数学 模型加以求解，进行预测矿井未采区瓦斯量。 近年来，随着我国矿井趋于深部开采阶段，开采规模也越来越大，地质构造 条件也会变得越来越复杂，井下各种地质指标与矿井瓦斯之间的关系也将会变得 越来越复杂。因此，仅仅用以前的研究方法难以描述现阶段深部极其复杂地质条 件下的煤层瓦斯问题，严重影响矿井的安全生产。为了解决此问题，需要将瓦斯 地质理论与现阶段的生产实践相结合，通过多元素分析与现在的数据处理软件相 结合，找出煤层瓦斯与多种影响因素之间的关系，建立未采区的瓦斯预测模型， 实现对矿井瓦斯的预测。 1 ．3 本文主要研究内容与方法 1 ．3 ．1 研究内容 本论文以城山矿3 B 、2 5 撑层为主要研究对象，主要研究内容如下 1 ．研究了城山矿的瓦斯地质规律； 2 ．对3 B 、2 5 撑层瓦斯含量进行预测； 3 ．对3 B 、2 5 撑层瓦斯涌出量进行预测； 4 ．对3 B 撑、2 5 撑层煤与瓦斯突出危险性进行预测； 5 ．在L o n g r u a n G I S 3 ．0 的基础上，研究开发了矿井瓦斯地质专题图绘制系统， 运用该软件绘制了3 B 、2 5 撑层矿井瓦斯地质图。 1 ．3 ．2 研究方法 本论文采用定性分析、定量计算和绘图相结合的方法，研究了城山矿瓦斯地 硕士学位论文 质规律，对3 B 层、2 5 撑层的瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出危险性进行预 测。其步骤如下 1 ．收集地质、瓦斯资料； 2 ．统计分析地质、瓦斯资料，把矿井的一些地质构造、钻孔资料、地理图纸 进行整理，对瓦斯资料进行整理和筛选； 3 ．利用构造逐级控制理论，首先分析了鸡西矿区大地构造位置、构造应力及 分布特征，定性分析鸡西矿区瓦斯赋存特征；从地质构造、煤层顶底板岩性、煤 层倾角、煤层厚度、上覆基岩厚度、埋深等主要方面对城山矿的瓦斯地质规律进 行研究； 4 ．把影响瓦斯赋存的主要因素输入到S P S S 编辑对话框中，通过多元回归分 析，找出影响瓦斯赋存的最主要因素，把最主要因素与瓦斯含量再次输入到S P S S 编辑对话框中，进行一元回归分析，最后以最主要因素为预测变量，瓦斯含量为 因变量，建立它们之间的数学关系模型，得出预测方程，通过对方程的求解，得 出对应的瓦斯含量预测值。 5 ．运用瓦斯地质统计法建立瓦斯涌出量预测数学模型，通过对方程的求解， 得出对应的瓦斯涌出量预测值。 6 ．为了更能体现矿井的瓦斯预测情况，结合瓦斯地质规律、瓦斯含量、瓦斯 涌出量的预测结果，绘制出3 B 、2 5 撑层的矿井瓦斯地质图。 2 地质构造及控制特征 2 地质构造及控制特征 2 ．1 矿区大地构造位置及构造应力场 2 ．1 ．1 矿区大地构造归属及特征 鸡西矿区隶属于黑龙江龙煤集团，大地构造位置属于吉黑褶皱系。在吉黑褶 皱系东部地段有锡霍特一阿林造山带，属于中朝准地台和西伯利亚地台中间的蒙 古一兴安造山带 图2 - 1 。从中元古代开始，经过了兴凯、加里东、华力西、印 支、燕山多旋回的发展，最终经历了燕山造山运动。蒙古鄂霍次克带的海水退 出，晚侏罗世末封闭，褶皱隆起，形成后期的褶皱构造。蒙古一鄂霍次克带是华 北地块的大陆岩石圈和西伯利亚地块之间的逆掩一叠覆作用的主缝合带，内蒙一 吉黑带为次缝合带 图2 ．2 ，主缝合带是中国大陆与西伯利亚地块形成的最终的 图2 - 1 中国东部主要的大地构造单元 F i g ．2 - 1T h em a i nt e c t o n i cu n i t so fe a s t e r nC h i n a 7 硕士学位论文 ，田2 圃 6 囫，圆 4 困s 囫 9 园- o 囫 1 ．前震旦．纪地台和准地台；2 ．兴翎耀拦咬