赵各庄矿9煤层煤与瓦斯动力现象发生机理.doc

赵各庄矿9煤层煤与瓦斯动力现象发生机理 支晓伟1, 林柏泉1, 于双海2 1. 中国矿业大学能源与安全工程学院, 江苏徐州221008;2. 开滦集团 有限责任公司赵各庄矿, 河北开滦063101 [摘 要] 对影响赵各庄矿煤与瓦斯动力现象的井田地质构造、煤体结构、煤厚及其变化、煤 层围岩等地质因素进行了分析, 探讨了煤与瓦斯动力现象与上述地质因素之间的关系, 为煤与瓦斯动力现象的预测、预报及其防治提供了依据。 [关键词] 煤与瓦斯动力现象; 发生机理; 地质因素[中图分类号] T D823. 82 [文献标识码] B [文章编号] 1672299432004 0220021202 0 引 言 开滦集团 有限责任公司所属赵各庄矿开采历史长、井深巷远、地质构造复杂, 又是急倾斜开采, 随着矿井逐步向深部开发, 瓦斯突出得危险性增大, 并伴有动力的冲击显现。几十年间共发生煤与瓦斯突出23次[1], 其中有记录的有19次, 全部发生在9煤层。安全生产带来了很大的威胁, 力的正常发挥。 1 ] 、上统及二迭系下统组成, 主要开采上石炭太原统和下二迭系唐家庄统的煤层, 可采煤层为5、7、8、9、11、121和122号煤层, 总厚度1616～1817m 。其中5、7、9、11煤 层在全井田沉积稳定,8煤层在白道子以西没有沉积,12煤层在东翼1道半石门以东分为两层, 即121、122煤层。 9煤层为单一中厚至厚煤层, 局部夹1～4层 夹石。煤层厚度0143～9150m , 平均4115m 。煤层结构为碎块状、粉末状, 以亮、镜煤为主, 间夹少量暗煤条带, 沥青光泽, 属光亮型煤。井口附近及 东翼局部顶板侵蚀俗称“板舌头” 发育。顶板直接顶为褐灰色粉砂质泥岩, 老顶为灰白色含砾粗砂岩, 含煤屑、硅化木及南结核, 厚度平均 12102m ; 直接底为深灰色粉砂质泥岩, 含黑亮的植物根化石及黄铁矿薄膜, 厚度平均1106m ,9煤层是具有瓦斯突出危险的煤层。 2 矿井瓦斯涌出及煤与瓦斯动力现象 211 矿井瓦斯涌出的一般规律[3] 1 矿井瓦斯涌出量随开采深度增加而增加。2 各可采煤层瓦斯含量不一, 在开采过程中 瓦斯涌出也各不相同。根据以往对赵各庄煤层瓦斯参数的测定分析, 各煤层的平均瓦斯含量以9煤层最高, 约715m 3/t 。 3 地质构造有25～42, 平均3条张扭性正断层, 次生小断层张扭性为主, 使煤层拉伸变薄, 左边界靠近开平向斜转折端, 呈现上大下小、由上向下倾伏的开口形态, 利于瓦斯“稀释”, 因此瓦斯涌出量较低, 平均瓦斯涌出量为5m 3/t 。 ②井口西翼急正区和反山区煤层倾角55～90, 主要发育7条断层, 经后期改造, 断层力学性 质呈现先压扭后张扭。即使保持压扭性质, 但断层两侧伴生小断层发育, 影响带较宽, 不利于瓦斯保存, 互急倾斜煤层倾角大, 利于瓦斯释放, 因此瓦斯涌出量并不高, 平均为7m 3/t 。 ③井口褶曲区煤层倾角23～55, 深部煤层 倾角变小, 走向呈现反“S ”型, 构造应力性质相对集中。因此该区域相对瓦斯涌出量较大, 平均为815m 3/t 。 ④地质构造附近煤层瓦斯赋存差异较大。在9煤层中还会有导致突出的可能。212 矿井煤与瓦斯动力现象及其特征 1 全部发生在掘进工作面; 不论在石门揭 煤、平巷和上山掘进或者打钻孔时, 都发生过煤与瓦斯动力现象。 2 该矿属煤与瓦斯突出类型的动力现象至今发生过一次, 且强度不大; 其它有记载动力现象的煤量都在40t 以下, 瓦斯量均在2500m 3以下。 1 22004年第2期 能源技术与管理 3 该矿瓦斯动力现象主要发生在地质构造 地带, 如断层、褶曲及煤层倾角变陡等处。属于煤与瓦斯突出类型的那一次动力现象就发生在东Ⅲ断层。例如, 从测得的瓦斯压力值折线图1、2、3可看出,10水平西10～东3石门、11水平西4～东1、12水平西3～东1各处测得的瓦斯压力大多在临界值以上, 且超出点以西翼居多, 这与该区域属于井口西缓倾斜～倾斜区、区内煤层倾角较大18～45 、存在两条断层东Ⅰ、东Ⅱ 有关, 断层附近煤岩层走向急剧变化, 牵引褶曲发育, 构造应力集中, 瓦斯压力也随之增大 。 图1 9煤层10 水平绝对瓦斯压力折线 图2 9煤层11 水平绝对瓦斯压力折线 图3 9煤层12水平绝对瓦斯压力折线 4 通过煤与瓦斯动力现象分析表明,9煤层 煤与瓦斯动力现象绝大部分是在外力作用下产生 的。其中, 由爆破引起的次数为15次, 占6512。 5 9煤层在发生煤与瓦斯动力现象前, 一般都出现过预兆。最常见的是工作面前方响煤炮或瓦斯忽大忽小; 打钻过程中时有夹钻、由孔内向外喷瓦斯和煤粉的现象; 有时煤质突然变软, 煤层中 常夹有厚薄不一的软分层等预兆。发生煤与瓦斯 动力现象前, 有时只出现过一种预兆, 有时则同时出现几种预兆。因此, 当煤层出现这类预兆时, 应视为瓦斯突出危险区域, 及时采取相应防突措施。 3 突出机理分析 311 构造煤特点及对煤质的影响 构造煤的特点是煤体孔隙小, 渗透性差, 为 瓦斯保存提供了条件; 煤体破碎, 比表面能增加深, 吸附瓦斯能力增强, 使瓦斯在煤层内局部聚集, 瓦斯含量增大; 构造煤煤分子结构受理变形, 排列更趋紧密, 内能增大; 构造煤具有瓦斯解吸快、放散快的特点; 构造煤强度低, 易破坏和抛出。312 构造对煤层瓦斯含量的影响 9煤层顶板为褐灰色粉砂质泥岩, 厚约0～0195m , 平均015m ; 底板为深灰色粉砂质泥岩厚 约015～2131m , 平均1106, 。, 属“两硬夹一, , 从发生过动力现象的地点看出, 这些地方的煤层埋藏普遍较深, 这些因素决定了煤层具有很高的瓦斯含量。313 构造与应力作用的关系 发生煤与瓦斯动力现象的地点煤层埋藏深度一般较深, 地应力很大; 同时, 这些地方均为构造应力集中带, 煤层受到的应力作用也远远大于其它位置, 在应力作用下, 原生沉积的煤层发生颗粒位移、破碎和重新组构而形成构造煤, 为动力现象的发生创造条件。 在采掘工作面, 处于上述状态的煤体上阻碍瓦斯流动的屏蔽作用物被突然揭开, 导致应力重新分布, 使得新暴露的煤层应力突然减小, 煤层内部瓦斯内能与煤岩层间来源失去平衡, 处于极限应力状态的部分煤体突遭破坏, 卸压并发出巨响 和冲击; 同时, 大量吸附瓦斯进入解吸过程, 膨胀瓦斯流形成, 使得破碎的煤粒在高速瓦斯流中呈悬浮状态流动, 冲向巷道。 同时由于断层、褶曲等地质构造的存在, 阻碍了瓦斯在煤层内的流动, 而瓦斯一般都是沿走向流动的, 因此在这些地质构造处形成了高瓦斯区和构造应力集中点, 为煤与瓦斯动力现象的发生提供了必要的条件。当9号煤层处在断层、褶曲、变薄增厚、夹有软分层等地质变化下转第28页 22支晓伟等 赵各庄矿9煤层煤与瓦斯动力现象发生机理 2004年第2期 浓度小于18; 工作面向采空区80m 以外为窒息带, 氧气浓度小于10。这样既便于了解采空区煤炭氧化的发展程度, 也为评估采取防火措施的效果提供了科学依据。216 确定合理的推进度通过工作面两道预埋束管取气样的方法, 摸索出权台煤矿综放采空区“三带”与推进度的关系, 确定合理的推进度在每月80～90m , 结合孤岛面受来压强烈的影响, 确定推进度为每月85m 左右, 加快推进, 以减少两巷维护量, 并达到不断将采空区氧化带撇到窒息带的目的, 这是最有效防灭火的措施之一。217 高冒点处理的防治与处理 由于孤岛工作面应力集中的影响, 两巷道易出现高冒而引起自燃火灾, 采取把巷道表面用混凝土喷实, 在喷浆前, 预埋Φ15mm 钢管作为措施孔, 待混凝土凝固后, 往钢管内注适量的新型煤矿防灭火剂ME A -1 。218 封闭期间防灭火措施 为防止工作面拆除期间的氧化发火, 拆除前由跟底上爬至跟顶回采, 顶, 上爬距离在10～15, 上爬到顶板期间, 要对采空区进行注浆和注水, 注 封堵防灭火剂ME A -1 , 每班两次对下隅角进行各种气体浓度和温度的检查, 加强对顶煤的观察, 严格监督放净顶煤。拆除结束后, 在工作面的材料道的煤巷及向外岩巷横管各砌一道500mm 厚的砖墙。在工作面的溜子道的煤巷砌一道500mm 厚的砖墙, 在岩巷横管砌二道隔1m , 墙厚380mm 的砖墙, 在岩巷横管里墙内注沙土60m 3和封堵防灭火剂ME A -1 400kg , 在两墙中间注满沙土不漏风为止。 3 效 果 权台煤矿34223孤岛综放工作面采取上述有效综合防火措施后, 控制了C O 的出现, 避免了煤炭的自燃, 使得该工作面得以顺利开采, 并成功采出了72万t 煤炭, 为类似工作面开采的防灭火提供了可靠的控制技术措施。 [] , , , 助理工程师,1986, 现工作于徐州矿务集团有。 [收稿日期2004-03-08] 上接第22页 , 发现煤质结构有明显变化, 煤的光泽呈半亮或半暗淡型交替出现, 个别煤光 泽暗淡; 层理紊乱, 无次序, 呈小片状构造; 节理不清, 用手一捻, 即成小片片或粉末状, 测定f 值015。从结构上看, 该处煤多数属Ⅲ型。同时还看到, 地质变化带煤层常出现瓦斯动力现象特征, 测定煤的瓦斯放散初速度ΔP 值也明显增大, 有的ΔP 值≥10[2]。 4 结 论 1 赵各庄矿煤与瓦斯动力现象的发生具有 明显的区域性在有记录的19次动力现象中, 全部发生在断层、褶曲及倾角变陡区等地质构造带, 这说明地质构造带是煤与瓦斯动力现象多发部位。 2 赵各庄矿井田范围内12煤层中瓦斯含量为713m 3/t , 而9煤层中瓦斯含量为715m 3/t , 两者相差不大, 但9煤层突出危险性比12煤层大, 在已发生的23次突出中,9煤层占绝大多数。其 主要原因就是9煤层在地质构造应力作用下大部分煤层结构遭到破坏, 形成构造煤, 强度明显降低, 它是发生煤与瓦斯动力现象的必要条件。 3 根据煤与瓦斯动力现象发生的区域性、与地质构造分布的对应关系, 准确及时地对煤层有动力现象的危险区段进行预测, 尤其是对地质构造应力集中带进行分析预测, 采取适当的防范措施, 可以克服盲目性, 从而提高生产进度。 [参 考 文 献] [1]煤科总院抚顺分院. 开滦矿务局赵各庄矿12水平9 号煤层煤与瓦斯突出危险性区域划分[R].19981 [2]赵各庄矿业有限公司. 矿井地质报告[R]11998[3]林柏泉1矿井瓦斯防治理论与技术[M]1徐州中国 矿业大学出版社,19981 [作者简介] 支晓伟1979- , 男, 河南商水人, 中国矿业大学能源学院在读硕士研究生, 主要从事安全工程、煤矿安全理论与技术等方面的研究。 [收稿日期2004-06-04] 82李 猛等 孤岛综放工作面煤炭自燃的防治技术 2004年第2期