张集矿煤与瓦斯突出地质控制因素分析.doc

第16卷 第1期2006年1月 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 Journa l o fH e ilong jiang I nstitute o f Science 地质构造; 煤体结构; 煤层厚度 中图分类号TD712. 52 文献标识码A Analysis of geol o gi c al f actor -contr olli n g o f coal and gas outburst on Zhangjim ining HE Ye , FU X uehai Schoo l o f R esource and Earth Science i n Ch i na U n i versity o fM ini ng and T echno l ogy , Xuzhou 221008, Ch i na Abst ract The paper discusses the ana l y sis of accord i n g to the da ta co llected fr om t h e ori g ina l geo l o gy and t h e gas para m eter of Zhang jim ine , coal and gas outburst fro m the geology s point o f v ie w , and to m ake sure that the contro l factors o f t h e coal and gas outburst are the geo l o gy construction effec. t The coa l and gas ou t b urst of Zhang jim i n e beca m e m ore and mo re danger ous due to the increasing l y higher m eta m orphoses deg ree . The tecton i c coal developed areas is m ore dangerous than o ther areas . The coa l and gas outburst beca m e m ore and m ore dangerous a l o ng w ith the thickness of coal sea m chang i n g and in creasi n g . The above conclusions lay the f o undation for forecasti n g the area o f coa l and gas outburst and gu i d i n g the safe producti o n of Zhang jim i n e . K ey w ords oal and gas outburs; t geo logy constr uc; t coal constructi o n; t h ickness of coa l sea m 现象。在进入深部-700m 水平开采以来, 该矿 0 引 言 煤与瓦斯突出是矿井下发生的一种复杂的瓦斯动力现象, 也是煤矿严重的自然灾害之一。张集煤矿为徐州矿区第一个煤与瓦斯突出矿井, 随着矿井开采深度的增加、开采水平的延深, 出现了瓦斯动力 收稿日期2006-01-16 基金项目国家重点基础研究发展计划973计划, 2005CB221501 1994年发生了三次冲击矿压事故, 1995、1998年在-700m 东二采区又发生了三次煤与瓦斯突出现 象, 严重制约了张集煤矿的安全生产。 为了有效防止煤与瓦斯突出发生, 保障安全生产, 笔者综合利用张集矿原有的地质资料以及矿井生产中测定的各项煤层瓦斯参数, 从地质的角度进行分析研究, 以确定张集矿煤与瓦斯突出的控制因素, 并为煤与瓦斯突出危险区域的预测 第1期 何 也, 等张集矿煤与瓦斯突出地质控制因素分析5 提供前期准备。m , 平均为1 98m; 9煤最大厚度为2 38m , 平均为0 76m; 9煤最大厚度为5 00m , 平均为1 38m 。 -2 1 地质背景 张集矿位于江苏省西北部, 徐州市铜山县张集乡境内。井田范围西始安徽省界, 东至纬线3808000, 南始各煤层露头, 北至各煤层-1000m 底板等高线。 2 井田面积24km 。 研究区的主要含煤地层是太原组、山西组和下石盒子组。7煤、7煤、9煤及9煤为该井田的主要可采煤层。其中, 7煤最小厚度为0 1m, 最大厚度为5 37m, 平均为1 41m; 7煤最大厚度为9 95 -2 -2 -2 研究区总体为一单斜、发育有次级的张集背斜、姚庄背斜和李庄向斜, 地层走向基本为北东、北北东向, 倾向总体为北西向。地层倾角浅部较陡, 局部近似直立, 23线以东张集背斜至F 1断层之间达4565 。F 2断层东南部倾角一般在1036 , 平均为32 ; F 2断层西北部倾角一般为828 , 平均为23 ; 西区发育了一个向西南收敛、向东北撒开的张扭性帚状构造, 断层发育图1 。勘探所见大中型断层有33条, 正断层有26条, 逆断层有7条。以第17勘探线为界东西区构造地质特征具有明显的差异性。 该区岩浆岩的形成时代分为燕山早期、燕山晚期及喜马拉雅山期三个时期, 主要分布在井田东北部21线以东及西南端16线以西浅部两处。其岩性为中基性煌斑岩、石英粗安岩、酸性石英斑岩、斑状细砂岩、碳酸化石英斑岩。井田东部岩浆岩, 主要以岩床型侵入山西组7-2煤层, 其中有侵入于煤层顶板, 或侵入该煤层使之变薄分叉, 导致煤层被烘烤变质甚至成为天然焦, 局部被吞蚀。火成岩侵入厚度为2 2231 38m, 影响面积约4 2km 。井田西区火成岩出露在煤层露头外, 为岩株状侵入体, 东西直 2 径约2 7km, 分布面积约8 5km 图1 。 2 规模、性质、疏密程度、排列组合以及构造部位等的差异, 对瓦斯突出均有不同程度的影响 [1] 。 张集煤矿断层构造十分发育, 共发育落差20m 以上断层32条图1, 其中7条为逆断层。另外, 发育陷落柱三个, 区内并有火成岩侵入。生产中共揭露小断层490条, 下石盒子组1煤计67条, 总长4496m , 平均落差1 80m; 2煤10条, 总长1547m , 平均落差2 34m; 山西组7煤152条, 总长11780m , 平均落差2 10m; 7煤68条, 总长6972m, 平均落差2 16m; 9煤47条, 总长4951m, 平均落差1 70m; 9煤146条, 总长10237m, 平均落差1 55m 。 -2 -2 张集矿迄今所发生的煤与瓦斯突出现象多是受 2 地质条件对煤与瓦斯突出的影响 2. 1 地质构造与突出的关系 地质构造与突出的关系极为密切。在发生突出的地段内, 煤岩层产状及其变化, 地质构造的类型、 构造影响。发生在2002年8月9443皮带运输机道 横管拐弯10 8m 处 的煤与瓦斯突出, 其突出处有两条落差0 8、1m 的正断层, 而其迎头煤层层理、厚度均正常。发生在2003年5月7353工作面的煤与瓦斯突出, 其突出地点上下有两条落差为 6黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第16卷 构造纲要图见图1, 该区域位于张集背斜北翼, 其上次级向斜和背斜较为发育, 大中型断层及小型断层十分发育。由于张集背斜和次生地质构造的影响, 局部煤层揉皱, 煤质较松软具有软分层, 煤体的破坏较为严重, 按煤体破坏程度, 可归属于ⅢⅣ [2] 0 2m 的斜交正断层。发生在1995年10月东九皮带下山的煤与瓦斯突出, 该区域地质构造复杂, 断层呈条带状分布, 以NE 为主, 煤层倾角1325 , 东九皮带下山位于次级向斜轴部附近。该下山掘进迎头距F 4正断层50m, 距F 2大断层350m 。该区9煤层上部7煤层被火成岩床侵入。 从这几次煤与瓦斯突出可以看出地质构造因素和岩浆作用在张集矿煤与瓦斯突出中所起的作用。几乎每一次煤与瓦斯突出都伴随有地质构造断层、褶皱发育、岩浆岩侵入 的影响。2 2 煤体结构对瓦斯突出的控制 突出煤层均具有构造结构特征。把突出煤层的煤结构称为煤体结构, 它主要是指煤层在后期改造所形成的结构。 根据大量突出点的调查统计, 在发生突出的地点及附近的煤层都具有层理紊乱、煤体松软的特点。人们习惯上把这种煤叫做软分层煤, 或简称软煤。所谓软分层或者软团块、软煤, 是与正常煤层相比而言的。这种煤层比正常煤分层的强度明显降低, 具有极端的松软性和易碎性, 用手捻搓易成c m 、mm 级碎粒甚至煤粉。从瓦斯地质角度分析, 软分层煤应属于构造煤, 是煤层在应力作用下形变的产物。 在井下观测, 构造煤呈层状、似层状、团块状、条带状等不同形态, 以一层、多层或全层等多种形式位于突出煤层的一定层位或局部构造部位。构造煤分层的显著特点是与煤层顶或底 板或者正常煤分层呈明显的构造不协调现象接触, 并表现出特殊的赋存形态, 例如发育密集的近于平行排列的劈理、强烈的层间褶皱等。 从张集矿构造煤的各项瓦斯地质参数测试结果表1 可以看到, 煤的坚固性系数f 值 随着煤体破坏程度的增高而降低; 煤的瓦斯放散初速度 v 与煤体破坏程度成正相关关系, 即随着煤体破坏程度的增加, 瓦斯放散初速度增大, 突出危险性也随之增大。 表1 突出危险性与煤体结构关系 Table 1 R e l ation of ou tburst fatalness and coal con stru cti on 测定地点9448皮带机道9446皮带机道9443斜皮带机道1240工作面7604工作面 煤的破坏类型瓦斯放散初速度 v 煤的坚固性系数f ⅣⅡⅣⅢⅢⅣ 172143 53 5 0 3720 8000 5181 2990 599 -2 -2 类煤, 而构造煤的发育增加了该区煤层发生突 出的危险性。 2 3 地应力与突出的关系 地下煤体是处在复杂的和强大的自重应力、构造应力和开采附加应力场中。岩层煤体被开采后会形成采空区, 岩体变形将引起弹性能的积聚, 再加上开拓部署方式的影响、煤层中瓦斯的运移, 在采掘过程中就不可避免地出现煤与瓦斯突出、冲击矿压等矿山开采动力现象。 -2 张集矿9煤层上部有软分层, 开采深度较深801916m , 并且在采掘工作面前方存在应力集中区。图2为根据9煤层东二采区9448工作面突出预测结果作出的预测指标钻屑量S 随孔深分布散点图。 -2 从图2中可以看出, 9煤层掘进工作面前方48m 处处于应力集中带, 在该区域发生的喷孔、响煤炮、夹钻等煤与瓦斯动力现象也较多。应力集中带的煤体被破碎, 煤体所含瓦斯大量迅速解吸, 使得煤层软分层及附近煤体被高速破坏和压出, 大量解吸的瓦斯将压出的煤抛出较远的距离, 从而发生了煤与瓦斯突出。9煤三次煤与瓦斯动力现象均表现出煤被抛出较远距离的特征。2 4 煤厚及其变化与瓦斯突出的关系 张集矿由于小断层使煤厚发生变化, 一般上盘煤厚变化大, 煤层结构复杂化, 常表现为断顶不断底或断底不断顶现象。 据统计, 突出点常分布于煤层厚度大和煤厚变化大的部位。煤厚及其变化对突出危险程度的影响[3]-2 -2 张集矿1998年11月份在9443转载皮带机道 第1期 何 也, 等张集矿煤与瓦斯突出地质控制因素分析7 量有关, 厚煤带还为瓦斯的储集提供了场所。在其他影响因素较弱的情况下, 煤层厚度变化与瓦斯绝对涌出量呈明显的正相关关系。 煤层厚度变化造成了瓦斯分布上的差异。一定程度上, 煤厚变化梯度反映了瓦斯含量的变化梯度, 造成了瓦斯突出点的不均衡分布表2 。 表2 煤层厚度变化与瓦斯突出关系 Tab le 2 Relation of thickness of coal sea m and gas outburst 地点 各取样点处的煤层平均厚度 厚度/m 3 60、3 50、3 41、3 20、2 80、2 50、1 303 82、3 80、3 80、3 75、3 75、3 72 /m 2 903 77 煤厚标准差平均瓦斯涌出量 /m0 8090 039 /m 3 t r -4 552 1 9448工作面9446工作面 瓦斯压力测定结果为0 68M Pa 。从瓦斯压力和瓦 1 801 斯含量来看, 地勘时期瓦斯含量无论是浅部还是深 -23 部, 9煤瓦斯含量都不是很大, 均小于10m /,t 似乎9煤层不具备发生突出的瓦斯条件。但9煤瓦斯放散初速度较快, 煤体一经暴露瓦斯即快速放散, 易于形成具有携带破碎煤能力的瓦斯流, 这也是打钻时响煤炮、喷孔、夹钻等煤与瓦斯动力现象较频繁的原因之一, 增加了9煤的突出危险性。 -2 -2 -2 2002年4月底发生在9443皮带机道的煤与瓦斯突出, 是工作面掘进头煤层急骤增厚至6 0m, 且 没有出现明显的有利于瓦斯突出的其他地质构造条件。据此推断, 煤层厚度的急剧变化与厚煤带的分布是引起该次煤与瓦斯突出的主要原因。 3 其他地质控制因素 除了地质构造、煤体结构、煤厚及其变化对煤与瓦斯突出控制外, 还有其他一些重要的地质控制因素。3. 1 煤层顶底板与突出关系 9煤顶板为粉砂岩和泥岩, 顶板下部有0 20 4m 的软分层, 底板为砂岩、粉砂岩, 而且-700m -2 水平以下9煤层赋存较深, 具较好的圈闭与阻止瓦斯逸散的围岩类型及盖层条件, 使得9煤层的瓦斯不易扩散, 从而为突出提供了瓦斯条件。3. 2 埋深与突出关系 随着张集煤矿开采水平不断加深, 相对瓦斯涌出量在总体上呈增大趋势图3, 突出危险性也随之增大。以9423工作面和9446工作面为例, 两工作面同 -2 样是处在-750-800m 水平, 且均为9煤, 但两者的绝对瓦斯涌出量却相差很大。9423工作面的绝对瓦斯涌出量为0 90m /mi n , 而9446工作面为4 503 m /mi n 。两者的埋深、煤岩性质、构造水文条件等都差不多, 但由于每层厚度相差较大, 分别为1 3和3 5m 左右, 导致两者绝对瓦斯涌出量相差较大。3. 3 瓦斯含量与突出关系 -2 根据实际瓦斯含量测定结果, 9煤层瓦斯含量较小0 534 89m /, t 平均2 92m /t, 东翼深部补充地质勘探期间测定的煤层瓦斯含量也不大, 9 3-23 煤9 m , 0 m /t, 3 3 3 -2 -2 4 结 论 张集矿迄今所发生的煤与瓦斯突出动力现象多受构造影响, 是以地应力为主导因素的突出。构造应力加采掘集中应力, 使得处于地质构造带采掘工作面前方的煤体被压碎、次生裂隙带中的瓦斯含量增加、煤体破碎、急剧放散的瓦斯迅速涌出, 形成瓦斯流, 把已破碎的煤带入巷道, 造成煤与瓦斯突出。 张集煤矿煤与瓦斯突出危险程度随着煤的变质程度的增高而增大; 构造煤发育的地区往往是煤与瓦斯突出危险程度较大的地区。煤的厚度越大、煤厚变化程度越大的地区, 煤与瓦斯突出危险程度越大。煤层顶板岩层为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩时煤与瓦斯突出危险程度较大, 煤层顶板越厚的地区煤与瓦斯突出的危险性越大。参考文献 [1] 吕代铭. 瓦斯地质概论[M].北京煤炭工业出版社, 1990. [2] 中国矿业学院瓦斯组. 煤与瓦斯突出的防治[M].北京煤炭 工业出版社, 1979. [3] 刘国林, 葛均刚. 张集矿构造地质特征及其对矿井瓦斯的影响 [J].煤矿安全, 1995, 923-24. 作者简介何 也1980-, 男, 河北省唐山市人, 硕士研究生, 研究方向矿产普查与勘探, E-m ail dapenghy 163. com 。