平顶山矿区深部己组煤层瓦斯地质规律研究.pdf

★ 煤炭科技 地质与勘探 ★ 平顶山矿区深部 己组煤层瓦斯地质规律研究 李如波 1 ．河南理工大学，河南省焦作市，4 5 4 0 0 0 ； 2 ．平煤集团开拓处，河南省平顶山市，4 6 7 0 0 0 摘要针 对 深部 突 出煤层 存在 的防 突及 瓦斯 治理 的 问题 ，从 瓦斯地 质规 律 方面进 行研 究 ，提 出 了治 理 的构 想 ，并进行 了现 场 实施 ，取得 了比较 好 效果 。认 为通 过 对深部 己组煤层 采掘工作面的瓦斯 涌出情况统计 ，初步掌握 了深部己组煤层瓦斯涌出规律。 关 键词 深 部 开采煤层 瓦斯地质规 律平顶 山矿 区 中图分 类号TD 7 7 2 文献 标 识码A A s t u d y o n t he r e g u l a r i t y o f s e a m g a s g e o l o g y o f t h e F Gr o u p c o a l s e a ms i n t he d e e p pa r t o f Pi ng di n g s ha n c o a l mi n e a r e a s Li Ru b o 1 ． He n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， J i a o z u o ， He n a n p r o v i n c e 4 5 4 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ．D e v e l o p me n t D i v i s i o n ， P i n g d i n g s h a n C o a l Gr o u p ， P i n g d i n g s h a n ，He n a n p r o v i n c e 4 6 7 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e ms o f o u t b u r s t p r e v e n t i o n a n d g a s c o n t r o l i n d e e p s e a ms o f c o a l mi n e s ，t h e a u t h o r c a r r i e s o u t a s t u d y o n t h e r e g u l a r i t y o f mi n e g a s g e o l o g y a n d h e n c e p r o p o s e s b a s i c i d e a s f o r c o mp r e h e n s i v e ma n a g e me n t a n d c o n t r o 1 ．Th e r e s u l t s p r o v e t o b e g o o d ．Ac c o r d i n g t o t h e a u t h o r ，o n t h e b a s i s o f t h e s t a t i s t i c s o f mi n e g a s i n f l o w r a t e f r o m t h e F Gr o up c o a l s e a m s i n t he de e p p a r t o f t he mi ne a r e a，m i ne g a s i n f l o w pa t t e r n f r o m t he d e e p F Gr o u p c o a l s e a ms h a s b e c o me k n o wn ． Ke y wo r d s c o a l s e a m ga s，g e o l o gy r e g ul a r i t y a nd p a t t e r n Pi ng di n ys ha n c a o l mi ne a r e a s 1 概 述 平顶山矿区己组煤层是 主采煤层之一 ，目前 ， 平顶山矿区大型矿井 的己组煤层采深大部分超过或 接近千米 ，瓦斯动力现象时有发生 ，直接影响安全 生产和高产高效矿井建设 ，为此，做好平顶山矿区 深部己组煤层瓦斯地质规律的研究 已日显重要 。 1 ． 1 平 顶 山矿 区己组煤 层 的 突出概 况 平顶山矿 区己组煤层的突出概况见表 1 。 表 1 平顶 山矿区 己组煤层的突 出概 况 1 ． 2 平顶 山矿 区 己组煤 层 煤与 瓦斯 突出特 征 1 随着矿井开采深度的增加 ，突出危险性增 大 。 平顶山矿区深部己组煤层瓦斯地质规律研究 2 在某个矿井 内，突出危险呈条带分布 ，一 般只有几个工作面连续突出。 3 在平顶山矿区，由西向东 ，突出的危险性 8 1 随之增大 这与矿井己组煤层开采规模相关 ，具有 一 定的代表性 。 4 在己组煤层中发生突出的煤层多 ，不管是 合层或分层 ，均发生过煤与瓦斯突出。 5 绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面，在 已发生的 5 6次 突出中，有 5 4次发生在掘进工作 面，只有 1 次发生在回采工作面，1次发生在斜巷 揭煤时 ，并均为压出类型。 6 突 出与地 质构造 带 的关 系 比较 明显 ，突 出 一 般发生在地质构造破坏带或煤层赋存变化区，在 已发生的 5 6 次突出中，4 7次发生在构造变化处 。 7 突出前均有作业方式诱导 ，一般与采掘工 艺对煤层的作用有关 ，当没有外力对煤层作用时 ， 很少发生煤与瓦斯突出，个别出现延迟突出。 8 大多数 煤与瓦斯 突出有 一定 预兆 ，如煤 炮 、喷孔等异常现象 。 2 平顶山矿区地质构造与瓦斯动力关系分析 2 ． 1 平顶山矿 区地质构造特点 平顶山煤田处于秦岭纬向构造带的东延部分及 淮阳山字型构造的西翼反射弧顶部 ，既受纬向构造 带的控制 ，又受淮阳山字型构造的影响 ，使平顶山 煤 田形成一系列北西向复式褶皱构造形态 ，并发育 以北西向为主的张扭性和压扭性断裂，以及次一级 的北东向张扭性断裂 ，从而形成整个煤田以断裂为 主、褶皱为辅的基本构造格局 。 纵观区域地质史 ，区内先后受六期构造运动的 影响。中岳运动使前震旦纪地层产生强烈 的褶皱、 断裂以及变质作用 ，并伴有岩浆活动，形成了昆仑 一 秦岭纬向构造带 ，奠定 了前震旦纪的褶皱基底 ； 少林 运动 、怀远 运动 和加 里东 运动 在本 区主要 表现 为大面积缓慢抬升运动 ，未见 明显的褶皱和断裂， 但具有继承中岳运动的性质 ，使沉积盖层在一定程 度上也产生纬向构造 。加里东运动的结果造成志留 纪、泥盆纪及奥陶纪地层的缺失 ，并显示出愈向南 愈强烈的特征。燕山运动是本区具有深远意义的一 期构造运动 ，它奠定了嵩淮弧的基本构造格架 ，使 区内中生界及其以前的地层卷入了这次运动，产生 了开阔的背向斜构造 ，并伴 以相当发育的近东西向 以及北 东 、北 西 向断裂 ，破 坏 了褶 皱 的完 整性 。燕 山运动晚期有中酸性及基性岩浆沿构造薄弱地带侵 入。喜马拉雅运动在本 区主要表现为差 异升降运 动 ，并伴有断裂产 生 多为先期 断裂 的继 承性活 82 动 ，偶有基性岩浆喷出。 总结上述地质构造运动及演变结果，可以得 到 平顶 山煤 田典型的地质构造特征 ，有以下几点 。 1 平顶山煤 田处于四周凹陷所拱托的断块 隆 起之上。北西为宝丰、郏县凹陷带 ，北东为襄县 、 临颍 凹陷带；南面为叶县 、吴城凹陷带。这些凹陷 带一般都有厚达千米 以上的新生界沉积，并与断 块 隆起之间以高角度正断层相隔。 2 区内地质构造 以断裂为主，以褶皱为辅 。 其中，北西向高角度正断层为主导构造，对煤 田构 造起控制作用 。 3 规模较大的正断层 ，显示了多次构造活 动 的复杂影响，使这些断层既显示上、下盘的拉伸 现 象 ，又显示具有压扭性结构面特征的挤压现象。 4 宽缓褶皱一李 V I 向斜是煤 田的主体构造 ， 其西北端倾伏 ，埋藏深 ；东南段抬升，埋藏浅。 5 其地貌特征 ，自东向西有明显的与地质 构 造相适应的指示 山脊存在 。 2 ． 2 瓦斯赋存 特征 与地 质构 造 间的关 系 平顶山矿区位于秦岭造山带后陆逆冲断裂褶 皱 带，受秦岭造山带的控制 。由于该矿 区位于华北 板 块南缘 ，同时又受华北板块构造活动的控制。该 矿 区在晚海西期、早印支期秦岭板块与华北板块碰撞 拼接之前属于华北型的沉积 ，沉积了一套完整的石 炭二叠纪煤系 ，厚度 8 0 0 m 左右，煤层发育齐全 ， 厚度大，煤层层数多达 6 0余层 ，煤层最厚超过 3 0 m。镜煤反射率为 0 ． 8 5 ～1 ． 6 4 9 ／ 6 ，煤种主要为 气 煤、肥煤、焦煤 、瘦煤，该 阶段煤气发生率为 6 5 ～ 1 7 0 IT I 。 ／ t ，并 且有油气 、重烃气兼 生并存 的 特 点。煤岩组分 特征镜质组含量 4 6 ． 1 5 ～7 9 ． 6 ， 平均 6 0 ％；半 镜 质 组 3 ． 9 4 ～ 1 0 ． 6 ；壳 质 组 0 ． 3 6 ～1 6 ． 4 5 ％，壳 质组 含量高 ，它是生气能 力 最强的煤岩组分 。这些基本的煤质构成，反映出平 顶山矿区各组煤层均属于生气能力很强的煤层 。 平顶 山矿 区 己组 煤层 顶 、底板均 属 于泥岩 ，透 气性能极差 ，具有很好的瓦斯赋存状况 ，并且局 部 存在较大的地质构造有利于瓦斯富集 ，预示着己组 煤层具有很高的瓦斯含量 ，并且表现出地域不均衡 性，己组煤层的瓦斯赋存特征与地质构造之间存 在 很 强 的关联 关 系 。 2 ． 3 地 应 力、地 质 构 造 、 冲击 矿 压 对 瓦斯 突 出的 影响 平顶 山矿区己组煤层属于弱冲击倾 向性煤层 。 中国煤炭第 3 6 卷第 1 期 2 0 1 0年 1月 根据实践以及理论分析 ，煤与瓦斯突出主要发生在 高瓦斯煤层受强 构造挤压剪切作 用 的构造 煤发育 区，煤与瓦斯突出的能量来源是煤体积聚的弹性变 形能和瓦斯膨胀能 。根据 目前对煤与瓦斯 突出能量 的计算分析 ，瓦斯膨胀能一般比煤体弹性变形能大 1 0倍以上，所 以煤 与瓦斯突出的能量 主要是煤体 内积聚的瓦斯膨胀能 。从煤与瓦斯突 出发生的机理 看 ，煤与瓦斯突出是含高压瓦斯煤体 由于突然卸压 破坏而发生 的一种动力现象 ，地应力、高压 瓦斯 、 卸压破坏速度综合作用控制着 瓦斯膨胀 能的大小 ， 决定着煤与瓦斯突出的发生。 地应力的大小决定 了煤体弹性变形能的大小和 冲击矿压发生的能量 ，同时也控制 了瓦斯赋存特征 和瓦斯流动状态。凡地应力大的地方 ，煤体弹性变 形能就大 ，煤层透气性差 ，瓦斯不易流动 ，有利于 原始状态瓦斯 的保存 ，积 聚了较高的瓦斯膨胀能。 因此地应力增高 的区域 属于煤 与瓦斯突 出危 险区 域 。 地质构造是地壳运动的结果 ，根本上是地应力 作用的结果 。地质构造应力的作用 ，不但改变了地 质构造处的煤体应力状态 ，而且也改变了煤体 的性 质和瓦斯赋存状态。一般来讲 ，压扭性封闭性构造 发育的地方 ，地应 力大、瓦斯含量 高和煤体强 度 低 ，张拉性开放性构造发育的地方 ，地应力、瓦斯 含量减小，煤体性能变化不大 。所 以在压扭性封闭 性构造发育的地方，煤体弹性变形能大、瓦斯膨胀 能大，煤体抵抗破坏的能力低 ，有利于煤与瓦斯突 出的发 生 。 冲击矿压是煤体 中积聚的弹性变形能达到了极 限状态而突然发生的一种卸压破坏现象 。冲击矿压 是地应力显现的结果 ，地应力高的区域 ，容易发生 冲击矿压 。由于煤体突然大面积卸压 ，瓦斯 由吸附 状态瞬间转换为游离状态 ，使得煤体内部瓦斯膨胀 能急剧增大 ，有可能引起煤与瓦斯突出。 从能量的角度看 ，地应力大、地质构造发育的 区域 ，煤体弹性变形能大 ，瓦斯膨胀能大 ，为煤 与 瓦斯突出的发生提供了能量来源。冲击矿压为瓦斯 膨胀能的释放提供了一种激发方式 ，从而引发煤与 瓦斯突出。 从对平顶山矿区各矿井 己组煤层突出事故的统 计分析发现，己组煤层突出地点基本上均与地质构 造带有关 ，绝大多数发生在构造变化区域 ；突出前 均有作业方式诱导 ，突出受采动影响很大 ，并非是 平顶 山矿区深 部己组煤 层瓦斯地 质规律研 究 以 “ 主动式”突出为主 ，基本上属于外力引发的突 出 。 根据对十矿 、十一矿、十二矿等井田己组煤层 相关掘 进巷 道 十 一矿 己 。 I ”一2 2 1 0 1机风 巷和 己1 6 1 一 2 2 1 4 1机 巷 、 十 二 矿 己Ⅲ 一 3 2 0 1 0机 风 巷、十矿 己 一2 4 0 8 0机巷等预测资料的统计分 析，这些 区域 已经 明显地 出现响煤炮 、夹钻 、顶 钻 、喷孔等瓦斯动力现象 。在这些 出现瓦斯动力现 象 的地点 ，许多巷道上部均 出现较大厚度的岩层 、 煤体变软等特征 ，说明断层 、褶皱等地质构造引发 的煤层倾角变化、煤体软煤增厚等区域的瓦斯动力 现象会更加 明显 ，地质构造对采 区瓦斯动力现象的 控制作用 明显 。在地应力 普遍较 大的 己组煤层 深 部 ，煤与瓦斯突出将主要取决于地质构造 。 3 深部 己组煤层瓦斯突出防治措施 3 ． 1 深 孔 探 测 钻 孔 在掘进工作面施工 6个深孔卸压钻孔 ，孔径不 小于 8 9 mm，孔深 4 0 m，保持 1 5 m的超前距 。 3 ． 2掘进 工作 面防 突措施 根据工作面突出危险程度 ，采取不 同的防治突 出措施 对于突出威胁 区，采取检验性预测预报； 对于突出危险区域 ，严格执行 “ 四位一体”综合防 突措施 ，依 据工作面危 险程度 ，采 取深孔探测 钻 孔、巷帮隔断抽放 、排放钻孑 L 、浅孔抽放、水力割 缝等措施 ；对于严重突出危险区域 ，采取深孔探测 钻孔巷帮隔断抽放预测预报排放钻孔 。 3 ． 3 巷 帮 隔断抽放 钻 孔 1 巷道同一 帮相邻 钻场间距 为 4 0 m，两帮 交替布置和施工 ，钻场深度 4 m。 2 钻孔布置参数 每个钻场布置 6 个钻孔，孔 径不小于 8 9 I Y II T I ，孔深 6 0 m，呈两列三排布置 ，并做 到全层位控顶控底，钻孔终孔控制到巷帮以外 8 m。 3 巷帮隔断钻孔必须超前掘进工作面掘进工 作面 1 0 IT I 以上。 3 ． 4 排 放 钻孔 1 巷 道掘进工作 面打 2 2个 瓦斯 释放钻孔 ， 孔径 8 9 mm，孔深不小 于 1 0 m，钻孔方位平 行于 巷道掘进方 向，钻孔倾角为 一7 ． 2 。 ～ 1 2 ． 4 。 沿 底掘进时 ，钻孔 间距 7 0 0 mm，并在 掘进工作 面 断面均匀布置，并 随巷道坡度 、煤厚等变化及时调 整钻孔 参 数 ，以免 出现 钻 孔 盲 区 而影 响 瓦斯 排 放效果。 下转第 1 2 7页 8 3 车防爆蓄 电池和防爆直流控制器连接 ，防爆直流控 制器和防爆直流电动机连接 ，无级调速器和防爆直 流控制器连接 ，直流电动机通过减速机和行走轮连 接，具有四轮驱动能力和灵活转弯的能力 ，非常适 用于矿山井下狭窄巷道的物料运输 。 新 汶 矿 业 集 团 伊 犁 一 号 煤 矿 开 工 建 设 近 It，新汶矿业集团有限责任公司 以下简称 “ 新汶矿业集团” 在新疆首座经国家批准的千万吨 级矿井新疆新汶集 团伊犁一号煤矿 以下简称 “ 伊犁一矿” 开工建设 。该项 目的建设 ，将极大地 促进新疆及伊犁煤 炭工业结构调整 和发展方式 转 变 ，对新疆及伊犁实施煤炭优势资源转换战略具有 重要意义 。伊犁一矿矿井生产能力为 l O O O万 t ／ a ， 总投资金额为 2 5 ． 8 6亿元 。伊犁一矿面积为 1 1 8 ． 5 k m。 ，煤炭储量 为 4 8亿 t ，煤 炭资 源赋存 条件优 越，煤层厚度大 ，埋藏较浅 ，属 中厚和特厚煤层 ， 该矿各煤层均为低编制烟煤 ，以不粘煤、长焰煤为 主，低硫低灰 ，是 良好 的动力 、气 化 和煤 化工用 煤。该矿井达产后 ，可安置劳动力 1 0 0 0人 ，将实 现销售 收入 1 4 ． 5亿元／ a ，上 缴各种 税金 2 ． 2 7亿 元 ，利润达 1 ． 7 7亿元 。 邢 台 矿 建 筑 物下 采 煤 取 得 重大 突 破 “ 把原煤开采的范 围扩展到建筑物底下” ，原来 这只是停 留在 图纸上的设想 ，如今在冀 中能源金牛 股份邢台矿 “ 梦想变成了现 实” ，建筑物下采煤这 一 技 术 难 题 在 该 矿 取 得 了 重 大 进 展 。 2 0 0 9年 1 2 月，邢台矿第二个充填开采工作面 7 6 0 8工作 面正 式开始回采。充填开采是指利用矸石 、粉煤灰等 固 体废弃物 ，按照一定 比例混合后 ，添加粘结料 ，通 过地面投料系统投放到井下 ，对采煤支架后方的采 空区进行充填 ，以体积换体积的方式 ，把煤炭资源 置 换 出来 。 据不完全统计 ，到 目前为止，全国生产矿井压 煤 1 3 3亿吨，其 中建筑物下压煤 7 8 ．2亿吨 ，水体 下压煤 3 6 ．4亿 吨，铁路下压煤 1 8 ．9亿吨，解放 这些呆滞资源已刻不容缓。固体充填开采 ，为解决 “ 三下”采煤开辟 了新途径 ，不但进一步拓展 了原 煤开采空间，而且解决了矸石与粉煤灰地面排放造 成的环境污染 与破坏 ，减轻地表沉陷带来建筑物、 生态破坏等问题 ， 具有十分显著的社会效益 、环境 效益和经济效益 ，对引领煤炭行业进步具有深远影 响和积极意义 。“ 没有任何一个项 目像充填开采这 样牵动着集团和公 司领导 的心 。 ”在谈 到这项科技 攻关项 目时，金牛股份公司副总工程师 、邢 台矿矿 长郝宝生深有感触 。“ 邢 台矿充填开采技术可 以解 放建下压煤 2 0 0 0多 万吨 ，以现有生产 能力计算 ， 延长矿井寿命 2 O年 。同时 ，每年消灭矸石和粉煤 灰 6 O多万 吨，对建设 绿色矿 山、发展 循环经 济、 打造和谐矿区意义重大 。 ”郝宝生说 ，“ 我们还将不 断完善充填开采工艺 ，使充填开采成为邢 台矿的一 项主要生产工艺。 陈双科王明科 责任编辑 宋潇潇 上 接 第 8 3页 2 若施工过程中出现异常地质变化，致使巷 旁隔断钻场无法施工或抽放效果欠佳时 ，每循环排 放钻孔必须控制 到巷道轮廓线外 2 ～4 m 处 ，使巷 道周边一定范围内煤体瓦斯得到释放 。 3 瓦斯排放钻孑 L 必须保持 1 0 m的超前距 。 4主要 结论 1 通过对深部己组煤层采掘工作面的瓦斯涌 出情况统计 ，初步掌握了深部己组煤层瓦斯涌出规 律。在十矿、十一矿和十二矿等深部 己组煤层掘进 工作面实施 ，效果明显 。 2 在平顶山矿区深部己组煤层 ，在地质构造 相对复杂 ，煤层破坏程度 比较高，煤层瓦斯含量 、 信 息时空 瓦斯 涌 出量 比较 大 。 3 地应力大、地质构造发育的区域 ，煤体弹 性变形能大 ，瓦斯膨胀能大 ，为煤与瓦斯突出的发 生提供了能源来源 ，冲击矿压则为瓦斯膨胀能的快 速释放提供了一种激发方式 ，从而引发煤与瓦斯突 出。 4 为了搞好深 部 己组煤 层煤 与瓦斯 突出防 治 ，目前瓦斯地质的研究仍属薄弱环节，如瓦斯地 质图的准确绘制等。 作者简介李如波 1 9 6 8 一 ，男，高级工程师，现在 平煤集团开拓处。 责任 编辑康淑 云 12 7