1、平煤集團十礦煤與瓦斯突出地質(zhì)原因分析許偉功 1,郭德勇 1,程 偉 2,和德江 2(1.中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū),北京 100083;2.平頂山煤業(yè)集團 ,河南平頂山467000)摘要:通過對平頂山十礦煤與瓦斯突出的地質(zhì)原因分析,找出突出與瓦斯賦存狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)聯(lián)系的規(guī)律性,以指導(dǎo)今后的生產(chǎn) ,同時為其它井田提供生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗。關(guān)鍵詞 :突出 ;瓦斯賦存 ;地質(zhì)構(gòu)造 ;煤層厚度 ;煤體結(jié)構(gòu)中圖分類號:TD713文獻標識碼:B文章編號:1003-496X(2006)03-0054-03煤與瓦斯突出是煤礦中一種極其復(fù)雜的地質(zhì)自然災(zāi)害,輕者影響正常的生產(chǎn)循環(huán) ,重者危及人身安全和國家

2、財產(chǎn)。隨著礦井開采深度的不斷加大 ,煤與瓦斯突出已愈來愈成為影響和制約生產(chǎn)的重要因素。大量的調(diào)查結(jié)果都肯定了瓦斯突出分布的不均衡性。這種不均衡性與地質(zhì)條件的差異性有著密切的聯(lián)系。國內(nèi)外研究成果表明:地質(zhì)條件對煤與瓦斯突出的分區(qū)分帶具有明顯的控制作用。1 礦井概況十礦位于河南省平頂山市東部 ,井田東西走向長 5km,南北傾斜寬 6.5km, 井田面積 32.5km2,東西分別與一礦、八礦、十二礦相鄰。 1958 年開工興建 ,1964 年投產(chǎn) ,原設(shè)計生產(chǎn)能力為 120 萬 t/a, 經(jīng) 1982 年和 1995 年 2 次改擴建后 ,生產(chǎn)能力可達 300 萬 t/a 。十礦可采煤層有丁組、戊組

3、、己組共 3 組,現(xiàn)開采有戊、己 2 組,丁組煤層由于內(nèi)灰高已經(jīng)停止回采 ,全礦共有己二、己四、北翼中區(qū)、北翼東區(qū) 4 個采區(qū)。礦井開采二疊系山西組己組煤層和下石盒子組戊組煤層 ,己組寬自上而下為己 15、己 16、己 173 層。戊組煤自上而下為戊 8、戊 9、戊 103層。井田范圍內(nèi) ,由于成煤環(huán)境的變化 ,而使各煤層間距時小時大 ,煤層也時分時合。煤層頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)泥巖。戊 8、戊 9、戊 10 煤種為肥煤 ,己 15、己 16、己 17 煤種為焦煤或1/3焦煤。井田位于李口向斜西翼中東段井田發(fā)育 2 個北西剪切帶 :其一為原十一礦逆斷層與郭莊背斜斷褶帶 ;其二為牛莊逆斷層與十礦向斜

4、斷褶帶,它們成為十礦井田的主干構(gòu)造。井田開拓方式為豎、 斜井綜合開拓 ,多水平上下山開采 ,采煤方法為走向長壁全面垮落法 ,通風(fēng)方式為分區(qū)抽出式通風(fēng)。2 礦井的瓦斯概況(1)瓦斯涌出。 2004 年礦井瓦斯等級鑒定: 全礦井相對瓦斯涌出量為17.36m3/t, 絕對瓦斯涌出量 89.13m3/min 換行 。1991 年 7 月和 2002 年 5 月分別經(jīng)煤炭科學(xué)研究總院重慶分院、撫順分院鑒定 ,十礦戊 9-10 煤層、己 15-16 煤層為突出煤層 ,十礦被定為突出礦井。(2)煤與瓦斯突出現(xiàn)狀。 十礦是目前平頂山礦區(qū)突出最嚴重的礦井之一。第一次煤與瓦斯突出發(fā)生于 1988 年 4 月 22

5、 日戊 9-10-20090 機川 ,截止到 2003 年 8 月 10 目共發(fā)生煤與瓦斯突出 46 次,其中 24 次發(fā)生在丁 5-6 煤層的丁 5-6-21130 采面 ,17 次發(fā)生在戊 9-10 煤層 ,5 次發(fā)生在己 15-16煤層 ,始突深度 420m。丁 5-6 煤層均發(fā)生在 -320m 左右 ,戊 9-10 煤層始突標高 -247m,最深為 -450m,己 15-16 煤層始突標高 -316m,最深 -613m。最大的一次突出是 2003 年 7 月 28 日在己 15-16-24060 機巷發(fā)生的 ,突出煤量 483t, 噴出距離 65m, 其中里部 27m 為滿巷 , 突出

6、瓦斯量為14400m3。46 次煤與瓦斯突出的強度、突出深度、突出類型、生產(chǎn)工藝統(tǒng)計見表 1。3 煤與瓦斯突出的地質(zhì)原因煤與瓦斯突出發(fā)生的控制因素(見圖 1)包括工程因素和地質(zhì)因素。工程因素在煤與瓦斯突出過程中起誘發(fā)作用。十礦由于放炮或割煤而引起的煤與瓦斯突出發(fā)生次數(shù)占總數(shù)的78.2%,其它原因而引起的突出次數(shù)占總數(shù)的 21.8%。地質(zhì)因素則是煤與瓦斯突出發(fā)生的必要條件。瓦斯賦存條件、井田地質(zhì)構(gòu)造、 煤層厚度及其變化、 煤體結(jié)構(gòu)是控制煤與表1平煤十礦煤與瓦斯突出基本情況瓦斯突出現(xiàn)象發(fā)生及其分布的主要地質(zhì)因素。圖 1煤與瓦斯突出因素框圖3.1瓦斯賦存的地質(zhì)條件十礦井田含煤巖系總厚度900m 左右

7、。包括煤線在內(nèi)共80 多個煤層。煤系地層為石炭 二疊系。戊組煤與己組煤分屬二疊系下石盒子組和山西組。研究表明,戊組煤屬三角洲相沉積 ,己組煤屬濱海相沉積。二疊系山西組和下石盒子組含煤較好 ,厚度大 ,含煤系數(shù)高 ,巖性、巖相比較穩(wěn)定, 煤層的頂?shù)装逡话銥?.1換行 0.3m 的炭質(zhì)泥巖 ,然后為 210m 的泥巖或砂質(zhì)泥巖 ,有時可達10m 以上 ,由于泥巖及砂質(zhì)泥巖的孔隙度低,透氣性能差 ,這就為戊組和己組煤生成的瓦斯保存下來提供了物質(zhì)條件。本礦井水文地質(zhì)條件簡單,涌水量為 150m3/h 左右 (其中一水平 50m3/h 、二水平 100m3/h) 。井田戊組煤層和己組煤層屬中、高變質(zhì)程度

8、。煤的變質(zhì)程度與瓦斯有密切關(guān)系。在煤化過程中 ,不斷產(chǎn)生瓦斯。煤的變質(zhì)程度越高 ,產(chǎn)生的瓦斯越多 ,隨著變質(zhì)程度的增加 ,煤的滲透率下降 ,煤的變質(zhì)程度越高 ,煤的吸咐能力越大 ,煤層中可以滯留更多的氣體。 據(jù)研究表明 :每生成 1t 褐煤產(chǎn)生 68m3 瓦斯 ,每生成 1t 肥煤產(chǎn)生 330m3 瓦斯。生產(chǎn)實踐也證明十礦井田的煤層瓦斯含量隨著煤化程度的增高而增高 ,即:己組 >戊組 >丁組。井田范圍內(nèi)煤層埋深和地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存有重要影響。井田處于李口復(fù)式向斜的西翼中東段 ,整個煤層埋藏呈西南高東北低趨勢 ,但受十礦向斜、郭莊背斜、原十一礦逆斷層和牛莊逆斷層的影響 ,局部也出現(xiàn)反

9、?，F(xiàn)象。生產(chǎn)實踐和研究證明 ,戊組 (見圖 2)和己組煤層瓦斯含量明顯受控于煤層埋深和地質(zhì)構(gòu)造影響。十礦井田 87%的煤與瓦斯突出發(fā)生埋深 >500m,也證明了瓦斯含量埋深的相關(guān)性。圖 2平煤十礦戊 9-10 煤層瓦斯地質(zhì)簡圖3.2地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響十礦的地質(zhì)構(gòu)造條件比相鄰一礦、八礦和十二礦都要復(fù)雜。 李口復(fù)式向斜的次級構(gòu)造十礦向斜、郭莊背斜、原十一礦逆斷層、牛莊逆斷層形成十礦獨有的壓性或壓扭性地質(zhì)構(gòu)造。這種地質(zhì)構(gòu)造一是瓦斯排放條件比較困難,有利于瓦斯保存 ,二是屬構(gòu)造應(yīng)力集中地帶,為煤與瓦斯突出的發(fā)生提供了動力。十礦煤與瓦斯突出都發(fā)生在郭莊背斜東北翼,宏觀上受井田內(nèi)主干構(gòu)造影

10、響。統(tǒng)計表明十礦井田內(nèi)煤與瓦斯突出受斷層控制見表2。在所有的46 次突出中 ,20m 以內(nèi)無斷層的突出16 次,占總數(shù)的 34.8%。說明十礦井田內(nèi)斷層對煤與瓦斯突出有控制作用,并且順層斷層作用明顯 ,如丁 5-6 煤層順層斷層頂部形成一呈鏡面狀擦光面,其中一次動力現(xiàn)象,形成沿鏡面長 15m,寬換行 0.1m 的孔洞 ,煤與瓦斯突出總是以鏡面處為“突破點 ”。3.3 煤厚及其變化對煤與瓦斯突出的影響煤層厚度的大小與生成的瓦斯量多少有關(guān) ,厚煤帶也為瓦斯儲集提供了場所 ,煤厚對煤與瓦斯突出影響很大 ,十礦井田內(nèi)丁、戊、己煤組發(fā)生突出均為合層煤層 ,單一煤層從未發(fā)生過突出。現(xiàn)場資料顯示 ,井田內(nèi)單

11、一煤層厚度一般不超過 2.0m, 并且單一煤層中很少有軟煤分層發(fā)育。煤層厚度變化對煤與瓦斯突出也有明顯影響。以戊組煤為例,在所發(fā)生的17 次突出中 ,發(fā)生在戊 9 或戊 10 煤層分叉合并線 (夾矸 0.2m)100m 附近的達 13 次,占戊組突出總數(shù)的 76.5%,形成分布于戊 9 與戊 10 煤層分叉合并線范圍 100m 的弧形突出帶 (見圖 2)。2003 年 8 月 10 日己 15-16-22230風(fēng)巷突出點附近 ,在 5.6m范圍內(nèi)煤層由 2.35m 迅速增加到 3.5m,巷道方向煤層傾角也由 2.5 °增大至 8.5 °,此次突出煤量 240t,涌出瓦斯量

12、5500m3,30m 滿巷。井下揭煤資料證明己 15-16 煤層在此處與己 17 合層 (見圖 3)。所以筆者認為 :在十礦煤與瓦斯突出一般不發(fā)生在厚度低于 2m 的單一煤層中 ,在煤層分叉合并線附近是煤與瓦斯突出危險地帶。圖 3十礦已 15-16-22230風(fēng)巷突出點地質(zhì)平剖面示意圖3.4煤體結(jié)構(gòu)對煤與瓦斯突出的影響在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤體較其它巖層更易遭到破壞 ,極易破碎。被破壞的層位層理紊亂、煤質(zhì)松軟,習(xí)慣上稱這種煤為軟煤。由于軟煤的煤體原生結(jié)構(gòu)遭受構(gòu)造作用破壞 , 也叫構(gòu)造斷。構(gòu)造煤的空隙率大 ,瓦斯含量大 ,透氣性差 ,一般能保持較高的瓦斯壓力。構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)先前不同程度地遭受破壞 ,

13、抵御外力作用的能力大大降低 ,同時構(gòu)造煤有利于顆粒移動。由于十礦井田受十礦向斜、郭莊背斜、原十一礦逆斷層、牛莊逆斷層的影響 ,十礦范圍內(nèi)順層斷層發(fā)育 ,煤體層間滑動 ,使戊 9-10、己 15-16 煤層呈現(xiàn) “硬-軟-硬”的煤體結(jié)構(gòu)特征。十礦所有突出煤層含有軟煤分層 ,軟煤厚度 1.01.8m。突出點附近軟煤分層厚度增加 ,如戊 9-10-20080 機巷突出點構(gòu)造煤厚達 換行3.6m;己 15-16-24060 機巷突出點煤厚 4.1m 全部為構(gòu)造煤。構(gòu)造煤為煤與瓦斯突出提供了足夠的瓦斯 ,是突出的必要條件。 十礦目前的 46次煤與瓦斯突出均發(fā)生在構(gòu)造煤中。4結(jié)論(1)十礦井田戊組和己組煤

14、層瓦斯含量受煤層埋深、十礦向斜、郭莊背斜控制。(2)十礦井田煤與瓦斯突出宏觀受主干構(gòu)造控制,同時與井田內(nèi)順層斷層發(fā)育有關(guān)。(3)井田內(nèi)厚度2m 的單一煤層一般不會發(fā)生突出,與煤層厚度不大和構(gòu)造煤不發(fā)育有關(guān) ,但隨著開采深度的增加有可能發(fā)生突出。(4)在戊 9-10 煤層分叉合并線附近是煤與瓦斯突出帶,其它煤層分叉合并線附近可能成煤與瓦斯突出危險帶。(5)突出點附近構(gòu)造煤增厚,為煤與瓦斯突出提供了足夠的瓦斯和力學(xué)條件。構(gòu)造煤厚度增加 ,突出的危險性增大 ,構(gòu)造煤愈厚 ,突出的強度也愈大。參考文獻 :1 焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室 .瓦斯地質(zhì)概論 M .北京 .煤炭工業(yè)出版社 .1990.2郭德勇 ,韓德馨 ,張建國 .平頂山礦區(qū)構(gòu)造煤分布規(guī)律及成因研究 J.煤炭學(xué)報 ,2002,27(3):249-253.33 曹運興 ,彭立運 .順層斷層的基本類型及其對瓦斯突出帶的控制作用 J.煤炭學(xué)報 ,1995,20(4):413-417.4 郝吉生 ,袁崇孚 ,張子戊 . 構(gòu)造煤及其對煤與瓦斯突出的控制作用 J .焦作工作學(xué)院報,2000,19(