平頂山礦區深部己組煤層瓦斯地質規律研究

李如波

(1.河南理工大學,河南省焦作市,454000;2.平煤集團開拓處,河南省平頂山市,467000)

平頂山礦區深部己組煤層瓦斯地質規律研究

李如波1,2

(1.河南理工大學,河南省焦作市,454000;2.平煤集團開拓處,河南省平頂山市,467000)

針對深部突出煤層存在的防突及瓦斯治理的問題,從瓦斯地質規律方面進行研究,提出了治理的構想,并進行了現場實施,取得了比較好效果。認為通過對深部己組煤層采掘工作面的瓦斯涌出情況統計,初步掌握了深部己組煤層瓦斯涌出規律。

深部開采 煤層瓦斯 地質規律 平頂山礦區

1 概述

平頂山礦區己組煤層是主采煤層之一,目前,平頂山礦區大型礦井的己組煤層采深大部分超過或接近千米,瓦斯動力現象時有發生,直接影響安全生產和高產高效礦井建設,為此,做好平頂山礦區深部己組煤層瓦斯地質規律的研究已日顯重要。

1.1 平頂山礦區己組煤層的突出概況

平頂山礦區己組煤層的突出概況見表1。

表1 平頂山礦區己組煤層的突出概況

1.2 平頂山礦區己組煤層煤與瓦斯突出特征

(1)隨著礦井開采深度的增加,突出危險性增大。

(2)在某個礦井內,突出危險呈條帶分布,一般只有幾個工作面連續突出。

(3)在平頂山礦區,由西向東,突出的危險性隨之增大(這與礦井己組煤層開采規模相關,具有一定的代表性)。

(4)在己組煤層中發生突出的煤層多,不管是合層或分層,均發生過煤與瓦斯突出。

(5)絕大多數突出發生在煤巷掘進工作面,在已發生的56次突出中,有54次發生在掘進工作面,只有1次發生在回采工作面,1次發生在斜巷揭煤時,并均為壓出類型。

(6)突出與地質構造帶的關系比較明顯,突出一般發生在地質構造破壞帶或煤層賦存變化區,在已發生的56次突出中,47次發生在構造變化處。

(7)突出前均有作業方式誘導,一般與采掘工藝對煤層的作用有關,當沒有外力對煤層作用時,很少發生煤與瓦斯突出,個別出現延遲突出。

(8)大多數煤與瓦斯突出有一定預兆,如煤炮、噴孔等異常現象。

2 平頂山礦區地質構造與瓦斯動力關系分析

2.1 平頂山礦區地質構造特點

平頂山煤田處于秦嶺緯向構造帶的東延部分及淮陽山字型構造的西翼反射弧頂部,既受緯向構造帶的控制,又受淮陽山字型構造的影響,使平頂山煤田形成一系列北西向復式褶皺構造形態,并發育以北西向為主的張扭性和壓扭性斷裂,以及次一級的北東向張扭性斷裂,從而形成整個煤田以斷裂為主、褶皺為輔的基本構造格局。

縱觀區域地質史,區內先后受六期構造運動的影響。中岳運動使前震旦紀地層產生強烈的褶皺、斷裂以及變質作用,并伴有巖漿活動,形成了昆侖—秦嶺緯向構造帶,奠定了前震旦紀的褶皺基底;少林運動、懷遠運動和加里東運動在本區主要表現為大面積緩慢抬升運動,未見明顯的褶皺和斷裂,但具有繼承中岳運動的性質,使沉積蓋層在一定程度上也產生緯向構造。加里東運動的結果造成志留紀、泥盆紀及奧陶紀地層的缺失,并顯示出愈向南愈強烈的特征。燕山運動是本區具有深遠意義的一期構造運動,它奠定了嵩淮弧的基本構造格架,使區內中生界及其以前的地層卷入了這次運動,產生了開闊的背向斜構造,并伴以相當發育的近東西向以及北東、北西向斷裂,破壞了褶皺的完整性。燕山運動晚期有中酸性及基性巖漿沿構造薄弱地帶侵入。喜馬拉雅運動在本區主要表現為差異升降運動,并伴有斷裂產生(多為先期斷裂的繼承性活動),偶有基性巖漿噴出。

總結上述地質構造運動及演變結果,可以得到平頂山煤田典型的地質構造特征,有以下幾點。

(1)平頂山煤田處于四周凹陷所拱托的斷塊隆起之上。北西為寶豐、郟縣凹陷帶,北東為襄縣、臨潁凹陷帶;南面為葉縣、吳城凹陷帶。這些凹陷帶一般都有厚達千米以上的新生界沉積,并與斷塊隆起之間以高角度正斷層相隔。

(2)區內地質構造以斷裂為主,以褶皺為輔。其中,北西向高角度正斷層為主導構造,對煤田構造起控制作用。

(3)規模較大的正斷層,顯示了多次構造活動的復雜影響,使這些斷層既顯示上、下盤的拉伸現象,又顯示具有壓扭性結構面特征的擠壓現象。

(4)寬緩褶皺—李口向斜是煤田的主體構造,其西北端傾伏,埋藏深;東南段抬升,埋藏淺。

(5)其地貌特征,自東向西有明顯的與地質構造相適應的指示山脊存在。

2.2 瓦斯賦存特征與地質構造間的關系

平頂山礦區位于秦嶺造山帶后陸逆沖斷裂褶皺帶,受秦嶺造山帶的控制。由于該礦區位于華北板塊南緣,同時又受華北板塊構造活動的控制。該礦區在晚海西期、早印支期秦嶺板塊與華北板塊碰撞拼接之前屬于華北型的沉積,沉積了一套完整的石炭二疊紀煤系,厚度800 m左右,煤層發育齊全,厚度大,煤層層數多達60余層,煤層最厚超過30 m。鏡煤反射率為0.85%～1.64%,煤種主要為氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤,該階段煤氣發生率為65～170 m3/t,并且有油氣、重烴氣兼生并存的特點。煤巖組分特征鏡質組含量46.15%～79.6%,平均60%;半鏡質組3.94%～10.6%;殼質組0.36%～16.45%,殼質組含量高,它是生氣能力最強的煤巖組分。這些基本的煤質構成,反映出平頂山礦區各組煤層均屬于生氣能力很強的煤層。

平頂山礦區己組煤層頂、底板均屬于泥巖,透氣性能極差,具有很好的瓦斯賦存狀況,并且局部存在較大的地質構造有利于瓦斯富集,預示著己組煤層具有很高的瓦斯含量,并且表現出地域不均衡性,己組煤層的瓦斯賦存特征與地質構造之間存在很強的關聯關系。

2.3 地應力、地質構造、沖擊礦壓對瓦斯突出的影響

平頂山礦區己組煤層屬于弱沖擊傾向性煤層。根據實踐以及理論分析,煤與瓦斯突出主要發生在高瓦斯煤層受強構造擠壓剪切作用的構造煤發育區,煤與瓦斯突出的能量來源是煤體積聚的彈性變形能和瓦斯膨脹能。根據目前對煤與瓦斯突出能量的計算分析,瓦斯膨脹能一般比煤體彈性變形能大10倍以上,所以煤與瓦斯突出的能量主要是煤體內積聚的瓦斯膨脹能。從煤與瓦斯突出發生的機理看,煤與瓦斯突出是含高壓瓦斯煤體由于突然卸壓破壞而發生的一種動力現象,地應力、高壓瓦斯、卸壓破壞速度綜合作用控制著瓦斯膨脹能的大小,決定著煤與瓦斯突出的發生。

地應力的大小決定了煤體彈性變形能的大小和沖擊礦壓發生的能量,同時也控制了瓦斯賦存特征和瓦斯流動狀態。凡地應力大的地方,煤體彈性變形能就大,煤層透氣性差,瓦斯不易流動,有利于原始狀態瓦斯的保存,積聚了較高的瓦斯膨脹能。因此地應力增高的區域屬于煤與瓦斯突出危險區域。

地質構造是地殼運動的結果,根本上是地應力作用的結果。地質構造應力的作用,不但改變了地質構造處的煤體應力狀態,而且也改變了煤體的性質和瓦斯賦存狀態。一般來講,壓扭性封閉性構造發育的地方,地應力大、瓦斯含量高和煤體強度低,張拉性開放性構造發育的地方,地應力、瓦斯含量減小,煤體性能變化不大。所以在壓扭性封閉性構造發育的地方,煤體彈性變形能大、瓦斯膨脹能大,煤體抵抗破壞的能力低,有利于煤與瓦斯突出的發生。

沖擊礦壓是煤體中積聚的彈性變形能達到了極限狀態而突然發生的一種卸壓破壞現象。沖擊礦壓是地應力顯現的結果,地應力高的區域,容易發生沖擊礦壓。由于煤體突然大面積卸壓,瓦斯由吸附狀態瞬間轉換為游離狀態,使得煤體內部瓦斯膨脹能急劇增大,有可能引起煤與瓦斯突出。

從能量的角度看,地應力大、地質構造發育的區域,煤體彈性變形能大,瓦斯膨脹能大,為煤與瓦斯突出的發生提供了能量來源。沖擊礦壓為瓦斯膨脹能的釋放提供了一種激發方式,從而引發煤與瓦斯突出。

從對平頂山礦區各礦井己組煤層突出事故的統計分析發現,己組煤層突出地點基本上均與地質構造帶有關,絕大多數發生在構造變化區域;突出前均有作業方式誘導,突出受采動影響很大,并非是以“主動式”突出為主,基本上屬于外力引發的突出。

根據對十礦、十一礦、十二礦等井田己組煤層相關掘進巷道(十一礦己16-17-22101機風巷和己16-17-22141機巷、十二礦己1517-32010機風巷、十礦己1617-24080機巷等)預測資料的統計分析,這些區域已經明顯地出現響煤炮、夾鉆、頂鉆、噴孔等瓦斯動力現象。在這些出現瓦斯動力現象的地點,許多巷道上部均出現較大厚度的巖層、煤體變軟等特征,說明斷層、褶皺等地質構造引發的煤層傾角變化、煤體軟煤增厚等區域的瓦斯動力現象會更加明顯,地質構造對采區瓦斯動力現象的控制作用明顯。在地應力普遍較大的己組煤層深部,煤與瓦斯突出將主要取決于地質構造。

3 深部己組煤層瓦斯突出防治措施

3.1 深孔探測鉆孔

在掘進工作面施工6個深孔卸壓鉆孔,孔徑不小于?89 mm,孔深40 m,保持15 m的超前距。

3.2 掘進工作面防突措施

根據工作面突出危險程度,采取不同的防治突出措施:對于突出威脅區,采取檢驗性預測預報;對于突出危險區域,嚴格執行“四位一體”綜合防突措施,依據工作面危險程度,采取深孔探測鉆孔、巷幫隔斷抽放、排放鉆孔、淺孔抽放、水力割縫等措施;對于嚴重突出危險區域,采取深孔探測鉆孔+巷幫隔斷抽放+預測預報+排放鉆孔。

3.3 巷幫隔斷抽放鉆孔

(1)巷道同一幫相鄰鉆場間距為40 m,兩幫交替布置和施工,鉆場深度4 m。

(2)鉆孔布置參數:每個鉆場布置6個鉆孔,孔徑不小于89 mm,孔深60 m,呈兩列三排布置,并做到全層位控頂控底,鉆孔終孔控制到巷幫以外8 m。

(3)巷幫隔斷鉆孔必須超前掘進工作面掘進工作面10 m以上。

3.4 排放鉆孔

(1)巷道掘進工作面打22個瓦斯釋放鉆孔,孔徑89 mm,孔深不小于10 m,鉆孔方位平行于巷道掘進方向,鉆孔傾角為-7.2°～+12.4°(沿底掘進時),鉆孔間距700 mm,并在掘進工作面斷面均勻布置,并隨巷道坡度、煤厚等變化及時調整鉆孔參數,以免出現鉆孔盲區而影響瓦斯排放效果。

(2)若施工過程中出現異常地質變化,致使巷旁隔斷鉆場無法施工或抽放效果欠佳時,每循環排放鉆孔必須控制到巷道輪廓線外2～4 m處,使巷道周邊一定范圍內煤體瓦斯得到釋放。

(3)瓦斯排放鉆孔必須保持10 m的超前距。

4 主要結論

(1)通過對深部己組煤層采掘工作面的瓦斯涌出情況統計,初步掌握了深部己組煤層瓦斯涌出規律。在十礦、十一礦和十二礦等深部己組煤層掘進工作面實施,效果明顯。

(2)在平頂山礦區深部己組煤層,在地質構造相對復雜,煤層破壞程度比較高,煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量比較大。

(3)地應力大、地質構造發育的區域,煤體彈性變形能大,瓦斯膨脹能大,為煤與瓦斯突出的發生提供了能源來源,沖擊礦壓則為瓦斯膨脹能的快速釋放提供了一種激發方式,從而引發煤與瓦斯突出。

(4)為了搞好深部己組煤層煤與瓦斯突出防治,目前瓦斯地質的研究仍屬薄弱環節,如瓦斯地質圖的準確繪制等。

A study on the regularity of seam gas geology of the F Group coal seams in the deep part of Pingdingshan coal mine areas

Li Rubo

(1.Henan University of Science and Technology,Jiaozuo,Henan province 454000,China;2.Development Division,Pingdingshan Coal Group,Pingdingshan,Henan province 467000,China)

In order to solve the problems of outburst prevention and gas control in deep seams of coal mines,the author carries out a study on the regularity of mine gas geology and hence proposes basic ideas for comprehensive management and control.The results prove to be good.According to the author,on the basis of the statistics of mine gas inflow rate from the F Group coal seams in the deep part of the mine area,mine gas inflow pattern from the deep F Group coal seams has become known.

coal seam gas,geology regularity and pattern Pingdinyshan caol mine areas

TD772

A

李如波(1968-),男,高級工程師,現在平煤集團開拓處。

(責任編輯 康淑云)