火燒鋪煤礦地質構造特征及其對礦井生產的影響

朱玉英,王海軍

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077)

礦井地質構造特征及其復雜程度直接決定礦井勘探類型及勘查工程部署網度,地質構造影響礦井工作面的布置、瓦斯富集分布、日常預測預報,對于礦井安全、高效、綠色、智能化開采具有重要的意義[1-5]。貴州盤江礦區是我國重要的焦煤生產基地,以礦井地質構造復雜、煤層瓦斯含量高為突出特點,這也是目前制約礦區巷道高效掘進、工作面智能開采的主要地質因素?；馃伱旱V自礦井建設以來經過30多年的地面、井下地質勘查、巷道探測、積累了豐富的地質構造資料和礦井安全生產等方面的資料,對礦井地質構造及其相關的災害有一定的認識,但是,這種認識系統性不夠,尤其是對地質構造與礦井瓦斯、頂板等災害隱蔽致災因素的相關性等認識不清,導致地質構造影響礦井工作面的部署、接續工作面瓦斯抽采工作量大、礦井災害治理速度嚴重制約礦井生產,形成了目前采掘緊張的被動局面[6-11]。

國內外學者對黔西構造屬性[1-2]、應力場[3-4]、構造演化特征[5-6]等進行了研究,從20世紀50年代盤西煤田地質勘查開始,中煤科工西安研究院開展了對該區煤層對比、煤巖煤質、煤的加工利用,煤層氣的評價優選等工作[12-15]。近年來,隨著煤田勘探程度的提高和礦井煤炭資源的開發,貴州煤田地質局、中國礦業大學先后開展了煤田內多個礦井地質調查、補充勘探、礦井瓦斯防治、煤層氣測試等[16-18]工作。隨著盤關向斜煤田地質勘探程度的提高以及礦井生產揭露,對煤田的構造認識逐漸深入,上述研究成果是此次研究的基礎。

為了從根本上解決這一問題,從影響和制約礦井安全高效生產的最關鍵的地質構造因素入手,通過對勘探資料分析、結合地面和礦井地質調查、地面三維地震勘探、地質鉆探、礦井建設井筒、巷道揭露斷層以及生產階段巷道、工作面揭露的構造資料進行系統的整理、詳細分析,采用探采對比的方法,開展火燒鋪煤礦地質構造特征研究。在此基礎上,采用統計分析法分析礦井地質構造對礦井生產中煤質、資源量、頂板支護管理、巷道掘進等的影響,進而為礦井深部第三水平開拓布置、井下斷層的預測預報、識別與分析提供依據。

1 地質概況

火燒鋪煤礦位于盤縣煤田內,地處揚子準地臺,上揚子臺褶皺帶,黔西南迭陷褶斷束的西部盤縣聚煤盆地內。盆地內的大型構造大致分北西向和北東向兩組,盤縣盆地是黔西滇東地區的一個主要的煤層氣聚集區,盆地面積共1 227 km2(圖1),盆地有4個向斜:土城向斜、照子河向斜、舊普安向斜和盤關向斜,并分別處于2個構造帶和黔西南旋扭構造帶之中,即“一盆兩地”的復式向斜。其中盤關向斜是其中的北東向構造之一,是盆地內面積最大的構造單元,向斜軸通過亦資、紅果等地,軸線長約45 km,向斜寬5～20 km,火燒鋪井田處于盤關向斜西翼南段。

圖1 區域構造圖及其地層綜合柱狀Fig.1 Regional structural map and its stratigraphic comprehensive histogram

火燒鋪煤礦由火燒鋪井田、濫泥箐井田和羊場坡井田組成,含煤地層為二疊系龍潭組,巖性以泥巖、粉砂巖、煤層為主,含煤地層厚147.00～269.47 m,平均厚245.25 m,含煤層20～60層,煤層編號為1—30號,可采煤層14～18層(圖1),煤層厚度以薄—中厚煤層為主,有分叉、合并、尖滅等現象。煤層屬于較穩定—穩定煤層,全區可采—大部分可采煤層。煤類淺部氣煤為主,向下部、深部變為肥煤為主,出現焦煤、1/3焦煤,在深部和構造轉折端的羊場坡井田局部區域出現低變質的無煙煤。

2 井田構造特征

火燒鋪煤礦總體為大致向東傾斜的單斜構造,地層傾角18°～40°,已有成果和礦井揭露表明,褶皺不發育,斷層較發育,層間滑動較強烈,煤系內未發現巖漿侵入體和巖溶陷落柱。

2.1 褶皺

區內褶曲不發育,多在較大斷層邊緣局部發育小褶曲。根據以往地質成果,相對較大的是火6斷層北側的一個背斜和一個向斜,二者相伴而行,走向北東15°～20°,與火6斷層大致平行展布,軸面近于直立。其中背斜兩翼地層傾角為40°左右,波幅為40～70 m。向斜兩翼不對稱,兩翼傾角18°～22°,波幅約20 m。褶曲影響寬度150 m左右。該背、向斜被濫2斷層切斷,因靠近火6斷層,致使背、向斜與火6斷層之間各煤層難以開采。

2.2 斷層

經對歷次地質勘探、三維地震勘探(圖2)和礦井生產揭露統計,井田內已查明斷層1 643條,其中斷距大于30 m的斷層12條;斷距20～30 m的9條,斷距10～20 m的33條,斷距2～10 m的757條,斷距小于2 m的832條。區內斷層以走向北東,傾向南東為主。斷層性質以正斷層為主,占比78.1%,逆斷層占比21.3%,走滑斷層僅4條,占比0.6%(圖3(a))。斷距大于30 m的斷層基本為正斷層,多數為井田或采區的邊界斷層。各煤層斷距0.5 m以上的斷距密度0.23～13.14條/萬m2,以14煤層最高(表1、圖4)。斷層總體以NEE—SWW(50°～90°)為主;傾向以南東方向為主,頻度70%,東向次之,頻度20%,北東向頻度10%(圖3(c));傾角以40°～60°為主,其中正斷層傾角以50°～60°的高角度為主,而逆斷層傾角以30°～40°的低角度或順地層的為主(圖3(d))。

表1 各煤層斷層數據統計Tab.1 Statistical of fault data of each coal seam

圖2 三維地震勘探斷層特征Fig.2 Fault characteristics of 3D seismic exploration

圖3 礦井典型構造特征Fig.3 Typical structural characteristics of mines

圖4 各煤層斷層發育密度對比Fig.4 Comparison of fault development density of each coal seam

已查明斷層最多切割煤層6層,多為切割1層;生產中揭露的隱伏斷層占比較大,勘探階段發現的斷層占比較小,給礦井日常生產地質工作、特別是地質的預測預報工作帶來了一定的難度,同時也為煤炭資源的采出、井巷支護以及煤層灰分等帶來一定的影響。

2.3 層間滑動

從已動用的煤層看,層間滑動較強烈,其滑動方向大致呈東西向。滑動的強弱與煤層的軟硬成正比,煤層軟則強,反之則弱。區內17煤層間滑動現象最為突出,這點可作為17煤的對比標志之一。經生產實見,中上煤組的沉積是比較穩定的,部分煤層在近距離范圍內突然變薄或變厚,均屬煤層層間滑動所致,致使煤層開采的難度變大。

3 斷裂構造對生產礦井的影響

3.1 對資源的影響

大型斷層和褶皺對生產影響不大,因在勘探階段,大都已經查明,在采區的劃分和采區內巷道的布置上均已經考慮。但小斷層和其他小構造很難預測,只有通過井下工作面及其巷道進行探查,對生產的影響較大。38年來井下巷道和工作面斷層揭露統計表明,斷層主要造成地質及水文地質損失增加,累計已達534.80萬t,實際地質及水文地質損失系數為0.193(表2)。

表2 斷層導致資源損失統計Tab.2 Statistics of resource losses caused by faults

3.2 對井巷掘進的影響

根據礦井回采結束的196個回采工作面統計,回采工作面巷道總進尺243 149.10 m,其中為處理斷層而增加的無效進尺59 951.1 m,占工程總量的29.7%。

由對比分析可知,隨著3次采煤工藝中機械化程度的提高(1981—1985年為普通炮采;1985—2008年為半綜合機械化采煤;2008—2018年為綜合機械化采煤),地質損失量和損失率逐漸提高;隨著煤層開采深度的增加,大型斷裂發育、構造轉折端構造斷裂發育程度與地質損失呈正相關性。

3.3 對煤質灰分的影響

30多年生產數據統計表明,由于斷層的發育導致綜采工作面灰分增加(表3)10%左右。

表3 斷層導致開采煤層灰分變化統計Tab.3 Statistics of changes in coal seam ash content caused by faults during mining

3.4 對煤層頂板支護控制的影響

因層間滑動的影響,10、14、17煤層的底板發生1 m左右波幅的小褶曲,煤層頂板與煤層呈角度接觸,甚至插入煤層之中,頂板非常破碎,對安全生產不利。

由于構造作用導致在中組煤層的12—17煤層間整體上為構造滑動層,形成構造破碎段,尤其是在17煤的頂板泥巖發育區域內,破碎帶的存在嚴重制約了礦井巷道的快速高效掘進和工作面回采,在工作面回采過程中導致控頂難度大,頻繁發生架前漏頂、架間漏矸、造成咬架、漏底等。

3.5 礦井生產對斷層的利用

在礦井總體設計、采區設計和礦井生產時,應對探查獲得的斷裂構造的特征進行整體考慮和利用。

(1)礦井主要運輸巷道、回風巷道可以選擇在二疊系堅硬的峨眉山玄武巖層內,巖體完整性較好,整體抗壓強度高,多年的生產實踐也已證明了其穩定性,是大巷層位選擇的良好層位。

(2)大型斷裂構造如火5、火6等作為井田邊界劃分的依據,保護煤柱留設至少150 m,而小型斷裂構造可以作為采區或工作面劃分的邊界。

(3)火6斷層的斷距減小了火6斷層下盤距茅口組灰巖的距離,礦方選擇在火6斷層的下盤實施取水巷道,以較小的工程量完成了從下部茅口組灰巖取水任務,解決井下生產、消防等用水需求。

4 結論

(1)火燒鋪井田構造特征中等,斷裂構造發育,其中以正斷層為主,逆斷層次之,局部發育走滑、層間滑動斷層;斷層的傾角40°～60°,走向以北東為主;各煤層中斷層發育的密度,14、10煤層最發育,7煤層最小。

(2)礦井地質構造的發育給礦井安全生產、地質預測預報、煤炭資源的采出率、灰分、頂板控制、巷道支護等帶來了巨大的困難。

(3)鑒于淺部開采水平礦井揭露的斷層特征,向深部的向斜構造的軸部以及盤關向斜西翼南段近轉折端區,構造勢必會更加發育。在深部采區布置時,火6斷層可以作為26采區與23采區的采區邊界,濫2斷層可作采面劃分的邊界,保留煤柱,其中火6斷層兩側至少保留150 m的保護煤柱;同時在201611、20164、20163鉆孔12煤層與18煤層間發育落差20 m左右的斷層,做好探查。

(4)以往勘探及礦井生產中未發現斷層的導水性,為了安全起見,在濫2斷層上部采空區與下部采區之間保留好一定厚度的防隔水煤巖柱,這樣既可以隔離淺部采空區與深部采區導通,又能預防濫2正斷層在采動條件下通過斷層將下部采區與采空區積水導通。