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,454000;2.平煤集团开拓处,河南省平顶山市,467000)

平顶山矿区深部己组煤层瓦斯地质规律研究

李如波1,2

(1.河南理工大学,河南省焦作市,454000;2.平煤集团开拓处,河南省平顶山市,467000)

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。

深部开采 煤层瓦斯 地质规律 平顶山矿区

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。

(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56次突出中,有54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56次突出中,47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—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—李口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800 m左右,煤层发育齐全,厚度大,煤层层数多达60余层,煤层最厚超过30 m。镜煤反射率为0.85%～1.64%,煤种主要为气煤、肥煤、焦煤、瘦煤,该阶段煤气发生率为65～170 m3/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46.15%～79.6%,平均60%;半镜质组3.94%～10.6%;壳质组0.36%～16.45%,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。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10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16-17-22101机风巷和己16-17-22141机巷、十二矿己1517-32010机风巷、十矿己1617-24080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ø89 mm,孔深40 m,保持15 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、排放钻孔、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40 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89 mm,孔深60 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10 m以上。

3.4 排放钻孔

(1)巷道掘进工作面打22个瓦斯释放钻孔,孔径89 mm,孔深不小于10 m,钻孔方位平行于巷道掘进方向,钻孔倾角为-7.2°～+12.4°(沿底掘进时),钻孔间距700 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。

(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)瓦斯排放钻孔必须保持10 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、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。

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,高级工程师,现在平煤集团开拓处。

(责任编辑 康淑云)