小型正断层对掘进工作面瓦斯异常涌出的影响分析

2015-03-23何旬旬辛学鹏

中国计量大学学报 2015年1期

关键词：正断层井田断层

何旬旬,曲方,辛学鹏

(1.中国计量学院质量与安全工程学院,浙江杭州 310018;2.中国矿业大学资源与安全工程学院,北京 100083)

小型正断层对掘进工作面瓦斯异常涌出的影响分析

何旬旬1,曲方1,辛学鹏2

(1.中国计量学院质量与安全工程学院,浙江杭州 310018;2.中国矿业大学资源与安全工程学院,北京 100083)

基于地质构造对于瓦斯赋存的控制作用,分析了山西潞安矿区常村以及五阳井田小型断层的特征，并且结合生产过程中掘进工作面的瓦斯涌出量的实测数据,通过分析瓦斯涌出量变化与断层的落差和倾角之间的数学联系,得出了瓦斯涌出量的异常增长与断层落差之间具有一定的相关性.这一结论对于掘进工作面瓦斯涌出量预测以及煤与瓦斯突出预防具有一定的指导作用.

小型断层;瓦斯涌出;正断层;掘进工作面

采掘工作面瓦斯涌出量大小及其涌出形式取决于煤层瓦斯赋存状态,而地质构造对于煤层瓦斯的赋存状态往往起着决定性的作用[1-3],所以对于煤层地质构造及其控制特征的研究是治理瓦斯灾害的基础,同时也是防止煤与瓦斯突出灾害发生的基础[4].生产实践证明矿区(煤田)、矿井、采掘工作面煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出危险性、瓦斯渗透性等具有明显的不均衡性,在空间的分布上具有明显的分带性和显著的分区性,这种不均衡性和分区性受地质条件的控制,并且呈现逐级控制的特征[5].研究表明，影响瓦斯赋存、煤与瓦斯突出危险性的地质条件,均与不同级别地质构造密切相关[6].运用瓦斯赋存构造逐级控制理论,可以通过不同级别的地质构造与瓦斯赋存地质条件的控制关系，揭示不同级别范围的瓦斯地质规律,如矿区、矿井、采区、采面等瓦斯地质规律.通过整理建矿后揭露的大量瓦斯地质资料,可建立瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出危险性预测模型[7],从而进行瓦斯预测和对瓦斯灾害的防治进行科学的指导.

常村和五阳两矿位于山西省潞安矿区,随着开采的深入,越来越多的小型断层被揭露,瓦斯异常涌出经常随之出现并对正常生产工作产生了极大的影响.大量的井下实测和研究结果表明小型断层对局部地区的瓦斯涌出异常有显著的影响[8-10],需要我们对其中的控制作用进行定性和定量的深入研究.

1 矿井概况

1.1 常村煤矿

常村煤矿开拓方式为立井多水平盘区式开拓,分两个水平开采3号煤层.矿井采用混合式通风方式,机械抽出式通风方法.回采工作面采用一进二回的通风方式,掘进工作面采用局部通风机压入式通风.常村煤矿3号煤层瓦斯含量与其它高瓦斯矿井相比虽不高,但采煤时落煤强度大,而且煤层厚,工作面瓦斯涌出量较大.2012年鉴定结果绝对涌出量高达114.64 m3·min-1,相对涌出量为8.51 m3·t-1,属于高瓦斯矿井.

1.2 五阳煤矿

五阳矿井采用主斜-副立井混合开拓方式.井田沿倾斜布置上、下山,采区采用前进式开采顺序.矿井采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法,放顶煤一次采全高.矿井通风方式为分区对角混合抽出式.根据2011年度矿井瓦斯等级鉴定结果,矿井瓦斯绝对涌出量为137.81 m3·min-1,相对涌出量为22.37 m3·t-1,属于高瓦斯矿井.

2 矿井构造特征及断层发育情况

潞安矿区位于沁水煤田东部中段,处于华北断块区吕梁—太行断块沁水块岰东部次级构造单元的沾尚—武乡—阳城北北东向褶曲带中段,晋获断裂带西侧.矿区主体部分为新生代叠加的长治新裂陷,矿区井田地层划分属华北地层山西地层分区长治小区.

2.1 常村煤矿断层特征

常村井田位于潞安矿区中部,构造以褶曲为主,地层走向近南北,向西倾斜,倾角3°～6°.常村井田内大致以姬村向斜轴部为界,其以东井田内断裂构造发育,形成了一系列的地堑、地垒及阶梯断块构造.

常村井田除北部文王山南断层和东南边界安昌、中华两断层及西南边界藕泽断层较大构成常村井田自然边界外,井田范围内还发育有四条落差20～30 m的中型断层,其余断层较小,都在10 m以内.常村井田内小断层较发育,井下共发现小型断层170条,其中正断层129条,逆断层41条,多数断距较小,平均断距3.5 m,密度12.5条/km2.常村煤矿断层以正断层为主,力学性质以张剪性为主,剪压性次之.

2.2 五阳煤矿断层特征

常村井田北部与之相邻的五阳井田内地质构造较复杂,以较开阔的褶皱,伴有密集的大、中型正断层,小断层发育,煤层底板波状起伏,煤层受冲刷及陷落破坏.煤层倾角4°～24°,平均10°,属缓倾斜煤层,井田内各采区煤层产状变化较大.煤层近东西走向,向西端倾覆.

断层在褶曲形成过程中,由于背斜轴部张引力的作用发育有高角度正断层,构成地垒、地堑构造,它们是五阳井田常见的断层组合形式,直接控制和影响含煤岩系的分布发育规律和煤层开采.统计得五阳井田内具有区域控制作用的落差大于50 m的断层11条,落差10～50 m的中型断层17条;落差小于10 m的微小断层共有170条;5～10 m的断层27条,密度为0.34条/km2;落差1～5 m的断层81条,密度为1.03条/km2;落差不足1 m的断层62条;总计198条.所有断层中正断层195条且大部分为高角度正断层,断层倾角65°～85°,逆断层仅有3条.

3 小型正断层与瓦斯涌出的关系

由于两矿在实际生产中掘进工作面揭露的逆断层极少,本文所收集的小型断层均为正断层,除五阳煤矿78-1#断层外落差均在5 m以内.倾角从20°到75°,大于50°的倾角占大多数.所研究的断层规模小不足以切割煤层,根本无法导通邻近含水层,加之顶底板为透气性差的泥岩,造成对煤层瓦斯含量的影响不会特别大,但是从观测的数据来看,掘进工作面瓦斯涌出量有明显规律,只是变化幅度不同.

3.1 典型断层分析

以五阳煤矿7522回风巷掘进至416 m处揭露的7522-1#断层为例,根据现场观测可知7522-1#断层为正断层,落差5 m,倾角70°.掘进过程中揭露的7522-1#断层前后的绝对瓦斯涌出量情况如图1,其中Q为绝对瓦斯涌出量,S为断层揭露前后距离.

图1 7522-1#断层揭露前后距离与工作面瓦斯涌出量关系图Figure 1 Relation between gas emission in dig working face and distance before and after small normal faults exposed

从瓦斯涌出量曲线可以看出在距离揭露断层50 m左右之前,瓦斯涌出量比较平稳,大致在2～3 m3·min-1之间,因此可以选取此段区间瓦斯涌出量的平均值为Qa.在距离断层50 m以内后,瓦斯涌出量开始逐渐上升,并且在距离断层13 m左右出现了极大值6 m3·min-1,在揭露断层后瓦斯涌出量开始下降,并且在揭露断层后的60 m左右时出现了瓦斯涌出量极小值,只有不足1 m3·min-1,此后瓦斯涌出量上升,稳定在2 m3·min-1左右.掘进方向是从该断层上盘通向下盘,揭露断层前的瓦斯涌出量上升反映了在上盘一侧断层对瓦斯的封闭作用,下盘一侧瓦斯涌出量的降低反映了断层对瓦斯的开放逸散作用.

究其原因,落差较小的断层,虽使煤层断裂错开,但仍可看到对接层为透气性较差的泥岩、砂质泥岩,虽然其对煤层瓦斯含量变化影响不大,但靠近此类断层地带,应力集中,阻隔了煤层中瓦斯运移,瓦斯含量较高.在采掘过程中则表现为在揭露断层前,由于应力释放,煤层瓦斯的相对平衡状态被破坏,容易产生瓦斯涌出量的增大,但其强度较小,经过断层后会有一个瓦斯涌出量较低的阶段,甚至低于断层两侧未受断层影响的阶段的瓦斯涌出量.

3.2 瓦斯涌出变化规律分析

为了定量分析小型正断层与工作面瓦斯涌出量之间的关系,本文首次采用增长幅度F来表示瓦斯涌出量的异常变化程度.增长幅度的数学计算式

F=(Qe-Qa)/Qa×100%.

(1)

其中:Qe—瓦斯异常涌出量的极值,该值为每日测量均值;Qa—小型断层揭露前未受断层影响的瓦斯涌出量的平均值.

采用增长幅度F的原因有:

其一,在生产过程中由于瓦斯异常升高的危害很大,最值得关注.

其二,每条断层所在的矿井、煤层都不尽相同,不同断层周围的瓦斯储存量可能存在很大差异,而本文研究的是掘进工作面的瓦斯涌出异常,用瓦斯涌出量的增长值或极值显然不科学.

通过对2011年至2013年间揭露的常村和五阳矿井9条巷道的18条小型正断层揭露前后的瓦斯绝对涌出量作统计分析,其结果见表1.

在所有的18条小型正断层中,增长幅度在50%以下的有3条,可认为其对瓦斯涌出量的增长影响不大;对瓦斯涌出量影响较明显的增长幅度在50%和100%之间的有9条达到了一半的比例;对瓦斯涌出量影响十分显著的增长幅度在100%以上的有6条,其中最大增长幅度达到245.03%.由此可见，小型正断层对瓦斯赋存具有明显的控制作用.

3.3 断层落差与瓦斯涌出的数值分析

由前文分析可知小型正断层对工作面瓦斯涌出作用明显,作为断层重要特征的落差和倾角与瓦斯涌出量有着怎样的关系.断层落差是煤层岩石在构造应力作用下两盘发生相对位移的产物.

表1 小型正断层揭露前后瓦斯涌出情况

本文选取断层在巷道揭露点测得的落差H为横坐标,瓦斯涌出量增长幅度F为纵坐标(图2),经回归分析可得知两者之间存在良好的相关性.瓦斯涌出量增长幅度随落差的增大而增大,它们的线性规律是F=0.344 8H+0.240 6,线性相关性R2为0.741 7.

图2 瓦斯涌出量增长幅度与断层落差Figure 2 Relation between the growth rate of gas emission and fault throw

3.4 断层倾角与瓦斯涌出的数值分析

倾角是断层的又一重要特征,取断层在巷道揭露点测得的倾角X为横坐标,瓦斯涌出量增长幅度F为纵坐标(图3),经回归分析可知:断层倾角与瓦斯涌出量之间存在较差的相关性,线性相关性R2仅为0.359 9.

图3 瓦斯涌出量增长幅度与断层倾角Figure 3 Relation between the growth rate of gas emission and fault dip

4 结语

1)地质构造对瓦斯赋存的影响很大,一方面造成了瓦斯分布的不均衡,另一方面形成了瓦斯储存或排放的有利条件.而本文研究的小型正断层明显属于抑制瓦斯排放的封闭型断层,因此在断层附近的瓦斯涌出存在异常升高的现象.

2)由本文数据统计知83.3%的小型正断层附近的工作面瓦斯涌出量增长幅度在50%以上,可见五阳、常村两矿的小型正断层对掘进工作面瓦斯涌出量有明显的控制作用.

3)瓦斯涌出量的异常增长受断层落差的控制作用明显,瓦斯涌出量增长幅度与小型断层的断距之间有较高的线性正相关性.而小型正断层倾角与之的关系比较模糊.这一结论是基于五阳、常村两矿的数据得到的,是否适应于其他矿区还有待进一步研究,但对于同属潞安矿区的其他煤矿有很大的参考价值.

4)随着等三维地震技术在小型断层勘探识别方面的发展,小型断层在未揭露前便能被准确探得其位置和断层落差,结合瓦斯涌出量与断层落差的数学关系可对小型断层影响的掘进工作面瓦斯涌出量进行预测,从而采取合适的预防措施以减少煤与瓦斯突出事故的发生.

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Research on the impact of small normal faults on abnormal gas gush in the dig working face of coal mines

HE Xunxun1, QU Fang1, XIN Xuepeng2

(1. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Faculty of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

Based on the effect of the geological structure on gas deposits, we analyzed the features of small faults of Changcun coal mines and Wuyang coal mines in the Lu’an mining area of Shanxi Province in China. Based on the dig working face gas gush amount data in the production process, it was found that there was a linear relationship between the abnormal growth of gas gush amount and the fault throw. This conclusion has guiding significance for gas emission prediction in dig working faces and the prevention of coal and gas outbursts.

small fault; gas gush; normal fault; dig working face