火烧铺煤矿地质构造特征及其对矿井生产的影响

朱玉英,王海军

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077)

矿井地质构造特征及其复杂程度直接决定矿井勘探类型及勘查工程部署网度,地质构造影响矿井工作面的布置、瓦斯富集分布、日常预测预报,对于矿井安全、高效、绿色、智能化开采具有重要的意义[1-5]。贵州盘江矿区是我国重要的焦煤生产基地,以矿井地质构造复杂、煤层瓦斯含量高为突出特点,这也是目前制约矿区巷道高效掘进、工作面智能开采的主要地质因素。火烧铺煤矿自矿井建设以来经过30多年的地面、井下地质勘查、巷道探测、积累了丰富的地质构造资料和矿井安全生产等方面的资料,对矿井地质构造及其相关的灾害有一定的认识,但是,这种认识系统性不够,尤其是对地质构造与矿井瓦斯、顶板等灾害隐蔽致灾因素的相关性等认识不清,导致地质构造影响矿井工作面的部署、接续工作面瓦斯抽采工作量大、矿井灾害治理速度严重制约矿井生产,形成了目前采掘紧张的被动局面[6-11]。

国内外学者对黔西构造属性[1-2]、应力场[3-4]、构造演化特征[5-6]等进行了研究,从20世纪50年代盘西煤田地质勘查开始,中煤科工西安研究院开展了对该区煤层对比、煤岩煤质、煤的加工利用,煤层气的评价优选等工作[12-15]。近年来,随着煤田勘探程度的提高和矿井煤炭资源的开发,贵州煤田地质局、中国矿业大学先后开展了煤田内多个矿井地质调查、补充勘探、矿井瓦斯防治、煤层气测试等[16-18]工作。随着盘关向斜煤田地质勘探程度的提高以及矿井生产揭露,对煤田的构造认识逐渐深入,上述研究成果是此次研究的基础。

为了从根本上解决这一问题,从影响和制约矿井安全高效生产的最关键的地质构造因素入手,通过对勘探资料分析、结合地面和矿井地质调查、地面三维地震勘探、地质钻探、矿井建设井筒、巷道揭露断层以及生产阶段巷道、工作面揭露的构造资料进行系统的整理、详细分析,采用探采对比的方法,开展火烧铺煤矿地质构造特征研究。在此基础上,采用统计分析法分析矿井地质构造对矿井生产中煤质、资源量、顶板支护管理、巷道掘进等的影响,进而为矿井深部第三水平开拓布置、井下断层的预测预报、识别与分析提供依据。

1 地质概况

火烧铺煤矿位于盘县煤田内,地处扬子准地台,上扬子台褶皱带,黔西南迭陷褶断束的西部盘县聚煤盆地内。盆地内的大型构造大致分北西向和北东向两组,盘县盆地是黔西滇东地区的一个主要的煤层气聚集区,盆地面积共1 227 km2(图1),盆地有4个向斜:土城向斜、照子河向斜、旧普安向斜和盘关向斜,并分别处于2个构造带和黔西南旋扭构造带之中,即“一盆两地”的复式向斜。其中盘关向斜是其中的北东向构造之一,是盆地内面积最大的构造单元,向斜轴通过亦资、红果等地,轴线长约45 km,向斜宽5～20 km,火烧铺井田处于盘关向斜西翼南段。

图1 区域构造图及其地层综合柱状Fig.1 Regional structural map and its stratigraphic comprehensive histogram

火烧铺煤矿由火烧铺井田、滥泥箐井田和羊场坡井田组成,含煤地层为二叠系龙潭组,岩性以泥岩、粉砂岩、煤层为主,含煤地层厚147.00～269.47 m,平均厚245.25 m,含煤层20～60层,煤层编号为1—30号,可采煤层14～18层(图1),煤层厚度以薄—中厚煤层为主,有分叉、合并、尖灭等现象。煤层属于较稳定—稳定煤层,全区可采—大部分可采煤层。煤类浅部气煤为主,向下部、深部变为肥煤为主,出现焦煤、1/3焦煤,在深部和构造转折端的羊场坡井田局部区域出现低变质的无烟煤。

2 井田构造特征

火烧铺煤矿总体为大致向东倾斜的单斜构造,地层倾角18°～40°,已有成果和矿井揭露表明,褶皱不发育,断层较发育,层间滑动较强烈,煤系内未发现岩浆侵入体和岩溶陷落柱。

2.1 褶皱

区内褶曲不发育,多在较大断层边缘局部发育小褶曲。根据以往地质成果,相对较大的是火6断层北侧的一个背斜和一个向斜,二者相伴而行,走向北东15°～20°,与火6断层大致平行展布,轴面近于直立。其中背斜两翼地层倾角为40°左右,波幅为40～70 m。向斜两翼不对称,两翼倾角18°～22°,波幅约20 m。褶曲影响宽度150 m左右。该背、向斜被滥2断层切断,因靠近火6断层,致使背、向斜与火6断层之间各煤层难以开采。

2.2 断层

经对历次地质勘探、三维地震勘探(图2)和矿井生产揭露统计,井田内已查明断层1 643条,其中断距大于30 m的断层12条;断距20～30 m的9条,断距10～20 m的33条,断距2～10 m的757条,断距小于2 m的832条。区内断层以走向北东,倾向南东为主。断层性质以正断层为主,占比78.1%,逆断层占比21.3%,走滑断层仅4条,占比0.6%(图3(a))。断距大于30 m的断层基本为正断层,多数为井田或采区的边界断层。各煤层断距0.5 m以上的断距密度0.23～13.14条/万m2,以14煤层最高(表1、图4)。断层总体以NEE—SWW(50°～90°)为主;倾向以南东方向为主,频度70%,东向次之,频度20%,北东向频度10%(图3(c));倾角以40°～60°为主,其中正断层倾角以50°～60°的高角度为主,而逆断层倾角以30°～40°的低角度或顺地层的为主(图3(d))。

表1 各煤层断层数据统计Tab.1 Statistical of fault data of each coal seam

图2 三维地震勘探断层特征Fig.2 Fault characteristics of 3D seismic exploration

图3 矿井典型构造特征Fig.3 Typical structural characteristics of mines

图4 各煤层断层发育密度对比Fig.4 Comparison of fault development density of each coal seam

已查明断层最多切割煤层6层,多为切割1层;生产中揭露的隐伏断层占比较大,勘探阶段发现的断层占比较小,给矿井日常生产地质工作、特别是地质的预测预报工作带来了一定的难度,同时也为煤炭资源的采出、井巷支护以及煤层灰分等带来一定的影响。

2.3 层间滑动

从已动用的煤层看,层间滑动较强烈,其滑动方向大致呈东西向。滑动的强弱与煤层的软硬成正比,煤层软则强,反之则弱。区内17煤层间滑动现象最为突出,这点可作为17煤的对比标志之一。经生产实见,中上煤组的沉积是比较稳定的,部分煤层在近距离范围内突然变薄或变厚,均属煤层层间滑动所致,致使煤层开采的难度变大。

3 断裂构造对生产矿井的影响

3.1 对资源的影响

大型断层和褶皱对生产影响不大,因在勘探阶段,大都已经查明,在采区的划分和采区内巷道的布置上均已经考虑。但小断层和其他小构造很难预测,只有通过井下工作面及其巷道进行探查,对生产的影响较大。38年来井下巷道和工作面断层揭露统计表明,断层主要造成地质及水文地质损失增加,累计已达534.80万t,实际地质及水文地质损失系数为0.193(表2)。

表2 断层导致资源损失统计Tab.2 Statistics of resource losses caused by faults

3.2 对井巷掘进的影响

根据矿井回采结束的196个回采工作面统计,回采工作面巷道总进尺243 149.10 m,其中为处理断层而增加的无效进尺59 951.1 m,占工程总量的29.7%。

由对比分析可知,随着3次采煤工艺中机械化程度的提高(1981—1985年为普通炮采;1985—2008年为半综合机械化采煤;2008—2018年为综合机械化采煤),地质损失量和损失率逐渐提高;随着煤层开采深度的增加,大型断裂发育、构造转折端构造断裂发育程度与地质损失呈正相关性。

3.3 对煤质灰分的影响

30多年生产数据统计表明,由于断层的发育导致综采工作面灰分增加(表3)10%左右。

表3 断层导致开采煤层灰分变化统计Tab.3 Statistics of changes in coal seam ash content caused by faults during mining

3.4 对煤层顶板支护控制的影响

因层间滑动的影响,10、14、17煤层的底板发生1 m左右波幅的小褶曲,煤层顶板与煤层呈角度接触,甚至插入煤层之中,顶板非常破碎,对安全生产不利。

由于构造作用导致在中组煤层的12—17煤层间整体上为构造滑动层,形成构造破碎段,尤其是在17煤的顶板泥岩发育区域内,破碎带的存在严重制约了矿井巷道的快速高效掘进和工作面回采,在工作面回采过程中导致控顶难度大,频繁发生架前漏顶、架间漏矸、造成咬架、漏底等。

3.5 矿井生产对断层的利用

在矿井总体设计、采区设计和矿井生产时,应对探查获得的断裂构造的特征进行整体考虑和利用。

(1)矿井主要运输巷道、回风巷道可以选择在二叠系坚硬的峨眉山玄武岩层内,岩体完整性较好,整体抗压强度高,多年的生产实践也已证明了其稳定性,是大巷层位选择的良好层位。

(2)大型断裂构造如火5、火6等作为井田边界划分的依据,保护煤柱留设至少150 m,而小型断裂构造可以作为采区或工作面划分的边界。

(3)火6断层的断距减小了火6断层下盘距茅口组灰岩的距离,矿方选择在火6断层的下盘实施取水巷道,以较小的工程量完成了从下部茅口组灰岩取水任务,解决井下生产、消防等用水需求。

4 结论

(1)火烧铺井田构造特征中等,断裂构造发育,其中以正断层为主,逆断层次之,局部发育走滑、层间滑动断层;断层的倾角40°～60°,走向以北东为主;各煤层中断层发育的密度,14、10煤层最发育,7煤层最小。

(2)矿井地质构造的发育给矿井安全生产、地质预测预报、煤炭资源的采出率、灰分、顶板控制、巷道支护等带来了巨大的困难。

(3)鉴于浅部开采水平矿井揭露的断层特征,向深部的向斜构造的轴部以及盘关向斜西翼南段近转折端区,构造势必会更加发育。在深部采区布置时,火6断层可以作为26采区与23采区的采区边界,滥2断层可作采面划分的边界,保留煤柱,其中火6断层两侧至少保留150 m的保护煤柱;同时在201611、20164、20163钻孔12煤层与18煤层间发育落差20 m左右的断层,做好探查。

(4)以往勘探及矿井生产中未发现断层的导水性,为了安全起见,在滥2断层上部采空区与下部采区之间保留好一定厚度的防隔水煤岩柱,这样既可以隔离浅部采空区与深部采区导通,又能预防滥2正断层在采动条件下通过断层将下部采区与采空区积水导通。