平煤集團十礦煤與瓦斯突出地質原因分析

許偉功1,郭德勇1,程　偉2,和德江2

(1.中國礦業大學北京校區,北京100083;2.平頂山煤業集團,河南平頂山467000)

摘　要:通過對平頂山十礦煤與瓦斯突出的地質原因分析,找出突出與瓦斯賦存狀態、地質構造、煤層厚度、煤體結構聯系的規律性,以指導今后的生產,同時為其它井田提供生產實踐的經驗。

關鍵詞:突出;瓦斯賦存;地質構造;煤層厚度;煤體結構

中圖分類號:TD713　　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)03-0054-03

　　煤與瓦斯突出是煤礦中一種極其復雜的地質自然災害,輕者影響正常的生產循環,重者危及人身安全和國家財產。隨著礦井開采深度的不斷加大,煤與瓦斯突出已愈來愈成為影響和制約生產的重要因素。大量的調查結果都肯定了瓦斯突出分布的不均衡性。這種不均衡性與地質條件的差異性有著密切的聯系。國內外研究成果表明:地質條件對煤與瓦斯突出的分區分帶具有明顯的控制作用。

1　礦井概況

十礦位于河南省平頂山市東部,井田東西走向長5 km,南北傾斜寬6.5 km,井田面積32.5 km2,東西分別與一礦、八礦、十二礦相鄰。1958年開工興建,1964年投產,原設計生產能力為120萬t/a,經1982年和1995年2次改擴建后,生產能力可達300萬t/a。十礦可采煤層有丁組、戊組、己組共3組,現開采有戊、己2組,丁組煤層由于內灰高已經停止回采,全礦共有己二、己四、北翼中區、北翼東區4個采區。

礦井開采二疊系山西組己組煤層和下石盒子組戊組煤層,己組寬自上而下為己15、己16、己173層。戊組煤自上而下為戊8、戊9、戊103層。井田范圍內,由于成煤環境的變化,而使各煤層間距時小時大,煤層也時分時合。煤層頂底板巖性均為砂質泥巖。

戊8、戊9、戊10煤種為肥煤,己15、己16、己17煤種為焦煤或1/3焦煤。井田位于李口向斜西翼中東段井田發育2個北西剪切帶:其一為原十一礦逆斷層與郭莊背斜斷褶帶;其二為牛莊逆斷層與十礦向斜斷褶帶,它們成為十礦井田的主干構造。

井田開拓方式為豎、斜井綜合開拓,多水平上下山開采,采煤方法為走向長壁全面垮落法,通風方式為分區抽出式通風。

2　礦井的瓦斯概況

(1)瓦斯涌出。2004年礦井瓦斯等級鑒定:全礦井相對瓦斯涌出量為17.36 m3/t,絕對瓦斯涌出量89.13 m3/min。1991年7月和2002年5月分別經煤炭科學研究總院重慶分院、撫順分院鑒定,十礦戊9-10煤層、己15-16煤層為突出煤層,十礦被定為突出礦井。

(2)煤與瓦斯突出現狀。十礦是目前平頂山礦區突出最嚴重的礦井之一。第一次煤與瓦斯突出發生于1988年4月22日戊9-10-20090機川,截止到2003年8月10目共發生煤與瓦斯突出46次,其中24次發生在丁5-6煤層的丁5-6-21130采面,17次發生在戊9-10煤層,5次發生在己15-16煤層,始突深度420 m。丁5-6煤層均發生在- 320 m左右,戊9-10煤層始突標高-247 m,最深為-450 m,己15-16煤層始突標高-316 m,最深-613 m。最大的一次突出是2003年7月28日在己15-16-24060機巷發生的,突出煤量483 t,噴出距離65 m,其中里部27 m為滿巷,突出瓦斯量為14 400 m3。46次煤與瓦斯突出的強度、突出深度、突出類型、生產工藝統計見表1。

3　煤與瓦斯突出的地質原因

煤與瓦斯突出發生的控制因素(見圖1)包括工程因素和地質因素。工程因素在煤與瓦斯突出過程中起誘發作用。十礦由于放炮或割煤而引起的煤與瓦斯突出發生次數占總數的78.2%,其它原因而引起的突出次數占總數的21.8%。地質因素則是煤與瓦斯突出發生的必要條件。瓦斯賦存條件、井田地質構造、煤層厚度及其變化、煤體結構是控制煤與表1　平煤十礦煤與瓦斯突出基本情況瓦斯突出現象發生及其分布的主要地質因素。

圖1　煤與瓦斯突出因素框圖

3.1　瓦斯賦存的地質條件

十礦井田含煤巖系總厚度900 m左右。包括煤線在內共80多個煤層。煤系地層為石炭—二疊系。

戊組煤與己組煤分屬二疊系下石盒子組和山西組。研究表明,戊組煤屬三角洲相沉積,己組煤屬濱海相沉積。二疊系山西組和下石盒子組含煤較好,厚度大,含煤系數高,巖性、巖相比較穩定,煤層的頂底板一般為0.1~0.3 m的炭質泥巖,然后為2~10 m的泥巖或砂質泥巖,有時可達10 m以上,由于泥巖及砂質泥巖的孔隙度低,透氣性能差,這就為戊組和己組煤生成的瓦斯保存下來提供了物質條件。本礦井水文地質條件簡單,涌水量為150 m3/h左右(其中一水平50 m3/h、二水平100 m3/h)。井田戊組煤層和己組煤層屬中、高變質程度。煤的變質程度與瓦斯有密切關系。在煤化過程中,不斷產生瓦斯。煤的變質程度越高,產生的瓦斯越多,隨著變質程度的增加,煤的滲透率下降,煤的變質程度越高,煤的吸咐能力越大,煤層中可以滯留更多的氣體。據研究表明:每生成1 t褐煤產生68 m3瓦斯,每生成1 t肥煤產生330 m3瓦斯。生產實踐也證明十礦井田的煤層瓦斯含量隨著煤化程度的增高而增高,即:己組>戊組>丁組。

井田范圍內煤層埋深和地質構造對瓦斯賦存有重要影響。井田處于李口復式向斜的西翼中東段,整個煤層埋藏呈西南高東北低趨勢,但受十礦向斜、郭莊背斜、原十一礦逆斷層和牛莊逆斷層的影響,局部也出現反常現象。生產實踐和研究證明,戊組(見圖2)和己組煤層瓦斯含量明顯受控于煤層埋深和地質構造影響。十礦井田87%的煤與瓦斯突出發生埋深>500 m,也證明了瓦斯含量埋深的相關性。

圖2　平煤十礦戊9-10煤層瓦斯地質簡圖

3.2　地質構造對煤與瓦斯突出的影響十礦的地質構造條件比相鄰一礦、八礦和十二礦都要復雜。李口復式向斜的次級構造———十礦向斜、郭莊背斜、原十一礦逆斷層、牛莊逆斷層形成十礦獨有的壓性或壓扭性地質構造。這種地質構造一是瓦斯排放條件比較困難,有利于瓦斯保存,二是屬構造應力集中地帶,為煤與瓦斯突出的發生提供了動力。

十礦煤與瓦斯突出都發生在郭莊背斜東北翼,宏觀上受井田內主干構造影響。統計表明十礦井田內煤與瓦斯突出受斷層控制見表2。在所有的46次

突出中,20 m以內無斷層的突出16次,占總數的34.8%。說明十礦井田內斷層對煤與瓦斯突出有控制作用,并且順層斷層作用明顯,如丁5-6煤層順層斷層頂部形成一呈鏡面狀擦光面,其中一次動力現象,形成沿鏡面長15 m,寬0.1 m的孔洞,煤與瓦斯突出總是以鏡面處為“突破點”。

3.3 煤厚及其變化對煤與瓦斯突出的影響煤層厚度的大小與生成的瓦斯量多少有關,厚煤帶也為瓦斯儲集提供了場所,煤厚對煤與瓦斯突出影響很大,十礦井田內丁、戊、己煤組發生突出均為合層煤層,單一煤層從未發生過突出。現場資料顯示,井田內單一煤層厚度一般不超過2.0 m,并且單一煤層中很少有軟煤分層發育。煤層厚度變化對煤與瓦斯突出也有明顯影響。以戊組煤為例,在所發生的17次突出中,發生在戊9或戊10煤層分叉合并線(夾矸0.2 m)100 m附近的達13次,占戊組突出總數的76.5%,形成分布于戊9與戊10煤層分叉合并線范圍100 m的弧形突出帶(見圖2)。2003年8月10日己15-16-22230風巷突出點附近,在5.6m范圍內煤層由2.35 m迅速增加到3.5 m,巷道方向煤層傾角也由2.5°增大至8.5°,此次突出煤量240 t,涌出瓦斯量5 500 m3,30 m滿巷。井下揭煤資料證明己15-16煤層在此處與己17合層(見圖3)。所以筆者認為:在十礦煤與瓦斯突出一般不發生在厚度低于2 m的單一煤層中,在煤層分叉合并線附近是煤與瓦斯突出危險地帶。

圖3　十礦已15-16-22230風巷突出點地質平剖面示意圖

3.4　煤體結構對煤與瓦斯突出的影響在地質構造應力作用下,煤體較其它巖層更易遭到破壞,極易破碎。被破壞的層位層理紊亂、煤質松軟,習慣上稱這種煤為軟煤。由于軟煤的煤體原生結構遭受構造作用破壞,也叫構造斷。構造煤的空隙率大,瓦斯含量大,透氣性差,一般能保持較高的瓦斯壓力。構造煤結構先前不同程度地遭受破壞,抵御外力作用的能力大大降低,同時構造煤有利于顆粒移動。由于十礦井田受十礦向斜、郭莊背斜、原十一礦逆斷層、牛莊逆斷層的影響,十礦范圍內順層斷層發育,煤體層間滑動,使戊9-10、己15-16煤層呈現“硬-軟-硬”的煤體結構特征。十礦所有突出煤層含有軟煤分層,軟煤厚度1.0~1.8 m。突出點附近軟煤分層厚度增加,如戊9-10-20080機巷突出點構造煤厚達3.6 m;己15-16-24060機巷突出點煤厚4.1 m全部為構造煤。構造煤為煤與瓦斯突出提供了足夠的瓦斯,是突出的必要條件。十礦目前的46次煤與瓦斯突出均發生在構造煤中。

4　結　論

(1)十礦井田戊組和己組煤層瓦斯含量受煤層埋深、十礦向斜、郭莊背斜控制。

(2)十礦井田煤與瓦斯突出宏觀受主干構造控制,同時與井田內順層斷層發育有關。

(3)井田內厚度<2 m的單一煤層一般不會發生突出,與煤層厚度不大和構造煤不發育有關,但隨著開采深度的增加有可能發生突出。

(4)在戊9-10煤層分叉合并線附近是煤與瓦斯突出帶,其它煤層分叉合并線附近可能成煤與瓦斯突出危險帶。

(5)突出點附近構造煤增厚,為煤與瓦斯突出提供了足夠的瓦斯和力學條件。構造煤厚度增加,突出的危險性增大,構造煤愈厚,突出的強度也愈大。

參考文獻:

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　　作者簡介:許偉功(1967-),男,河南許昌人,地質工程師,1991年畢業于焦作礦業學院,現在中國礦業大學(北京)攻讀工程碩士研究生,工作于平煤集團十礦,長期從事礦井地質和瓦斯地質工作。