斷層對煤與瓦斯突出的影響研究

斷層對煤與瓦斯突出的影響研究

0煤與瓦斯突出危害隱患在立即破壞道路和通風系統(tǒng)的同時，大量的煤炭和磚瓦流也在采礦和沉淀的空間中爆發(fā)。這不僅嚴重損害了道路和通風系統(tǒng)，而且還使附近地區(qū)的井中充滿了磚瓦和煤炭粉末。這很容易導致煤窒息和煤流中埋人，造成煤塵和磚瓦爆炸等嚴重后果，嚴重威脅著礦山的安全生產。斷層是煤與瓦斯突出的重要影響因素和易發(fā)區(qū)域。山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責任公司(簡稱“趙莊煤礦”)自投產至今雖未發(fā)生過瓦斯災害,但瓦斯災害潛在的隱患比較突出。礦井斷層和煤與瓦斯突出危害隱患共存。礦井地質條件復雜,煤層較軟、煤體破碎,并且井田內發(fā)育有許多隱伏性的斷層等地質構造;礦井瓦斯涌出量大,屬于高瓦斯礦井,在日常的采掘過程中,曾出現過瓦斯動力現象［1－2］。煤與瓦斯突出危險隱患已成為影響趙莊煤礦安全生產,制約產量穩(wěn)定持續(xù)增長的重要因素。趙莊煤礦絕大多數瓦斯涌出異?，F象均和地質構造存在密切關系,為了對趙莊煤礦煤與瓦斯突出進行超前準確預警,筆者研究了趙莊煤礦斷層對煤與瓦斯突出的影響。1井田煤層煤地層趙莊煤礦設計生產能力6Mt/a,屬于高瓦斯礦井。礦井主采3號煤層,3號煤層的原始瓦斯壓力0.46MPa,瓦斯含量8.37m3/t。礦井3號煤層地質儲量903Mt,預測3號煤層瓦斯含量(煤層氣含氣量)最高可達24m3/t以上,煤層氣資源地質儲量為10661.69Mm3,平均資源豐度1.28×108m3/km2,為中等儲量豐度類別。井田內含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s),累計總厚度118.19~206.86m,一般153.57m,共15層煤,煤層總厚度3.38~18.21m,平均12.80m,含煤系數8.33%,3號煤層平均煤厚4.69m。3號煤層和15號煤層位于2個層序最大海泛面位置,煤層相對較厚,煤層穩(wěn)定。2趙莊井田地質條件趙莊煤礦位于沁水盆地的南翼東部,晉獲斷裂帶以西沁水復向斜以東,地處華北古板塊內部,屬于典型的板內構造［3－5］。受區(qū)域構造控制,區(qū)內主要斷層和褶曲的走向多為北北東向,伴生的次一級斷層為北東和北東東向,當兩者交叉時,后者切割前者,如興旺莊南、北正斷層切割東坡向斜和郭村背斜,南部褶曲和斷裂因受后期構造運動的影響偏轉成北東,如掘山北背斜和黑山斷層等。趙莊井田內總體構造形態(tài)為走向北北東—南北向西緩傾的單斜,在此基礎上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲(兩翼傾角一般小于10°),沿傾向及走向伴有少量斷距大于20m的斷層和一定數量斷距小于20m的斷層及100余個陷落柱?？傮w來看,趙莊煤礦地質條件較復雜。根據趙莊井田的地質特征,將斷層和陷落柱作為主要分析要素。趙莊煤礦瓦斯含量預測值在4~28m3/t(圖1),百米瓦斯含量梯度為5.8m3/t。趙莊井田內發(fā)育的小斷層的走向以NNE向居多,與地層走向相近,為走向斷層。除莊頭正斷層外,共發(fā)現106條斷層。其中,正斷層91條,逆斷層14條,平移斷層1條;落差H>20m的8條,H=5~20m的44條,H<5m的49條(其中小于3m的16條),落差不詳的5條。3斷層影響范圍礦區(qū)位于華北斷塊區(qū)~太行斷塊沁水塊坳東部次級構造單元的沾尚~武鄉(xiāng)~陽城北北東向褶曲帶中段,晉獲斷裂帶西側。燕山運動期間產生強大的近東西向擠壓,在趙莊井田內出現了近南北向的逆斷層和擠壓褶皺。礦區(qū)發(fā)育的逆斷層,一般為壓扭性斷層,由于斷層的剪切作用,對煤層破壞強烈,煤層流變加強,煤層厚度變化大且容易發(fā)育為破壞程度很高的構造煤,斷層比較緊閉,易于富集瓦斯。受斷層集中應力的影響,至斷層一定距離的煤層的透氣性因受擠壓而降低,出現瓦斯增高區(qū)。逆斷層容易引起煤層產狀的急劇變化,產生斷層相關褶皺(圖2),對瓦斯賦存起到積極的影響。擠壓形成的褶皺,以北北東—南北向為主。一般來說,閉合而完整的小背斜且覆蓋有屏障性頂板是良好的儲氣構造,其軸部煤層通常積存高壓瓦斯形成“氣頂”,小向斜軸部因受擠壓,透氣性差,也是瓦斯富集區(qū)［6－10］。趙莊煤礦所在大地構造位置屬于板內構造,礦井內區(qū)域性大型張斷層使得瓦斯大量逸散,如莊頭斷層,靠近莊頭斷層的礦井東南部煤層瓦斯含量明顯下降。然而,走向正斷層多為燕山期沁水盆地形成時發(fā)育的逆斷層,經過后期反轉為開放性正斷層,地層發(fā)育小范圍斷層傳播褶皺,這些小褶皺容易聚集瓦斯,使得生產過程中瓦斯涌出量急劇增大,因此需要考察這些斷層的影響范圍。斷層的影響范圍與斷層的落差和產狀有關,但實際生產過程中,前方斷層不容易掌握且易變,因此主要考慮落差,斷層影響范圍的指標考察是瓦斯地質預警的重要工作。趙莊煤礦現場生產過程中遇斷層會有塌孔、不反風、卡鉆、響煤炮等現象發(fā)生,也說明了趙莊煤礦井田范圍內的斷層構造對煤與瓦斯突出的影響。4斷層對煤與瓦斯突出的影響斷層會造成瓦斯含量變化,巷道過斷層時的瓦斯含量變化如圖3所示。趙莊煤礦采用鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面的突出危險性,在近水平煤層工作面向前方煤體至少施工3個直徑42mm、孔深8~10m的鉆孔,測定鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆屑量S。1306工作面腰巷、1306工作面探巷一分別過正斷層F372和正斷層F259,K1變化情況如圖4所示。1306工作面腰巷距F372正斷層約28m,K1從0.30mL/(g·min1/2)升至0.50mL/(g·min1/2),出現高峰后短暫下降又持續(xù)在0.42mL/(g·min1/2)左右,過F372斷層后K1值下降;1306工作面探巷一距F259斷層約29m處至斷層處K1值出現2次高峰段,先從0.20mL/(g·min1/2)升至0.60mL/(g·min1/2),又從0.25mL/(g·min1/2)驟然升至1.15mL/(g·min1/2),遇F259斷層后K1值下降。過正斷層F372(H=3.0m)和正斷層F259(H=3.9m)過程中日常預測指標變化較為明顯,說明斷層對趙莊煤礦的煤與瓦斯突出有明顯影響,斷層影響范圍大約30m。兩斷層均屬于落差小于5m的小斷層,而趙莊煤礦實際生產過程中發(fā)現的落差小于5m的斷層共49條,占總斷層數量的一半,這些小斷層使一定范圍內煤體揉搓破壞嚴重,甚至地層發(fā)生斷層傳播褶皺,瓦斯容易聚集,生產過程中瓦斯涌出量急劇增大。我國突出礦井的大量資料表明,不同區(qū)域、不同類型、不同落差的斷層,其影響范圍不同,甚至在同一斷層兩盤,其影響范圍也不一定相同,因此需要經過現場考察確定。由于趙莊煤礦開采時間較短,相關資料短缺,而且對巷道跟蹤考察期間遇到的斷層多為落差小于5m的小型斷層,故在此根據我國其他礦井經驗,同時考慮預警需要,確定趙莊煤礦斷層影響煤與瓦斯突出范圍如下:斷層落差小于5m時,其影響范圍為距斷層或尖滅端30m;斷層落差為5~15m時,其影響范圍為距斷層或尖滅端45m;斷層落差大于15m時,其影響范圍為距斷層或尖滅端60m。5趙莊煤礦斷層對煤與瓦斯突出的超前預警趙莊煤礦發(fā)育大量小斷層,容易引起斷層轉褶皺的現象,聚集瓦斯,使得生產過程中瓦斯涌出量急劇增大,通過對1306工作面腰巷和1306工作面探巷一過斷層時鉆屑瓦斯解吸指標K