鹤壁煤田瓦斯突出特征及成因研究-论文.pdf

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·12·蟮袭分(第45卷第8期)DOI：10．13347／j．cnki．mkaq．2014．08．004鹤壁煤田瓦斯突出特征及成因研究巩春生，张明杰，田加加(1．河南能源化工集团有限公司，河南郑州450046；2．河南理工大学，河南焦作454000)摘要：受矿区瓦斯地质条件与开采技术条件控制，鹤壁矿区所属7对突出矿井表现出差异明显的煤与瓦斯突出特点。根据各矿井煤与瓦斯突出案例、二，煤层瓦斯基础参数与突出预测参数，结合矿区及矿井地质构造特点，运用瓦斯突出的综合作用假说，从力能理论角度分析研究了鹤壁煤田瓦斯突出特征及成因。确定鹤壁矿区煤与瓦斯突出受地质构造控制，地应力是主控因素。以此为基础利用鹤煤三矿实测瓦斯参数，预测了鹤煤三矿标高一550ITI以深为煤与瓦斯突出危险区。关键词：煤与瓦斯突出；构造煤；地应力；地质构造；瓦斯含量与压力中图分类号：TD713文献标志码：B文章编号：1003—496X(2014)08一．0012—04ResearchonCoalandGas0utburstFeaturesandCausesinHebiMiningAreaGONGChunsheng，ZHANGMingjie，TIANJiajia(1．HenanEnergyandChemicalIndustryGroupCo．，Lid，Zhengzhou450046，China；2．HenanPolytechnice，Jiaozuo454000，China)Abstract：Underthecontrolofgasgeologicalstructureandminingtechnicalconditions，thesevenminesofHebiminingareapresenteddifferentcharacteristicsofcoalandgasoutburst．Accordingtotheactualcaseofcoalandgasoutburstineachmine，thebasicgaspa—rametersandoutburstpredictionparametersofII一1coalseam，combinedwiththecharacteristicsofminingareaandgeologicalstruc—ture，basedonthetheoryofforceandenergy，itusedthecompositeeffecthypothesisofgasoutbursttostudythefeaturesandcausesofcoalandgasoutburstinHebiminingarea．ItdeterminedthatcoalandgasoutburstinHebiminingareawascontrolledbygeologicalstructure，andthegeostresswasthemaincontrollingfactor．Onthisbasis，itusedthemeasuredgasparameterstopredictthatseamfloorelevation一550mindepthwastheoutburstdangerzoneinHebiNo．3CoalMine．Keywords：coalandgasoutburst；tectoniccoal；geostress；geologicalstructure；gascontentandpressure鹤煤集团公司是河南能源集团的骨干企业之1矿区瓦斯地质概况一，本部现有8对主力矿井，其中7对有煤与瓦斯突出危险。分析历年瓦斯事故，各井田突出特点差异鹤壁矿区内现开采二．煤，煤质贫瘦煤，平均厚明显，如六矿在埋深340in已开始发生突出事故，多度8．0in，煤层倾角8。一30。，局部可达50。，透气性次发生过次大型突出；而三矿、九矿目前采掘活动已系数1．2～1．8m／(MPa·d)；现开采水平瓦斯含进行到埋深750in，还未发生过典型突出。运用量普遍为8～20in／t，瓦斯压力普遍为0．7～2．27瓦斯突出的综合作用假说，从力能角度分析了鹤壁MPa。煤层直接顶为砂质泥岩，老顶为细粒或中细煤田煤与瓦斯突出特征及成因机制，确定鹤壁矿区粒砂岩。地质构造对煤与瓦斯突出具有控制作用，控制着煤鹤壁矿区经历了印支、燕山、喜山等多次构造运层瓦斯赋存、煤层物理力学性质、构造煤发育及地应动，形成了矿区内复杂的地质构造。矿区主体构造力分布特征，进而控制了各矿井的始突深度、突出规为一系列北北东、北东和近南北方向展布的褶皱和模、突出类型，其中地应力是煤与瓦斯突出的主控因断裂构造，矿区控制性地质构造为青羊口断层，走向素。以此为基础，根据实测瓦斯参数，从力能角度预长约100kin，最大落差达1000m，：IL：IL东向延伸。测了鹤煤三矿在煤层底板标高一550in以深为突出该断层在矿区最南部的十矿深部穿过，向北逐渐偏区域。离矿区。矿区一级断层构造为贾家地堑和F4n断层 媾点奎(2014—08)·13·组，以及和它们同级别的六、八矿边界(张庄)向斜，有470m。远小于同区域邻矿四矿的始突深度572四、九矿边界向斜。贾家地堑和F。断层组累计落差ITI，因此仍为非突出矿井。六矿初始突出时，突出强均在200m以上，将矿区分为相对独立的3部分：南度只有几十吨，属小型突出；随着开采深度增加，突部为六矿、八矿、十矿，中部为三矿、五矿，北部为二出强度相应增大，至埋深553m时突出强度已达矿、四矿、九矿。400t，属次大型突出，接近大型突出。矿区南部井田内高角度正断层发育，大断层附3矿区瓦斯突出成因机制近的伴生、派生小断层十分发育，其中八矿井田内断层密度高达127条／km。且断层相互切割穿插、煤综合假说认为突出是地应力、煤体瓦斯以及煤层产状变化大，深部倾角普遍达到3O。以上，局部达体物理力学性质综合作用的结果，其中地应力、瓦斯到50。。受此影响，矿区南部井田内部分煤层受到是诱导突出的动力因素，煤体强度为阻碍突出发生强烈的揉皱变形，局部地区构造煤发育。煤层的直的阻力因素；B．B．霍多特认为发生煤和瓦斯突出的接顶板泥岩和砂质泥岩较厚，为瓦斯积聚起到了良条件为释放出的煤的弹性潜能和瓦斯内能，足以完好的封闭作用，并提供了瓦斯聚积的空间，易形成高成煤的破碎功和煤向巷道内移动的功，可由公式能瓦斯的富集区。(1)描述。与矿区南部比较，矿区北部地质构造有明显的+A>A(1)差别。北部矿井煤层倾角一般在20。以下，构造多式中：为煤的弹性潜能，J；A为瓦斯膨胀能，呈雁行式，地垒、地堑构造相间出现，层滑构造作用J；4为煤破碎到突出物粉煤时的能量，J。显著，有利于煤层瓦斯的保存。综合分析影响煤的弹性潜能、瓦斯膨胀能、煤体研究表明，岩浆岩及热液活动对煤变质和煤层破碎功因素，可归纳为地应力、煤体强度、瓦斯含量瓦斯赋存有重要影响，但迄今为止，鹤壁矿区还与压力等力能因素，因此，从力能角度进行鹤壁矿区没有发现。煤与瓦斯突出成因机制研究。3．1地应力与煤层埋深的关系及对突出影响2矿区瓦斯突出情况及特征地应力不仅是控制煤与瓦斯突出的重要因素之鹤壁矿区经历的多次构造运动，导致了矿区煤一，还是井巷变形破坏的重要原因J。在缺少实系地层内残余应力较大，煤层破碎，瓦斯含量与瓦斯测地应力资料时根据巷道破坏情况可大概判断确定压力高，煤与瓦斯突出危险性大。特别是南部，受青地层中主地应力情况。南部3对矿井巷道围岩变形羊口断层影响的六矿、八矿、十矿均多次发生过典型首先表现为顶板张性破坏、出现顶板岩石垮落，巷道的煤与瓦斯突出。鹤壁矿区煤与瓦斯突出具有以下呈尖顶状；然后巷道两帮快速移近，表现出受水特征：平应力影响的变形破坏特征。鹤煤六矿实测地应力1)煤与瓦斯突出具有分区分带性。矿区南部情况证明了这一点。实测地应力值表明铅直应力为受青羊口断层影响严重，六矿、八矿、十矿是严重突金尼克理论值的1．04～1．85倍，而水平应力为金尼出危险区，大断层带附近或褶皱轴部是严重突出危克理论值的2．91～4．72倍J，表明煤系地层内存在险带。较高残余构造应力，且分布不均。实测最大水平主2)矿井的始突深度和突出强度受井田内地质应力为垂直主应力的1．46～2．36倍，水平应力明显构造复杂程度控制。受青羊口断层影响，六矿、八大于铅直应力。矿、十矿井田内地质构造复杂，造成3对矿井始突深同等条件下(巷道断面积相同，展布方位相近)度小，突出强度大，六矿尤其明显，已经达到严重突考察中北部矿井巷道破坏情况，也表现为顶板离层，出类型。说明水平应力较大，侧压系数A取1．2⋯J。鹤煤三3)随着开采深度增加，煤与瓦斯突出危险性增矿标高一550In处(埋深720m)铅直应力为18．06大，煤与瓦斯突出的强度及始突深度变化说明了这MPa，侧压为21．68MPa。点。南部3对矿井始突深度小，六矿最小；随着开采深度增加，五矿、四矿相继发生了典型突出；三矿、九根据二．煤层基本情况，南部矿井煤体弹性模矿虽然没有发生典型突出，各项突出因素均达到临量取500MPa，中、北部取600MPa。计算¨不同埋界值，已被鉴定为突出矿井。二矿井田最大埋深只深处煤体弹性潜能，结果见表1。 ·14·罐点寺(第45卷第8期)表I不同埋深处煤体弹性潜能一瓦斯体系的绝对温度，取293．15K；0为绝热系埋深／m520620720780820数，取1．3；p为初始瓦斯压力，MPa；p2为最终瓦斯六矿弹性潜能／l~lJ4．7426．7419．09010．66811．791压力，MPa。三矿弹性潜能／MJ1．3971．9862．6793．14_43．474鹤壁矿区埋深600131以深瓦斯含量相近，四矿／六矿>八矿／十矿>三矿，瓦斯压力相当。根据瓦斯含量及压力回归方程，求得标高为一550m(埋深由表1可知，二煤层弹性潜能随埋深增加而720m)时三矿的瓦斯膨胀能为2．59MJ，八矿为2．增加，百米煤岩体弹性潜能差值较大，增幅在29％一91MJ，其瓦斯膨胀能相差较小。鹤壁矿区煤岩体弹42％之间。相同埋深，六矿煤体弹性潜能最大为性潜能大于瓦斯膨胀能，表明突出动力能量煤岩体三矿的3．26倍。地质资料也表明，南部3对矿井井弹性潜能起主导作用，瓦斯膨胀能起协助作用。田内地质构造复杂，断层相互切割穿插较多，煤层产3．3煤的物理力学性质的影响状变化大，倾角明显变大，深部普遍达30。，局部达煤与瓦斯突出总是首先发生在煤体结构遭到严50。；这使得南部矿井构造应力、自重应力大。中北重破坏的软煤分层中¨。部5对矿井地质构造则相对简单，煤层倾角一般在鹤壁矿区突出区软分层煤体坚固性系数一般均20。以下，其地应力水平小于南部矿井。鹤壁矿区在0．25以下。突出主要发生在六矿、八矿和十矿355次突出事故中，52次发生在南部3对矿井中，可对矿井。观测表明，南部3对矿井在断层附近及向、见地应力为二煤突出的主要控制因素，南部矿井背斜轴部普遍发育Ⅲ、Ⅳ类构造煤，且发育范围较内地应力对突出的控制作用尤为显著。大；在煤层底部夹矸处由于受层滑作用也普遍发育3．2瓦斯膨胀能与煤层埋深的关系及对突出影响有构造煤。瓦斯膨胀能为突出的重要能量来源。能量假说中北部矿井构造煤发育则较少且不连续，三矿认为无论游离瓦斯还是吸附瓦斯都参与突出的发在瓦斯可解吸量达到8m／t时未突，也证明了其煤展。未发生突出时煤体瓦斯膨胀能在突出动力和阻质较硬，抵抗破碎能力较强。南部3对矿井煤体坚力相互作用下处于平衡状态；当煤体应力状态突然固性系数都在0．5以下，且Ⅳ类煤．厂值差别明显。变化，积蓄的潜能释放引起煤体破碎，当瓦斯压力梯可见，构造煤降低了煤体的强度，减小煤体抵抗突出度相当大时，不但能抛出已破碎的煤，还能使煤进一的能力，煤体破碎功减小。步破碎，此时由于瓦斯解析而涌出大量瓦斯，形成瓦3．4煤层渗透性质的影响斯流，将破碎的煤搬运至较远的地方，发生煤与瓦斯地质构造形成及演化在煤体内形成大量的构造突出。裂隙。构造裂隙的主要特征是不受组分的限制，规1)煤层中可能参与突出的瓦斯含量。经计模大小不等，相差悬殊，与层理呈高角度相交。煤层算¨HJ，三矿二煤层在1个标准大气压下残存瓦褶皱构造挠曲部位或断层附近的煤中，外生裂隙密斯含量为3．24～3．53m／t，与一般突出煤层相比较度有时可达每平方厘米几万至几十万条(张慧等，大，瓦斯含量相同时煤的可解吸瓦斯量较小，即具有1998)。定性地来讲，所有煤层都有外生裂隙，但构相同的搬运能力时，二煤层所需的瓦斯含量较大。造煤(主要是碎裂煤和碎粒煤)中最发育。实突案例表明，鹤壁矿区二煤层突出区具有始突李俊乾，姚艳斌等实测了三矿、十矿煤层的镜质点瓦斯含量大的特征：六矿北四采区一400m标高组最大反射率、低温氮BET比表面积和显微裂隙统以浅突出区瓦斯含量为12．16—17．98m／t，八矿南计等内容，测试结果表明[17]，鹤煤三矿与鹤煤十矿翼采区一400111标高以浅的突出区瓦斯含量为13．5的镜质组最大反射率，A、B、C类型裂隙基本相同，～20m／t，十矿一55011标高以浅的突出区瓦斯含且A、B极不发育，只有煤的比表面积、D型裂隙差量为13．6514．04Ill／t[15]。别较大。十矿煤的比表面积大表明十矿煤具有更大2)瓦斯膨胀能。能量假说认为瓦斯膨胀能可的吸附能力，煤体有更多的微小孑L隙；十矿煤的D由瓦斯含量、瓦斯压力表示。型裂隙发育表明十矿煤的渗透性更差，煤层瓦斯更难解吸、排采，突出危险性更大。A“=2—2——41401[1一()一寺](2)(一)、p14结语式中：A为瓦斯膨胀能，J；V为气体瓦斯量，m／t；为摩尔气体常数，R=8．31J／(tool·K)；T为煤1)鹤壁矿区受青羊口区域断层影响，煤与瓦斯 蟮戋分(2014—08)·l5·突出具有分区分带性，大断层带附近或褶皱轴部是[5]彭立世，袁崇孚．瓦斯地质与瓦斯突出预测[M]．北严重突出危险带。矿井的始突深度和突出强度受井京：中国科学技术出版社．2009．[6]康红普．煤矿井下应力场类型及相互作用分析[J]．煤田内地质构造复杂程度控制。随着开采深度增加，炭学报，2008，33(12)：1329—1335．煤与瓦斯突出危险性增大。[7]杨永杰．地应力测量及综放沿空掘巷支护技术[M]．2)鹤壁矿区始突深度基本呈现南浅北深的特北京：煤炭工业出版社，2010：142—143．点。受区域地质构造的控制，南部矿井与中北部矿[8]黄醒春，寇新建．鹤壁六矿一300m水平地应力场与矿井瓦斯地质条件有较大差异，南部矿井构造应力较压显现特征[J]．矿冶工程，1996，19(2)：20—23．大，构造煤普遍发育。基于力能角度分析，煤岩体弹[9]庞俊勇，黄醒春，吴忠，等．鹤壁六矿地应力实测研究性潜能大，煤体破碎功小，在埋藏较浅处突出动力能[J]．中州煤炭，1991(2)：9—13．量即大于突出阻力能量。对比矿区始突深度可看[10]钱鸣高，石平五，许家林．矿山压力与岩层控制[M]．出，六矿、八矿始突深度最浅，十矿次之，中北部始突徐州：中国矿业大学出版社，2010：41—46．深度较深或未突；四矿处于矿区北部中间地带，与之[11]石永生，张宏伟，郭守泉．空心包体测量方法的应用及巷道稳定性分析[J]．煤炭科学技术，2006，34(2)：相邻的矿井瓦斯膨胀能相近，都未突出，虽没有实测90—92．资料，可知其地应力较大。[12]张明杰，马耕．鹤壁矿区煤与瓦斯突出力能因素分析3)通过分析研究鹤壁煤田瓦斯突出特征及成[J]．煤矿安全，2002，33(1)：31—33．因，确定鹤壁矿区受地质构造控制，地应力是主控因[13]连金江，刘明举，魏建平，等．荥巩煤田二。煤瓦斯解素；煤岩体弹性潜能起主导作用，瓦斯膨胀能起协助析特征及其对煤与瓦斯突出的影响[J]．煤炭技术，作用。鹤壁矿区复杂的地质构造形成及演化不仅形2010，29(2)：79—82．成了大量的构造煤，降低了煤体强度，还在煤体内形[14]刘明举，牟全斌，魏建平，等．煤层突出区域预测指标成大量的构造裂隙，降低了煤层渗透性，增加了防突及临界值探讨[J]．煤炭工程，2007(10)：67—69．难度。[15]魏建平，张文勇，潘辉，等．鹤壁矿区煤与瓦斯突出特征及影响因素分析[J]．煤炭工程，2007(4)：60—62．参考文献：[16]张玉贵，张子敏，曹运兴．构造煤结构与瓦斯突出[J]．煤炭学报，2007，32(3)：281—284．河南省煤炭工业管理局，河南理工大学．河南省瓦斯[17]李俊乾，姚艳斌，蔡益栋，等．华北地区不同变质程度地质规律研究及瓦斯地质图编制[M]．北京：地质出煤的物性特征及成因探讨[J]．煤炭科学技术，2012，版社，2010．40(4)：111—115．[2]张明杰，马耕．鹤壁矿区地质构造对煤与瓦斯突出的控制[J]．煤矿安全，2004，35(3)：11—13．[3]杨起，汤达祯．华北煤变质作用对煤含气量和渗透率作者简介：巩春生(1962一)，男，河南安阳人，高级工程的影响[J]．地球科学一中国地质大学学报，2000，25师，现任河南能源化工集团安全监察局副局长，主要从事安(3)：273—278．．全管理工作。[4]张明杰，侯明辉，付帅．南太行山东麓煤田瓦斯突出主控地质因素分析[J]．中国煤炭地质，2013，25(3)：20(收稿日期：2014一Ot一22；责任编辑：王福厚)—25．