陜西柳河縣李子埡北井區(qū)煤與瓦斯突出的構造控制

陜西柳河縣李子埡北井區(qū)煤與瓦斯突出的構造控制

煤炭和磚瓦突出是礦山生產(chǎn)過程中發(fā)生的一種自然災害，也是影響礦山安全生產(chǎn)的一個嚴重問題。多數(shù)人認為,突出是瓦斯、地應力和煤體結構3個因素綜合作用的結果,而這3個因素又受地質構造所控制。因此,研究李子埡北井的瓦斯地質特征,結合李子埡北井的煤與瓦斯突出實例,分析該礦煤與瓦斯突出的一般規(guī)律及其影響因素,找出影響和控制該礦煤與瓦斯突出的主要控制因素,對煤與瓦斯突出防治和安全生產(chǎn)管理都有著重要的指導意義。1結構評價特征1.1南北方向斜闊、南西展布的至北北緣諸草坡李子埡北井所在的華鎣山礦區(qū)位于川東弧形褶皺帶西緣,華鎣山復式背斜中段和中山背斜南段。川東弧形褶皺帶西起華鎣山大斷裂,東止七曜山背斜。為一系列向斜開闊,背斜狹窄的梳狀褶皺,構造線都呈北東一南西展布,排列整齊。其向北延伸因受北西向的大巴山弧形構造限制逐漸轉為東西向,向西南則呈帚狀撒開,過渡為短軸背斜,于東南部因受川黔南北向構造的歸并,構造線逐漸轉為南北向。這一構造帶孕育于燕山期,定型于喜山早期。華鎣山礦區(qū)位于該弧形褶皺帶的西側中部,主體構造為NNE、NE向斷裂褶皺,其次為NW-SE向,礦區(qū)總體為近南北向長條狀展布,以斷裂構造為主,見圖1。1.2地層構造復雜地質李子埡井田地處華鎣山復式背斜南段,是該區(qū)最為復雜的地段,受燕山早、中期強烈構造擠壓剪切作用,煤層發(fā)生強烈地變形破壞,井田被兩個緊閉褶皺構造控制,并在多個高角度斷層的影響下,形成了西翼構造復雜,東翼構造相對簡單的總體構造形態(tài)。李子埡北井位于李子埡井田東北部,屬于嚴重的煤與瓦斯突出礦井。2煤炭和磚瓦的突出特征2.1大型煤與瓦斯突出李子埡北井煤與瓦斯突出比較頻繁,1983年3月至今,井田共發(fā)生煤與瓦斯突出76次。李子埡北井平均突出強度16.9t/次,平均突出瓦斯量1600m3。1996年3月4日在北四回風石門2#回風上山放炮揭煤過程中發(fā)生一次次大型煤與瓦斯突出,突出煤量220t,突出瓦斯量1468m3。依據(jù)該礦發(fā)生的多次突出記錄卡片及相關的瓦斯地質資料,整理分析,得出了李子埡北井煤與瓦斯突出的一般特征。(1)大型突出類型按突出煤量將突出分為5種強度類型:①小型突出,突出煤量<50t/次;②中型突出,突出煤量50～<100t/次;③次大型突出,突出煤量100～<500t/次;④大型突出,突出煤量500～<1000t/次;⑤特大型突出,突出煤量≥1000t/次。按上述劃分標準,李子埡北井發(fā)生小型突出72次,占突出總數(shù)的94.8%;中型突出2次,占2.6%;次大型突出2次,占2.6%。(2)它主要基于傾斜和壓力97.4%，強調額外的支持在李子埡北井所發(fā)生的76次突出中,傾出48次,占63.2%;壓出26次,占34.2%;典型突出2次,占突出總數(shù)的2.6%。(3)上分層掘進,平巷掘進通過對李子埡北井突出地點的統(tǒng)計,絕大部分突出發(fā)生在煤層上山掘進,突出42次,占突出總數(shù)的55.3%;平巷掘進21次,占27.6%;回采10次,占13.2%;石門3次,占3.9%。(4)直接埋深相對較淺,標準深度相對較淺,出現(xiàn)埋李子埡北井始突深度370m,在采深300～450m區(qū)域,由于埋藏深度相對較淺,發(fā)生2次突出,突出強度不大,8t/次;在采深500～550m區(qū)域,突出74次,平均突出強度17.1t/次,最大突出強度220t/次。(5)揭露斷層時分布統(tǒng)計資料結果顯示,掘進過程中在斷層附近及揭露斷層時突出37次,占突出總數(shù)48.7%。斷層附近地應力集中帶極易發(fā)生突出,如F190和F35斷層,在其兩側突出多次。(6)放炮作業(yè)誘導的突出煤與瓦斯突出從李子埡北井76次有明確作業(yè)方式記錄的突出實例中,由放炮、支護、落煤、打鉆、裝矸出渣等作業(yè)方式誘導的突出占總突出次數(shù)的98%,其中落煤與放炮作業(yè)誘導的突出分別為32次和23次,計55次突出,占總突出次數(shù)的72.4%,無作業(yè)突出僅占2%。因此,煤與瓦斯突出除應力、瓦斯、煤質3個本質要素外,采掘作業(yè)是一種誘導因素。在各種作業(yè)方式中,放炮突出強度最大為220t,其次為風鎬作業(yè),為60t;在各種作業(yè)方式中,放炮最易誘導煤與瓦斯突出。2.2突出的特點(1)突出點密度特征煤與瓦斯突出點的分布是不均勻的,集中分布在某些地質構造區(qū)、應力集中帶和斷層帶附近,呈區(qū)域性、帶狀分布。李子埡北井的突出很大程度上受地質構造的控制,突出點均分布在地質構造區(qū),在褶皺和高角度正斷層的影響下,形成地應力集中和煤體強破碎帶,突出點多分布在這些區(qū)帶,具有明顯的分區(qū)分帶特征。在急傾斜或急傾斜與緩傾斜結合部附近,突出點密度較大,共突出48次,占全礦總突出次數(shù)的63.2%,但突出強度不大,一般為3～30t左右,最大強度60t。K2112煤層緩斜地帶(鍋底帶)范圍內,突出次數(shù)較少,共發(fā)生28次,占全礦總突出次數(shù)36.8%,最大突出強度220t(石門揭煤),一般突出強度4～22t,平均10.7t,其突出點多位于急緩結合部、斷層、煤層傾角產(chǎn)狀賦存急劇變化帶附近及K1111和K2112煤層合層等地帶。(2)日-30日煤山地突出情況局部地段掘進過程中,突出時間間隔短、發(fā)生頻度高。如1986年10月16日-30日5205區(qū)二段煤上山期間共發(fā)生突出7次,平均2d發(fā)生一次突出;在1983年4月10日-30日急斜5202采區(qū)煤上山期間發(fā)生突出5次。這些突出都具有突出點間距近、時間間隔短和突出強度小等特點。(3)斷層走向發(fā)生的地質意義李子埡北井的突出分布在正斷層部位多(占突出總數(shù)的61.54%);從突出點在斷層的上下盤分布看,上盤占突出總數(shù)的42.68%,下盤占突出總數(shù)的41.46%。就斷層的走向而言,突出主要發(fā)生在斜交斷層中,其次是傾向斷層。一方面,井田所處的地質構造中是復式背斜的傾沒端,次生的小斷層以斜交或傾向斷層為多;另一方面,掘進巷道的走向一般是與煤層的走向一致,巷道揭露走向斷層時,先與斷層的兩端(尾部)的尖端接觸,一般來講,這些部位煤(巖)層受破壞的程度低;而巷道與斜交或傾向斷層接觸時,則多數(shù)是與斷層直交或斜交,相交點就會是斷層的中部,這些部位的煤(巖)遭受的破壞程度較大,故發(fā)生突出的可能性就大。3在煤炭和磚瓦突出因素的分析中3.1突出的影響因素3.1.1李克氏向斜西翼的急傾、東翼寬緩、核部狹窄、煤體突出李子埡北井田內發(fā)育有李子埡向斜和龍王洞背斜,附屬于華鎣山復向斜的次級構造。其中,李子埡向斜為緊閉型褶皺構造,龍王洞背斜為一不對稱背斜,淺部東緩西陡,深部東陡西緩,軸部狹窄。井田中部的李子埡向斜西翼急傾、東翼寬緩,核部寬緩上凸形成一個次級背斜,向斜兩翼與背斜過渡的轉折端為兩個次級向斜。影響到井田一半以上范圍。在長期地質演化過程中,李子埡向斜西翼區(qū)域地應力相對集中,加之局部小斷層的影響,使得煤體強烈破壞,瓦斯不易釋放,煤與瓦斯突出主要發(fā)生在該向斜的西翼和向斜軸線附近端的復合部位。由于東翼構造相對簡單,煤層傾角小,且受次級背、向斜和NE向伴生小斷層的影響,釋放了部分瓦斯,使得煤與瓦斯突出沒有西翼嚴重。3.1.2井田內煤與瓦斯突出李子埡北井田內的斷層對煤與瓦斯突出起控制作用,突出點分布特征與斷層分布和斷層帶應力狀態(tài)相對應。斷層帶及其影響區(qū)域應力值相對較高,應力狀態(tài)也會發(fā)生顯著變化,不但應力值顯著增加,而且主應力的作用方向也有明顯的變化。井田內斷層主要以高角度、斜交正斷層為主,有NE-NNE、NW-NNW和近EW向3組,其中NE-NNE向為主。井田內NNE向構造現(xiàn)代構造應力場表現(xiàn)為壓扭作用,擠壓應力產(chǎn)生的壓扭性使斷裂與裂隙一般閉合程度高,圍巖及煤層變的更加致密,地應力相對更加集中,煤體擠壓剪切破壞嚴重,煤層瓦斯不易釋放,常常導致在斷層附近極易發(fā)生煤與瓦斯突出。采掘過程中,工作面前方煤(巖)體接近斷層時,正斷層附近煤(巖)體在支承壓力作用下被壓碎,煤(巖)體中裂隙的發(fā)育程度隨距斷層面距離的變小而增強,越靠近斷層煤(巖)體力學強度越低,裂隙的力學性質向斷層面方向由張性向張扭、壓扭性再到張性轉化。李子埡北井突出多發(fā)生在正斷層附近,占突出總數(shù)的89%。井田內落差<10m的小型斷層附近及其尖滅端易發(fā)生突出,對煤與瓦斯突出有著控制作用,但突出頻率不大,如F190、F35、F195、F170等斷層,落差雖小,但在其兩側均發(fā)生過幾次突出。說明斷層,尤其是壓扭性正斷層對李子埡北井煤與瓦斯突出起著重要控制作用。3.1.3砂巖泥巖的組成李子埡北井K1煤層位于龍?zhí)督M下部,直接頂板一般為深灰色砂質泥巖,少數(shù)為泥巖或粉砂巖;直接底板一般為深灰色泥巖,間夾薄層炭質泥巖及煤線。煤層頂?shù)装宥几灿心鄮r,透氣性差,煤層瓦斯不易逸散,能夠為煤與瓦斯突出創(chuàng)造基礎條件。3.1.4李橋北井中煤與瓦斯突出地層的特征分析構造煤具有低強度、低透氣性、高吸附性和高解吸性,是煤層在構造應力作用下發(fā)生破碎甚至強烈的韌塑性變形和流變遷移的產(chǎn)物,是煤層經(jīng)受擠壓、剪切作用的結果。研究表明,所有發(fā)生煤與瓦斯突出的煤層都發(fā)育有一定厚度的構造煤。李子埡北井地質構造復雜,煤層受到強烈的擠壓和剪切變形,煤體破壞嚴重,Ⅲ、Ⅳ類構造煤普遍發(fā)育,厚度0.1～0.5m,局部成層發(fā)育。根據(jù)李子埡北井發(fā)生的多次煤與瓦斯突出經(jīng)驗,認為工作面的軟分層厚度<0.1m時,沒有突出危險性,0.1～0.3m時有一般突出危險,>0.3m時有嚴重突出危險。由此可見,構造煤的發(fā)育程度對煤與瓦斯突出也起著著重要的控制作用。3.2煤體力學特性李子埡北井田經(jīng)歷構造改造作用,區(qū)內斷層表現(xiàn)為擠壓、壓扭性,斷層帶及影響區(qū)地應力比較集中,應力性質和應力狀態(tài)常發(fā)生變化,是導致突出的重要因素。此類應力會使斷裂與裂隙閉合程度高,且會使煤體擠壓剪切嚴重破壞,并形成構造軟煤,為突出創(chuàng)造必要條件,還有助于高壓瓦斯聚積。因此可以說,李子埡北井斷層構造控制了發(fā)生煤與瓦斯突出的條件(瓦斯、軟分層,地應力),也控制著煤與瓦斯突出的發(fā)生規(guī)律,是該礦突出的主要控制因素。4子克氏原螯蝦煤與瓦斯突出特征(1)華鎣山在大地構造上屬上揚子地臺的川中臺坳川東褶皺帶中部的華鎣山弧形褶皺帶。燕山運動使這一地帶發(fā)生強烈的褶皺和斷裂,從而成為四川盆地東部褶皺帶。華鎣山礦區(qū)位于該弧形褶皺帶的西側中部,主體構造為NNE、NE向斷裂褶皺,其次為NW-SE向,礦區(qū)總體為近南北向長條狀展布,以斷裂構造為主。李子埡北井田經(jīng)歷次構造改造,煤層強烈變形破壞,構造應力集中,屬構造復雜地段,煤與瓦斯突出嚴重。(2)對李子埡北井76次煤與瓦斯突出實例進行分析研究,發(fā)現(xiàn)該礦突出具有以中小型傾出和壓出為主、突出為輔、突