煤礦瓦斯突出主控地質(zhì)因素分析

煤礦瓦斯突出主控地質(zhì)因素分析

1煤與瓦斯突出的主要危害青城礦區(qū)是陜西省的大型煤炭生產(chǎn)基地之一，每年生產(chǎn)約500萬噸煤炭。近年來,隨著開采深度和生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大,瓦斯災(zāi)害事故頻繁發(fā)生,給正常采掘及安全生產(chǎn)帶來極大威脅,尤其是煤與瓦斯突出已成為嚴(yán)重制約礦區(qū)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益提高,妨礙構(gòu)建和諧社會的重大地質(zhì)災(zāi)害之一。截止2004年,礦區(qū)已發(fā)生各類煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)80余次,其中80%突出發(fā)生在近幾年。然而到目前為止,還未能有效地建立起可靠的預(yù)測突出危險(xiǎn)性的一套方法與指標(biāo),以致突出事故屢屢發(fā)生,物質(zhì)財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。因此,從理論與實(shí)踐上揭示突出發(fā)生的規(guī)律與因素,研究突出區(qū)域預(yù)測的指標(biāo)與方法,對有針對性地采取防突措施將起到重要指導(dǎo)作用。2地層及煤質(zhì)構(gòu)成韓城礦區(qū)位于渭北煤田東北端,礦區(qū)以文間嶺隆起為界,分北區(qū)與南區(qū)兩部分。北區(qū)自南而北包括燎原、下峪口及桑樹坪3個(gè)煤礦;南區(qū)自南而北包括象山、馬溝渠兩個(gè)煤礦。礦區(qū)總面積1110km2。區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)為一走向NE,傾向NW的波狀單斜構(gòu)造。各種構(gòu)造形跡多集中分布于礦區(qū)邊淺部,各礦井中深部除有少量褶皺構(gòu)造外,很少發(fā)現(xiàn)有大中型斷裂,地層傾角一般在10°以下。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊紀(jì)的山西組與石炭紀(jì)的太原組,共含可采及局部可采煤層4層,分別為山西組的2號、3號煤層及太原組的5號、11號煤層。煤質(zhì)牌號以瘦煤和貧煤為主。礦區(qū)有5對生產(chǎn)礦井,除馬溝渠礦外,其余4對礦井均為高瓦斯礦井。其中,北區(qū)的3對礦井同時(shí)又為煤與瓦斯突出礦井,其主采的3號煤層屬煤與瓦斯突出煤層。3瓦斯溢出量明顯上升,但瓦斯涌放量較大,這與深化放出量計(jì)算特征明顯3號煤層屬礦區(qū)主采煤層,也是主要的煤與瓦斯突出煤層。自1978年在桑樹坪礦斜井發(fā)生首次突出以來,已發(fā)生大小突出80余次,分布上表現(xiàn)出明顯的區(qū)帶性。其中,以北部桑樹坪煤礦突出最為嚴(yán)重,年均突出頻率3.52次,最高達(dá)30次/a之多,并且顯示有不斷增大的趨勢;下峪口與燎原煤礦由于局部開采解放層,突出頻率相對較低。在突出類型上以壓出型為主,占總突出次數(shù)的82%;突出強(qiáng)度以中小型突出為主,平均突出強(qiáng)度52.8t。突出時(shí)瓦斯涌出量大,持續(xù)時(shí)間長,平均發(fā)生一次突出瓦斯涌出量高達(dá)6118m3,平均突出噸煤瓦斯涌出量116m3。突出、壓出前一般有一定的突出預(yù)兆,突出時(shí)均伴有明顯的動力效應(yīng)及破壞現(xiàn)象。隨著開采深度的增大和煤層底板標(biāo)高的降低,突出的頻率及突出的強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(表1)。4在煤炭和磚瓦地區(qū)突出的地質(zhì)因素分析中4.1原生煤、碎粒煤、類煤f值表現(xiàn)在所有突出點(diǎn)均處于構(gòu)造煤分布區(qū)或分布帶,特別是碎粒煤(Ⅲ類煤)與糜棱煤(Ⅳ類煤)分布區(qū)。該兩類煤通稱為構(gòu)造軟煤,其厚度越大,突出的危險(xiǎn)性越高。平面上分布主要受褶皺構(gòu)造、層間滑動構(gòu)造及撓折構(gòu)造等所控制。井下大量的觀測及采樣測試表明,原生結(jié)構(gòu)煤(Ⅰ類煤)f值介于0.58～0.66之間,平均0.62;碎裂煤(Ⅱ類煤)f值介于0.39～0.47之間,平均0.43,這兩類煤煤質(zhì)較硬,強(qiáng)度較高。碎粒煤(Ⅲ類煤)f值介于0.28～0.38間,平均0.33;糜棱煤(Ⅳ類煤)f值介于0.14～0.29間,平均值0.20。這兩類煤煤質(zhì)酥軟,機(jī)械強(qiáng)度很小,用手捻搓極易成毫米級碎?；蛎悍?抵御突出的能力很弱,是高位能瓦斯易突破的窗口。同時(shí)這類煤由于構(gòu)造強(qiáng)烈揉搓作用,原生結(jié)構(gòu)被破壞,內(nèi)部裂隙、裂紋增多,孔隙率及自由表面積急劇增大,煤層瓦斯的放散指數(shù)成倍提高,經(jīng)測定△P大多在10以上,平均高出Ⅰ、Ⅱ類煤近1.5倍。從突出前后的大量調(diào)查資料來看,發(fā)生突出時(shí),構(gòu)造軟煤的最小厚度在0.60m以上。4.2煤層底板標(biāo)高、高地應(yīng)力成因分析大量實(shí)際資料表明,突出與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系非常密切。3號煤層所發(fā)生的80次突出均與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān),占突出總數(shù)的100%(表2)。其中,以褶曲翼部層滑帶和大中型向斜軸部突出最為嚴(yán)重,其次為背斜構(gòu)造傾伏端及小型褶曲部位。筆者認(rèn)為這與構(gòu)造應(yīng)力集中有重要關(guān)系。構(gòu)造應(yīng)力集中導(dǎo)致煤體圍巖封閉條件變好,瓦斯含量增高,煤體強(qiáng)度削弱,煤體透氣性降低,使煤內(nèi)瓦斯產(chǎn)生異常高壓及彈性應(yīng)變能增高,最終引起突出的發(fā)生。根據(jù)3號煤層厚度趨勢面二次殘差值與二次趨勢值的比值,編制出的煤層厚度變化率等值線圖發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)76%的突出點(diǎn)出現(xiàn)在煤厚變化率超過30%的相對厚煤帶或薄煤帶中。通過計(jì)算3號煤層底板標(biāo)高趨勢面三次殘差值與三次趨勢值的比值,編制出的3號煤層底板標(biāo)高變化率等值線圖發(fā)現(xiàn),有63%的突出點(diǎn)出現(xiàn)在煤層底板標(biāo)高變化率≤-10%的區(qū)域或地帶。這些說明,煤厚強(qiáng)烈變化帶或煤層底板標(biāo)高強(qiáng)烈變化帶,確實(shí)蘊(yùn)藏著較高的地應(yīng)力,這些高地應(yīng)力成了決定突出成帶分布的關(guān)鍵因素之一。在目前對地應(yīng)力指標(biāo)還無法方便測試的情況下,利用煤層厚度變化率與底板標(biāo)高變化率可反映構(gòu)造應(yīng)力的相對高低變化。4.3煤層突出點(diǎn)瓦斯含量煤與瓦斯突出是在地應(yīng)力、煤體物理力學(xué)性質(zhì)和瓦斯共同作用下發(fā)生的。瓦斯含量與壓力是突出必不可少的最基本條件。根據(jù)筆者所建立的研究區(qū)3號煤層瓦斯含量預(yù)測數(shù)學(xué)模型,對3號煤層歷次突出點(diǎn)處煤層瓦斯含量值的計(jì)算表明,始突深度點(diǎn)處瓦斯含量值是突出點(diǎn)中值最低的。始突深度以深,突出時(shí)瓦斯含量普遍增高。桑樹坪煤礦發(fā)生突出的最小瓦斯含量為7.0m3/t,該礦95%的突出點(diǎn)瓦斯含量在7.5m3/t之上;下峪口煤礦發(fā)生突出的最小瓦斯含量為8.0m3/t,在10次突出記錄中,9次突出點(diǎn)的瓦斯含量均在8.5m3/t之上;燎原煤礦僅有兩次小型突出,發(fā)生突出的最小瓦斯含量為7.0m3/t。隨著煤層埋藏深度的增大和瓦斯含量的增高,突出的次數(shù)及強(qiáng)度都呈直線上升態(tài)勢。5煤炭和磚瓦突出區(qū)域的預(yù)測5.1煤體結(jié)構(gòu)等性塊段等性塊段是指具有一定面積的主要瓦斯地質(zhì)特征大體相同的煤層塊段。它是評價(jià)煤層突出危險(xiǎn)程度的基本單元。按照影響突出的主控因素,分煤體結(jié)構(gòu)等性塊段、煤層瓦斯含量等性塊段與煤層構(gòu)造等性塊段3部分。煤體結(jié)構(gòu)等性塊段是指煤體結(jié)構(gòu)破壞類型基本相同的一些區(qū)域;煤層瓦斯含量等性塊段是指瓦斯含量分布在一定特定范圍的塊段,在其內(nèi)瓦斯雖有變化,但其變化對突出類型的界定不產(chǎn)生明顯的影響;構(gòu)造等性塊段是指由煤層底板標(biāo)高變化率或煤層厚度變化率代表的構(gòu)造應(yīng)力變化幅度分布在一定特定范圍的塊段,在其范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力雖有變化,但其變化對突出類型的界定不產(chǎn)生明顯的影響。等性塊段疊加法是以各單因素指標(biāo)等性塊段疊加后得到的新塊段作為基本單元,通過建立單元煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評判標(biāo)準(zhǔn),以此作為評定單元瓦斯突出危險(xiǎn)程度的依據(jù)。5.2煤體結(jié)構(gòu)類型分類首先以煤層瓦斯含量等值線圖為底圖,按照煤層瓦斯含量預(yù)測指標(biāo)值有無突出危險(xiǎn)和突出威脅劃分瓦斯含量等性塊段;然后在瓦斯含量等性塊段基礎(chǔ)上,再按煤體結(jié)構(gòu)類型指標(biāo)有無突出危險(xiǎn)和突出威脅劃分煤體結(jié)構(gòu)等性塊段;最后在上述塊段基礎(chǔ)上,按煤層厚度變化率或底板標(biāo)高變化率有無突出危險(xiǎn)和突出威脅劃分構(gòu)造等性塊段。經(jīng)過3次劃分得到的新塊段則為最終煤層突出危險(xiǎn)性等級評定的疊加單元。5.3突出危險(xiǎn)區(qū)域性預(yù)測的條件分析煤與瓦斯突出在空間上分布是不均衡的,這種不均衡性受地質(zhì)條件所控制,這為突出危險(xiǎn)區(qū)域性預(yù)測提供了客觀條件。根據(jù)區(qū)域煤與瓦斯突出的主控地質(zhì)因素及突出綜合作用假說理論,在深化礦區(qū)突出規(guī)律認(rèn)識及生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,提出如下等性塊段突出危險(xiǎn)性預(yù)測的定量指標(biāo)及臨界值(表3)。5.4元性質(zhì)原則的基本原則按照等性塊段的劃分方法,研究區(qū)3號煤層可劃分出若干疊加等性塊段。按單元指標(biāo)的組合,理論上可有27種塊段類型,但其性質(zhì)只有3種:即突出危險(xiǎn)單元、突出威脅單元及非突出單元。確定單元性質(zhì)的基本原則是以瓦斯含量指標(biāo)作為基礎(chǔ),在滿足含量指標(biāo)臨界值的前提下,將是否同時(shí)滿足煤體結(jié)構(gòu)類型與構(gòu)造應(yīng)力指標(biāo)作為兩個(gè)主導(dǎo)突出的因素進(jìn)行考慮。根據(jù)研究區(qū)的大量生產(chǎn)實(shí)踐,結(jié)合有關(guān)突出預(yù)測理論,筆者提出突出單元與非突出單元類型的具體劃分方案如下:3項(xiàng)突出預(yù)測指標(biāo)皆達(dá)到突出危險(xiǎn)臨界值之上的為突出單元;而滿足以下兩個(gè)條件之一者,即:瓦斯含量在非突出危險(xiǎn)臨界值以下(其他指標(biāo)值不論其高低),或3項(xiàng)預(yù)測指標(biāo)中有兩項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)在非突出危險(xiǎn)臨界值以下的,則可界定為非突出單元。凡是不滿足上述突出與非突出單元指標(biāo)值界限者,皆屬于突出威脅區(qū)。5.5突出危險(xiǎn)性圈定按照突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo)、瓦斯地質(zhì)等性塊段劃分法及疊加等性塊段單元突出危險(xiǎn)類型的劃分方案,對有突出危險(xiǎn)性的礦區(qū)北部3號煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了平面圈定與預(yù)測(圖1),共圈定突出危險(xiǎn)區(qū)8塊(A1～A8)。突出危險(xiǎn)區(qū)的特點(diǎn)為瓦斯含量皆大于7.5m3/t,煤體破壞嚴(yán)重,全表現(xiàn)為塊粉煤或粉末煤,煤層厚度小于4.5m或大于8.5m,或煤層底板標(biāo)高殘差值變化幅度劇烈。預(yù)測非突出區(qū)1塊,位于礦區(qū)邊淺部地帶,而其余皆為突出威脅區(qū)。6煤體結(jié)構(gòu)類型與地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力期各因素的關(guān)系韓城礦區(qū)主采3號煤層屬煤與瓦斯突出煤層,突出點(diǎn)分布有明顯的區(qū)帶性特點(diǎn),影響突出的主要