平煤集团十矿煤与瓦斯突出地质原因分析

1、平煤集团十矿煤与瓦斯突出地质原因分析许伟功 1,郭德勇 1,程 伟 2,和德江 2(1.中国矿业大学北京校区 ,北京 100083;2.平顶山煤业集团 ,河南平顶山 467000)摘 要 :通过对平顶山十矿煤与瓦斯突出的地质原因分析,找出突出与瓦斯赋存状态、地质构造、煤层厚度、煤体结构联系的规律性,以指导今后的生产 ,同时为其它井田提供生产实践的经验。关键词:突出;瓦斯赋存 ;地质构造;煤层厚度;煤体结构中 图 分 类 号 :TD713 文 献 标 识 码 :B 文 章 编号:1003-496X(2006)03-0054-03煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的地质自然灾害,轻者影响正常的生产循

2、环 ,重者危及人身安全和国家财产。随着矿井开采深度的不 断加大 ,煤与瓦斯突出已愈来愈成为影响和制约生产的重要因素。大量 的调查结果都肯定了瓦斯突出分布的不均衡性。这种不均衡性与地质 条件的差异性有着密切的联系。国内外研究成果表明 :地质条件对煤与 瓦斯突出的分区分带具有明显的控制作用。1 矿井概况十矿位于河南省平顶山市东部，井田东西走向长5km,南北倾斜宽6.5km, 井田面积32.5km2,东西分别与一矿、八矿、十二矿相邻。1958年开工 兴建,1964年投产，原设计生产能力为120万t/a,经1982年和1995年2 次改扩建后，生产能力可达300万t/a。十矿可采煤层有丁组、戊组、己组

3、共 3组,现开采有戊、己 2组,丁组煤层由于内灰高已经停止回采 ,全矿共有己二、己四、北翼中区、北翼东区 4 个采区。 矿井开采二叠系山西组己组煤层和下石盒子组戊组煤层 ,己组宽自上而 下为己 15、己 16、己 173 层。戊组煤自上而下为戊 8、戊 9、戊 103 层。井田范围内 ,由于成煤环境的变化 ,而使各煤层间距时小时大 ,煤层也 时分时合。煤层顶底板岩性均为砂质泥岩。戊 8 、戊 9、戊 10 煤种为肥煤 ,己 15、己 16、己 17 煤种为焦煤或 1/3 焦煤。井田位于李口向斜西翼中东段井田发育 2 个北西剪切带 :其一为 原十一矿逆断层与郭庄背斜断褶带 ;其二为牛庄逆断层与十

4、矿向斜断褶 带,它们成为十矿井田的主干构造。井田开拓方式为竖、 斜井综合开拓 ,多水平上下山开采 ,采煤方法为走向 长壁全面垮落法 ,通风方式为分区抽出式通风。2 矿井的瓦斯概况(1)瓦斯涌出。 2004 年矿井瓦斯等级鉴定 : 全矿井相对瓦斯涌出量为 17.36m3/t, 绝对瓦斯涌出量 89.13m3/min 换行 。1991 年 7 月和 2002 年 5 月分别经煤炭科学研究总院重庆分院、抚顺分院鉴定 ,十矿戊 9-10 煤层、己 15-16 煤层为突出煤层 ,十矿被定为突出矿井。(2)煤与瓦斯突出现状。 十矿是目前平顶山矿区突出最严重的矿井之一。 第一次煤与瓦斯突出发生于 1988年

5、 4月 22日戊 9-10-20090机川,截止 到 2003年 8月 10目共发生煤与瓦斯突出 46次,其中 24次发生在丁 5-6 煤层的丁 5-6-21130采面,17次发生在戊 9-10煤层,5 次发生在己 15-16 煤层始突深度420m。丁 5-6煤层均发生在-320m左右，戊9-10煤层始突标高-247m,最深为-450m,己15-16煤层始突标高-316m,最深-613m。 最大的一次突出是 2003 年 7月 28日在己 15-16-24060机巷发生的 ,突 出煤量483t，喷出距离 65m,其中里部 27m为满巷，突出瓦斯量为 14400m3。 46 次煤与瓦斯突出的强度

6、、突出深度、突出类型、生产工 艺统计见表 1 。3 煤与瓦斯突出的地质原因煤与瓦斯突出发生的控制因素 （见图 1）包括工程因素和地质因素。工程 因素在煤与瓦斯突出过程中起诱发作用。十矿由于放炮或割煤而引起 的煤与瓦斯突出发生次数占总数的78.2%,其它原因而引起的突出次数占总数的 21.8%。地质因素则是煤与瓦斯突出发生的必要条件。瓦斯赋存条件、井田地质构造、 煤层厚度及其变化、 煤体结构是控制煤与表 1 平煤十矿煤与瓦斯突出基本情况瓦斯突出现象发生及其分布的主要地 质因素。图 1 煤与瓦斯突出因素框图3.1 瓦斯赋存的地质条件十矿井田含煤岩系总厚度 900m 左右。包括煤线在内共 80 多个

7、煤层 煤系地层为石炭 二叠系。戊组煤与己组煤分属二叠系下石盒子组和山西组。研究表明 ,戊组煤属 三角洲相沉积 ,己组煤属滨海相沉积。二叠系山西组和下石盒子组含煤 较好,厚度大 ,含煤系数高 ,岩性、岩相比较稳定 ,煤层的顶底板一般为 0.1换行0.3m的炭质泥岩，然后为210m的泥岩或砂质泥岩，有时可达 10m 以上,由于泥岩及砂质泥岩的孔隙度低 ,透气性能差 ,这就为戊组和 己组煤生成的瓦斯保存下来提供了物质条件。本矿井水文地质条件简单，涌水量为150m3/h左右（其中一水平50m3/h、二水平100m3/h）。井 田戊组煤层和己组煤层属中、高变质程度。煤的变质程度与瓦斯有密 切关系。在煤化

8、过程中 ,不断产生瓦斯。煤的变质程度越高 ,产生的瓦斯 越多,随着变质程度的增加 ,煤的渗透率下降 ,煤的变质程度越高 ,煤的吸 咐能力越大 ,煤层中可以滞留更多的气体。 据研究表明 :每生成 1t 褐煤产 生68m3瓦斯,每生成1t肥煤产生330m3瓦斯。生产实践也证明十矿井 田的煤层瓦斯含量随着煤化程度的增高而增高 ,即:己组戊组 丁组。 井田范围内煤层埋深和地质构造对瓦斯赋存有重要影响。井田处于李 口复式向斜的西翼中东段 ,整个煤层埋藏呈西南高东北低趋势 ,但受十 矿向斜、郭庄背斜、原十一矿逆断层和牛庄逆断层的影响,局部也出现反常现象。生产实践和研究证明 ,戊组（见图 2）和己组煤层瓦斯

9、含量明显 受控于煤层埋深和地质构造影响。十矿井田87%的煤与瓦斯突出发生埋深500m,也证明了瓦斯含量埋深的相关性。图 2 平煤十矿戊 9-1 0煤层瓦斯地质简图3.2 地质构造对煤与瓦斯突出的影响十矿的地质构造条件比相邻一矿、八矿和十二矿都要复杂。 李口复式向斜的次级构造十矿向斜、郭庄背斜、原十一矿逆断层、牛庄逆断层形成十矿独有的压性或压扭性 地质构造。 这种地质构造一是瓦斯排放条件比较困难 ,有利于瓦斯保存 , 二是属构造应力集中地带 ,为煤与瓦斯突出的发生提供了动力。 十矿煤与瓦斯突出都发生在郭庄背斜东北翼 ,宏观上受井田内主干构造 影响。统计表明十矿井田内煤与瓦斯突出受断层控制见表2。

10、在所有的46 次突出中,20m以内无断层的突出16次占总数的34.8%。说明十矿井田内 断层对煤与瓦斯突出有控制作用 ,并且顺层断层作用明显 ,如丁 5-6煤层 顺层断层顶部形成一呈镜面状擦光面 ,其中一次动力现象 ,形成沿镜面 长15m,宽换行0.1m的孔洞,煤与瓦斯突出总是以镜面处为 突破点”。3.3 煤厚及其变化对煤与瓦斯突出的影响煤层厚度的大小与生成的瓦斯量多少有关 ,厚煤带也为瓦斯储集提供了场所 ,煤厚对煤与瓦斯突出 影响很大 ,十矿井田内丁、戊、己煤组发生突出均为合层煤层,单一煤层从未发生过突出。 现场资料显示 ,井田内单一煤层厚度一般不超过 2.0m, 并且单一煤层中很少有软煤分

11、层发育。煤层厚度变化对煤与瓦斯突出 也有明显影响。以戊组煤为例 ,在所发生的 17次突出中,发生在戊 9 或 戊10煤层分叉合并线（夹矸0.2m）100m附近的达13次占戊组突出总数 的76.5%形成分布于戊9与戊10煤层分叉合并线范围100m的弧形突 出带（见图2）。2003年8月10日己15-16-22230风巷突出点附近，在5.6m 范围内煤层由2.35m迅速增加到3.5m,巷道方向煤层倾角也由2.5增大 至8.5此次突出煤量240t，涌出瓦斯量5500m3,30m满巷。井下揭煤资 料证明己 15-16煤层在此处与己 17合层（见图 3）。所以笔者认为 :在十 矿煤与瓦斯突出一般不发生在

12、厚度低于 2m 的单一煤层中 ,在煤层分叉 合并线附近是煤与瓦斯突出危险地带。图 3 十矿已 15-16-22230风巷突出点地质平剖面示意图3.4 煤体结构对煤与瓦斯突出的影响在地质构造应力作用下 ,煤体较 其它岩层更易遭到破坏 ,极易破碎。被破坏的层位层理紊乱、煤质松软 , 习惯上称这种煤为软煤。由于软煤的煤体原生结构遭受构造作用破坏 , 也叫构造断。构造煤的空隙率大 ,瓦斯含量大 ,透气性差 ,一般能保持较高 的瓦斯压力。构造煤结构先前不同程度地遭受破坏 ,抵御外力作用的能 力大大降低 ,同时构造煤有利于颗粒移动。由于十矿井田受十矿向斜、 郭庄背斜、原十一矿逆断层、牛庄逆断层的影响 ,十

13、矿范围内顺层断层 发育,煤体层间滑动 ,使戊9-10、己 15-16煤层呈现“硬-软-硬”的煤体结构 特征。十矿所有突出煤层含有软煤分层，软煤厚度1.01.8m。突出点附 近软煤分层厚度增加 ,如戊 9-10-20080 机巷突出点构造煤厚达 换 行3.6m;己15-16-24060机巷突出点煤厚4.1m全部为构造煤。构造煤 为煤与瓦斯突出提供了足够的瓦斯 ,是突出的必要条件。 十矿目前的 46 次煤与瓦斯突出均发生在构造煤中。4结论(1) 十矿井田戊组和己组煤层瓦斯含量受煤层埋深、十矿向斜、郭庄背斜控制。(2) 十矿井田煤与瓦斯突出宏观受主干构造控制,同时与井田内顺层断层发育有关。(3) 井

14、田内厚度 2m 的单一煤层一般不会发生突出 ,与煤层厚度不大和构 造煤不发育有关 ,但随着开采深度的增加有可能发生突出。(4) 在戊 9-10 煤层分叉合并线附近是煤与瓦斯突出带,其它煤层分叉合并线附近可能成煤与瓦斯突出危险带。(5) 突出点附近构造煤增厚 ,为煤与瓦斯突出提供了足够的瓦斯和力学条 件。构造煤厚度增加 ,突出的危险性增大 ,构造煤愈厚 ,突出的强度也愈大。 参考文献 :1焦作矿业学院瓦斯地质研究室瓦斯地质概论M北京煤炭工业出版社 .1990. 2郭德勇 ,韩德馨 ,张建国 . 平顶山矿区构造煤分布规律及成因研究 J .煤炭学报 ,2002,27(3):249-253.33曹运兴 ,彭立运 .顺层断层的基本类型及其对瓦斯突出带的控制作用 J .煤炭学报 , 1 995,20(4):4 1 3-4 1 7. 4 郝吉生,袁崇孚,张子戊 .构造煤及其对煤与瓦斯突出的控制作用 J .焦作工作学院 报,2000, 1 9(6):403-406