第四章 控制煤及瓦斯突出的地质因素

第四章控制煤与瓦斯突出的地质因素知识点地质构造对瓦斯突出控制煤层厚度对瓦斯突出的控制

10月16日上午11时38分，铜川市照金镇田玉煤矿发生瓦斯爆炸，当时51人在井下工作，事发前30人升井，事发再有10人升井，其余井下11人遇难。死者遗体于17日凌晨3时30分全部升井。

10月17日13时10分，奉节县大树镇兰靛村6社富发煤矿发生瓦斯爆炸事故，目前已导致9人死亡，4人失踪。６名相关责任人已被警方刑拘。该矿系2008年9月投产的有证矿，产能4万吨/年。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

煤与瓦斯突出分区分带受地质条件控制。乌克兰顿巴斯突出区域占整个煤层5%-7%。瓦斯形成和保存是突出的物质基础，地质因素是发生突出的必要条件。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

4.1地质构造4.2煤层厚度变化4.3煤体结构4.4煤结构破坏程度分类4.5构造煤成因与分布第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4.1地质构造地质构造是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素。有些突出点，虽然其附近地质条件无明显异常，但却处于某些封闭型构造圈闭的范围内或受某些特殊的构造边界所控制。保加利亚有90%的突出发生在构造破坏带，在乌克兰顿巴斯煤田，缓倾斜煤层有80%的突出、急倾斜煤层有50%的突出集中发生在地质破坏带。重庆南桐矿区(1955-1972)在有资料记载的464次突出中，有436次(占94％)发生在构造带；湖南红卫煤矿(1954-1976)225次突出中有190多次(占85％)发生在煤包处。

第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

北票矿区、英岗岭煤矿85%发生在构造破坏带地质类型北票矿区(1951-1977)年英岗岭煤矿(1967-1978)年次占总次数(％)次占总次数(％)断层附近39135.12120.6小褶曲211.922.0煤层倾向、走向变化615.576.8煤层厚度变化20618.53029.5煤包4241.1岩浆侵入26523.8资料不详或未发现16915.2合计1113100102100第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(1)封闭的向斜轴附近向斜是由水平侧压力作用形成的，在其中性面的下部产生张应力，在中性面上部产生压应力。在轴部地带，上面受到强大的压应力作用，而下面受到深部地层的阻力，是地应力较高的地带。因此，封闭向斜的轴部地带往往是突出点分布密集的区域。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(1)封闭的向斜轴附近第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(1)封闭的向斜轴附近重庆南桐矿区区域上处于川黔南北构造带与新华夏至华夏式构造的复合部位，属于构造应力集中区。南桐煤矿的大部分突出，包括最大的一次3500吨的突出，都发生在王家坝向斜的轴部附近。南桐煤矿突出点分布示意图第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(2)帚状构造的收敛端

帚状构造的收敛端常常是应力集中的区域，因而有较大的突出危险。例如，重庆天府矿务局三汇一矿+280m主平硐掘开断层上、下盘的六号煤层时，分别发生了12780t和2500t的特大型突出。在三号煤层掘进巷道时，又发生了强度为数十吨的29次突出。从区域上看，突出是受华蓥山帚状构造控制的。华蓥山帚状构造与突出点的分布第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(3)煤层扭转区

在煤层扭转区，强大的扭力作用区域，构造应力高度集中区域，突出严重地区。例如，南桐矿区有两个主要扭转区。一个扭转区在鱼田堡煤矿东部边界附近，受强力挤压作用，煤层走向由东西向急剧转为南北向，倾角突然变陡，有30°左右突变为近于直立和局部倒转，所以称为扭转带。这个扭转带是该矿三个严重突出带之一，至1989年底已发生的25次突出，均发生在扭转轴西侧50m范围内。鱼田堡矿东部边界扭转区突出分布示意图-100-50±0+50+100+150+200+400+350+300+250AA放大突出点第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(4)煤层产状变化地带

煤层产状沿走向(倾向)转折处(变陡、缓)是地应力集中区。当煤层的倾角由8°变到14°时(曲率半径p≈600m)，如果弹性岩石埋藏在距离中性面60米处，地应力可以超过砂岩极限强度的几倍。南桐煤矿一井王家坝向斜西翼转折带突出点分布示意图37°→50°突出11次倾向37°→52°走向12°→19°突出73次，占80%以上第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(5)压性、压扭性小断层附近

断裂构造是地应力达到或超过岩石断裂强度时，岩石连续发生破坏的产物，总的表现为地应力的释放。然而，在一些由于受到水平方向挤压而形成的断距较小的压性或压扭性小断层带，应力释放还不充分，仍保持着应力集中，其两侧还处于强烈挤压状态，对瓦断储存也较为有利。同时，两侧的煤体结构遭到破坏，因而常常是突出集中的地点。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

六枝煤矿的东二采区构造与突出点分布示意图煤层厚度由6-7米增至10米左右，并造成次一级的压扭性小断层发育。该采区突出14次，占全矿七号煤层突出总次数的61%。南北向压扭逆断层第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

煤与瓦斯突出危险地带第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4.2煤层厚度变化

突出集中发生在煤层厚度变化地带

如北票矿务局、英岗岭煤矿突出发生在这类造地带约占20%～30%，

湖南白沙矿务局红卫煤矿在此类构造带发生的突出还要多一些。

煤层厚度变化的原因很多原生的因素后期构造运动因素第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4控制煤与瓦斯突出的地质条件

190多次85%突出发生在煤包，9次特大型突出集中煤包最厚处红卫矿区坦家冲井116采区瓦斯突出与煤厚变化关系图第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

11600t+10

红卫煤矿里王庙井底车场特大型突出点剖面图第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4.3煤体结构1.几个概念

原生结构：煤层原始沉积时的结构。

构造结构：受构造应力作用，煤的原生结构遭受破坏后所表现出的结构称为构造结构。

软煤：在发生突出的地点及附近的煤层都具有层理紊乱，煤质松软的特点。人们习惯上把这种煤叫做软分层煤，或简称软煤。地质角度分析，软分层煤应属于构造煤，它是煤层在构造应力作用下形变的产物。在突出矿井，构造煤的存在是发生突出的一个重要条件。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件2.构造煤类型

按照煤在构造作用下的破碎程度，可将构造煤分为三种类型。碎裂煤：煤被密集的相互交叉的裂隙切割成碎块，这些碎块保持尖棱角状，相互之间没有大的移位，煤仅在一些剪性裂隙表面被磨成细粉。

碎粒煤：煤已破碎成粒状，其主要粒级在1mm以上。由于运动过程中颗粒间相互摩擦，大部分颗粒被磨去了棱角，并被重新压紧。糜棱煤：煤已破碎成细粒状或细粉状，并被重新压紧，其主要粒级在1mm以下，有时煤粒磨得很细，只相当于岩石的粉砂级。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件3.构造煤特征构造煤分层和原生结构煤分层(井下煤壁)宏观特征(1)煤的原生结构遭到不同程度的破环，除碎裂煤可断续见到原生条带状结构外，大部分均失去了原生结构。(2)表现有明显的构造结构特点，如碎裂状、砂糖状、粉粒状、鳞片状、土状等，还不同程度发育有镜面、揉皱镜面或定向排列构造等。(3)手试强度低，松软易碎，用手捻可成厘米级、毫米级碎粒或煤粉。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件微观结构特征原生结构煤电镜图像构造煤的蜂窝状结构网络结构蜂窝结构碎裂结构岩溶状结构表面积增大煤体强度降低第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

孔隙特征压汞试验发现渗透孔隙体积(中孔和过渡孔体积之和，孔径100～1000Å)随煤之破坏程度增高而增大。严重破坏的V类煤的渗透孔隙体积是原生结构煤的6.5倍。引起构造煤渗透孔体积增加的主要原因是中孔体积大幅度增加了。V类煤的中孔体积是原生结构煤的16.69倍。在原生结构煤中，中孔占24.3%，而在V类煤中，中孔体积占59.2%。过渡孔(孔径为100～1000Å)体积在构造煤中所占比例从原生结构煤的75.7%相对下降到V类煤的40.73%。

Ⅰ原生结构煤:0.01606cm3/g;Ⅱ类煤:0.01305cm3/g;Ⅲ类煤:0.02155cm3/g;Ⅳ类煤:0.03166cm3/g;Ⅴ类煤:0.0825cm3/g。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4.构造煤的瓦斯地质特征随着煤体破坏程度的增高，煤的坚固性系数(f值)降低，而瓦斯放散指数(Δp)增大。同原生结构煤相比，构造煤具有坚固性系数小、瓦斯放散指数大和瓦斯含量高等特点，这是构造煤易于发生突出的重要原因。f萍乡青山矿各类煤的坚固性系数直方图糜棱煤碎粒煤碎裂煤原生结构煤1.02380.35560.28270.26231.00.80.40.20.60Δp糜棱煤碎粒煤碎裂煤原生结构煤510.8413.4115.99155100萍乡青山矿各类煤的瓦斯放散指数直方图第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

构造煤是一种高分散性多孔介质；煤的孔隙裂隙十分发育，比表面积增大；煤体强度低，f均在0.5以下，一般0.2-0.3；高应力条件下，孔隙易闭合形成“煤砖”；构造挤压、剪切作用形成的压扭性构造使煤层发生强烈韧塑性变形和破坏。构造煤发育是发生突出的重要影响因素第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4.4煤结构破坏程度分类前苏联提出五类划分法我国煤与瓦斯防治细则规定五类（防治煤与瓦斯突出规定）

构造变动引起的煤厚变化和煤体结构破坏是受地质构造控制的，因此上述三个因素可归结为地质构造破坏。煤与瓦斯突出为什么集中发生在构造破坏带呢？大部分研究者认为：地质构造变动引起煤层厚度变化，加深了煤的破坏程度，使煤的机械强度降低、瓦斯放散能力提高，或因处于某一构造部位，使煤层中的瓦斯向地表排放不利等，瓦斯含量增高。另外，在一些构造带，存在着较高的构造应力，增大了突出危险性。破坏类型光泽构造与构造特征节理性质节理面性质断口性质强度Ⅰ类（非破坏煤层）亮与半亮层状构造块状构造条带清晰明显一组或二三组节理节理系统发达有次序有充填物（方解石）此生面少节理劈理面平整参差阶状，贝状，波浪状坚硬，用手难以掰开Ⅱ类（破坏煤）亮与半亮1尚未失去层状较有次序2条带明显有时扭曲有错动3不规则块状多棱角4有挤压特征次生节理面多，且不规则与原生节理面呈网状节理节理面有攃纹、滑皮节理平整易掰开参差多角用手极易剥成小块中等硬度Ⅲ类煤强烈破坏煤半亮与半半暗1弯曲呈透镜体构造2小片状构造3细小碎块层理较絮无次序节理不清系统不发达次生节理密度大有大量擦痕参差及粒状用手捻之成粉末硬度低Ⅳ类煤粉碎煤暗淡粒状或小颗粒胶结而成节理失去意义呈粘块状粒状用手捻之成粉末偶尔较硬Ⅴ类煤全粉状暗淡1土状构造似土质煤如断层泥状土状可捻成粉末疏松煤体结构五类划分法(目前采用)类型类型赋存状态和分层特点光泽和层理煤体破碎程度裂隙、揉皱发程度手试强度坚固性系数瓦斯放散初速度突出危险程度Ⅰ原生结构煤层状、似层状，与上下分层整合接触煤岩类型界限清晰，原生条带状结构明显呈现较大的保持棱角的块体，块体间无相对位移内、外生裂隙，均可辨认，未见揉皱镜面捏不动或成厘米级碎块＞0.8＜10非突出Ⅱ碎裂煤层状、似层状、透镜状，与上下分层整合接触煤岩类型界限清晰，原生条带状结构断续可见呈现棱角状块体，块体间已有相对位移煤体被多组互相交切裂隙切割，未见揉皱镜面可捻搓成厘米、毫米级碎粒0.8-0.310-15过渡Ⅲ碎粒煤透镜状、团块状，与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡，原生结构遭到破坏煤被搓揉捻碎，主要粒级在1毫米以上构造镜面发育易捻搓成毫米级碎粒或煤粉＜0.3＞15易突出Ⅳ糜棱煤透镜状、团块状，与上下分层呈构造不整合接触光泽暗淡，原生结构遭到破坏煤被搓揉捻碎得更细小，主要粒级在1毫米以下构造、揉皱镜面发育极易捻搓成粉末或粉尘＜0.3＞20易突出煤体结构四类划分法(河南理工大学)第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件4.5构造煤成因与分布

1.构造逐级控制构造煤分布C-P煤层印支运动燕山运动喜马拉雅运动构造挤压构造剪切构造揉皱煤层深成变质岩浆热变质煤层赋存条件煤体结构条件板块区域矿井采区采面第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件2.顺煤层剪切带构造煤分布(1)顺煤层剪切带：是沿煤层发育的，剪切面与煤层以小角度相交或近于平行的剪切带(顺煤层断层、滑动构造)。①与煤层产状一致顺煤层剪切带剪切带沿煤层发育，其位置可以在煤层上部，煤层下部，煤层中部或者整个煤层，其发育层位表现为一个顺层剪切煤层破坏带。一个煤层中可以发育一条剪切带，也可以是多条。在后一种情况下，剪切带可以相互交织，形成比较复杂的滑面结构。

第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

①与煤层产状一致顺煤层剪切带平顶山矿区东部戊9-10煤层顺层剪切带平顶山东部煤田下石盒子组中的戊9-10煤层中部发育一稳定的顺层剪切带。该剪切带横跨一矿以东的十矿、十二矿、八矿三个井田，影响范围近百平方公里。该剪切带的土、下界面平直而规则，在大部分地段基本上沿煤岩层理界面展布。局部受一些切层断层的影响，其产状略有变化。剪切带厚度仅1-1.5m，上界面距顶板0.8m，下界面距底板1m左右，主剪切面位于上部。在四矿及一矿的丁5-6煤层中发育。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

在焦作煤田山西组的二l煤层中发育有两条顺层剪切带，它们分别沿煤层的顶部和底部发生，形成煤层顶部和底部两个构造煤带。这一组顺煤剪切带在整个焦作煤田的几百平方公里范围内部相当稳定。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件在山西沁水煤田东北部的阳泉矿区，一个重要的煤层剪切带发育于山西组3号煤层的顶部，厚为40cm，延展几百平方公里。在河南境内，一个规模巨大的顺煤层剪切带发育在沿自山观音堂展布的山西组二l煤层中。涉及的煤田有陕油、新安、宜洛、恒龙、荣巩、登封、禹县、新密，影响面积上万平方公里。剪切带被破坏了约6m厚的整个二l煤层及其顶、底板，形成所谓豫西地区著名的三软煤层(顶板软，煤层软，底板软)。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

②波状起伏顺煤层剪切带一些影响带较窄但范围较大的顺煤层剪切带在剖面上波状起伏，剪切面产状变化较大。在巷道中连续追踪同一剪切带，它时而表现为正断层，时而表现为逆断层。局部穿过煤层顶底板。四川白皎K3煤层第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

③顺煤层剪切带选层性在同一煤层中，剪切优先发育在以镜质组为主的光亮分层中。在同一煤组或煤系中，层间距、岩性组合大致相同情况下，剪切层优先发育在厚度较大的煤层中。在一个构造层内，剪切层优先发育在二组岩层强度差异较大的界面附近，煤是弱面，顶底板是强面。滑动构造多发生在沿顶底板。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件

③顺煤层剪切带选层性新密矿区告成矿井1-2线剖面图新密矿区芦店滑动构造剖面图第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(2)切层断层构造煤分布切层断层使构造煤呈现带状分布，构造煤厚度的增加和分布的范围，与断层性质、断层落差有关。平顶山八矿12290迎头切层小型正断层仅在断面和断层下降盘一侧形成薄层构造煤，延伸不远即行消失。第四章控制煤与瓦斯突出的地质条件(2)切层断层构造煤分布顺煤断层带内有0.25m厚的碎粒煤，随距主断面距离加大而逐渐变薄，6m后消失。随断层面的上、下煤分层没有破坏迹象，全为原生结构煤。

断层产状为210°∠30