海孜煤矿煤体结构与瓦斯赋存地质规律

海孜煤矿煤体结构与瓦斯赋存地质规律

海孜煤矿属于淮北煤矿。这是含碳二叠纪的含矿岩系，包括四个主要矿区，自上而下的编号为7、8、9和10。海孜煤矿在建井期间曾发生过煤与瓦斯突出现象;生产期间在掘进742工作面时瓦斯经常超限;86采区石门揭煤打钻时瓦斯含量参数超过规定标准。为了安全,对海孜煤矿主采煤层的瓦斯赋存地质规律及其突出危险性进行研究,探讨海孜煤矿主采煤层瓦斯参数特征及其与瓦斯突出危险性的关系。1煤层的水质与组分含量海孜矿烟煤一般呈黑色,粉末呈棕-黑色,弱玻璃光泽-强玻璃光泽;条带状结构,裂隙较发育,粉状或碎块状,质地较软,性脆易碎。无烟煤呈钢灰色-灰黑色,似金属光泽-金刚光泽;外生裂隙较发育,条带结构,粉状或碎块状,质地坚硬。天然焦一般呈钢灰-灰黑色,多为暗淡光泽,少量呈似金属光泽,且略带银白色,裂隙不发育,条带结构,质地坚硬。7、8、9、10号煤层以亮煤为主,次为暗煤,属半暗-半亮型煤。各煤层中的有机质平均含量大于83%;其中以镜质组分为主,含量一般大于70%;其次为惰质组分,一般在15%~30%;稳定组分含量低,一般小于1%。无机组分中以黏土矿物为主,约占5%~7%,其它如石英、黄铁矿等矿物含量少,一般小于2%。2瓦斯含量及防治措施对煤层煤体结构特征的研究是瓦斯地质的一项重要的基础工作,是综合分析瓦斯涌出、突出因素和防治措施的重要内容。此次研究中,对7、8、9、10号4个煤层的6个揭煤点进行了现场观察,并对煤层按煤结构破坏类型进行分层,采集了各分层的代表性样品。2.1破坏煤的类型煤体结构的破坏程度,采用1988年原煤炭部颁发的《防治煤与瓦斯突出细则》的方案,将煤分成5种破坏类型。Ⅰ、Ⅱ类为正常煤;Ⅰ类原生结构清楚,Ⅱ类原生结构可辨;Ⅰ、Ⅱ类煤坚硬,是非突出煤。Ⅲ类通常称碎裂煤,原生结构已破坏,硬度低,是可能突出煤。Ⅳ、Ⅴ类通常称碎粒煤、糜棱煤,硬度低,常成鳞片状、粒状、粉末状、土状等,为易突出煤。2.2顶、底板煤体7煤层的观察点在744工作面风巷,C3点以外12.3m处;大致标高为-280m。煤层约厚2.0m(未见底);顶板为炭质泥岩,揉皱鳞片状,煤层破坏十分严重,皆为构造煤,大都成粉末状、鳞片状结构。8煤层有2个观测点,第一观测点在841风巷掘进工作面,离23号点40m处,大致标高280m;煤层约厚1.1m,观测点见顶板、底板,顶、底板都为泥岩;煤层结构比较破碎,构造煤发育,以鳞片状、碎裂状为主。第二观测点在816工作面向下20m处,观察点煤厚约1.70m,周围有一定变化;沿煤层倾向,煤体结构变化不大;走向20°,倾角16°;顶板、底板中多见摩擦镜面,煤层中亦见不少镜面;层间滑动痕迹常见;煤层结构破碎,碎粒状、鳞片状,碎裂状煤发育;顶板一般为泥岩,在砂岩顶板的地段煤层揉皱成褶曲状;揉皱一般位于一分层(Ⅳ类煤)与二分层(Ⅲ类煤)交界处。9煤层的观测点在84采区9煤运煤下山巷道。观测点煤厚约1.3m(未见底),倾角26°;煤层中见不稳定分布的沉积形成的夹矸,还有构造挤压楔入的夹矸;煤层上、下部分十分破碎,中部揉皱破碎程度稍缓;滑动镜面发育,构造错动现象明显。10煤层有2个观测点,第一观测点在10煤213机巷掘进工作面;观测点煤厚约3.0m,可见煤厚约2.50m;煤层倾角10°左右;顶板为泥岩,未见底板;煤体结构比较完整,层理可见,上部稍破碎;以半暗煤、暗煤为主。第二观测点在西部井1057机巷掘进工作面,煤层整体结构完整,沿周围观察基本稳定;观测点右下角有小断层,使局部有点破碎。2.3煤的过滤效率及组分将煤的自然粒级进行筛分来了解各种粒级的煤所占的比重,是研究煤的破坏程度的方法之一。采取样品进行实验室的粒级筛分,计算了小于0.5mm煤样所占煤样总量的百分比,结果见表1。从表1看出,10号煤层的筛分指数小于0.5%;而7、8、9号煤层的筛分指数都较大,分别达到14.83%、11.62%、8.53%。并对各种结构类型的筛分指数进行了统计,结果见表2。从2中可以明显看出,Ⅰ、Ⅱ类非突出煤的筛分指数小于0.5%。Ⅲ类可能突出煤的筛分指数,平均值为2.45%。Ⅳ、Ⅴ类易突出煤的筛分指数平均值为14.71%。由此可见,筛分指数是一个较好的反映煤破坏程度的指标。2.4特征：煤炭揉捏系数的特点2.4.1r—揉皱系数计算公式揉皱系数是反映煤体结构破坏程度的一个指标,其计算公式为:R=(0.5m3+1.0m4−5)/MR=(0.5m3+1.0m4-5)/Μ式中R——揉皱系数(无因次);m3——Ⅲ类煤的厚度,m;m4-5——Ⅳ、Ⅴ类煤的厚度之和,m;M——煤层总厚度,m。2.4.2筛选突出危险性指标对各煤层揉皱系数进行计算,结果见表3。研究表明:在具有良好的瓦斯赋存条件下,揉皱系数在0.3左右可以作为煤层的突出危险性指标;揉皱系数在0.7以上可作为严重突出危险性指标。据此,海孜煤矿的10煤层不具突出危险性,8、9煤层揉皱系数大于0.7,7煤层揉皱系数远大于0.7,这3个煤层都是具严重突出危险的煤层。3煤层顶板的参数特征3.1f值的测定煤的坚固性可用煤的普氏系数的大小来表达。采用落锤法来测定,所测结果称为f值。从表4可以看出,煤的普氏系数(f值)随着煤体破坏程度的增高而降低。3.2煤的p值及其分配煤的瓦斯放散指数ΔP表示充有瓦斯的煤样放散瓦斯快慢的程度;ΔP值的大小,与煤的微孔隙结构、孔隙表面性质和大小等有关;煤的△P值在一定程度上反映了瓦斯含量的大小,而瓦斯含量是瓦斯突出的基本条件。煤的瓦斯放散指数(ΔP)与煤体破坏程度成正比变化,即随着煤体破坏程度的增高,瓦斯放散指数增大(表4)。3.3瓦斯的突出危险性煤炭科学研究院抚顺研究所根据对北票、重庆、梅田、焦作等十几个矿区煤层的测试结果和统计计算,于1982年提出了煤层和区域突出危险的预测方法。其中煤的突出危险性综合指标K=ΔP/f,综合了ΔP和f两个指标的特点,更全面地反映了煤的突出危险性;当K<15时,没有突出危险性,当K≥15时具有突出危险性。从测试结果来看(表4),10煤的瓦斯突出危险性最小,综合指标K值小于10,10煤为无突出危险性煤。7、8、9煤都具有突出危险性,K值大,测值全都大于15;平均来说,8煤为30左右,9煤为35左右,7煤达107左右。煤层破碎程度(揉皱系数)与突出危险性综合指标K关系密切,7煤层揉皱系数为1,煤层十分破碎,K值相应很大;8、9煤层揉皱系数为0.768,0.796,煤层较破碎,相应K值也较大;而10煤煤层结构保存完好,相应K值很小。这与煤矿瓦斯突出情况基本一致。3.4千吨吸附特征3.4.1煤的吸附行为在30℃的测试温度下,进行煤的吸附实验,获得吸附等温线;然后根据Langmuir方程,采用回归分析的方法,计算获得吸附常数a、b。a值称为Langmuir体积,物理意义是饱和吸附量;b值称为Langmuir压力,物理意义是煤的内表面对气体的吸附能力。以往的研究表明:煤的结构越破碎,一般a、b值就越大,其乘积(a×b)也越大。3.4.2煤体抗菌材料的吸附特征选择代表性样品,在淮南矿业集团实验室进行了测试,其结果见表5。从测试结果来看,10煤的瓦斯突出危险性最小,其吸附常数之积(a×b)亦很小,在16左右。7、8、9煤都具有较大的突出危险性,a×b值较大,一般为30~40左右。煤层的平均a×b值与煤体结构对应关系较好,7、8、9煤层煤体结构破碎,揉皱系数大,相应a×b值较大;而10煤煤层结构保存完好,相应a×b值很小(表6)。4煤层瓦斯突出危险性分析通过以上分析研究,可以得出如下几点认识:(1)筛分指数和揉皱系数是评价煤体结构类型的较好的定量指标,随煤体结构破坏程度的增加,筛分指数和揉皱系数均增大;(2)突出煤层原生