断层对煤与瓦斯突出的影响研究

断层对煤与瓦斯突出的影响研究

0煤与瓦斯突出危害隐患在立即破坏道路和通风系统的同时，大量的煤炭和砖瓦流也在采矿和沉淀的空间中爆发。这不仅严重损害了道路和通风系统，而且还使附近地区的井中充满了砖瓦和煤炭粉末。这很容易导致煤窒息和煤流中埋人，造成煤尘和砖瓦爆炸等严重后果，严重威胁着矿山的安全生产。断层是煤与瓦斯突出的重要影响因素和易发区域。山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司(简称“赵庄煤矿”)自投产至今虽未发生过瓦斯灾害,但瓦斯灾害潜在的隐患比较突出。矿井断层和煤与瓦斯突出危害隐患共存。矿井地质条件复杂,煤层较软、煤体破碎,并且井田内发育有许多隐伏性的断层等地质构造;矿井瓦斯涌出量大,属于高瓦斯矿井,在日常的采掘过程中,曾出现过瓦斯动力现象［1－2］。煤与瓦斯突出危险隐患已成为影响赵庄煤矿安全生产,制约产量稳定持续增长的重要因素。赵庄煤矿绝大多数瓦斯涌出异常现象均和地质构造存在密切关系,为了对赵庄煤矿煤与瓦斯突出进行超前准确预警,笔者研究了赵庄煤矿断层对煤与瓦斯突出的影响。1井田煤层煤地层赵庄煤矿设计生产能力6Mt/a,属于高瓦斯矿井。矿井主采3号煤层,3号煤层的原始瓦斯压力0.46MPa,瓦斯含量8.37m3/t。矿井3号煤层地质储量903Mt,预测3号煤层瓦斯含量(煤层气含气量)最高可达24m3/t以上,煤层气资源地质储量为10661.69Mm3,平均资源丰度1.28×108m3/km2,为中等储量丰度类别。井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组(C3t)和二叠系下统山西组(P1s),累计总厚度118.19~206.86m,一般153.57m,共15层煤,煤层总厚度3.38~18.21m,平均12.80m,含煤系数8.33%,3号煤层平均煤厚4.69m。3号煤层和15号煤层位于2个层序最大海泛面位置,煤层相对较厚,煤层稳定。2赵庄井田地质条件赵庄煤矿位于沁水盆地的南翼东部,晋获断裂带以西沁水复向斜以东,地处华北古板块内部,属于典型的板内构造［3－5］。受区域构造控制,区内主要断层和褶曲的走向多为北北东向,伴生的次一级断层为北东和北东东向,当两者交叉时,后者切割前者,如兴旺庄南、北正断层切割东坡向斜和郭村背斜,南部褶曲和断裂因受后期构造运动的影响偏转成北东,如掘山北背斜和黑山断层等。赵庄井田内总体构造形态为走向北北东—南北向西缓倾的单斜,在此基础上发育方向比较单一的宽缓褶曲(两翼倾角一般小于10°),沿倾向及走向伴有少量断距大于20m的断层和一定数量断距小于20m的断层及100余个陷落柱。总体来看,赵庄煤矿地质条件较复杂。根据赵庄井田的地质特征,将断层和陷落柱作为主要分析要素。赵庄煤矿瓦斯含量预测值在4~28m3/t(图1),百米瓦斯含量梯度为5.8m3/t。赵庄井田内发育的小断层的走向以NNE向居多,与地层走向相近,为走向断层。除庄头正断层外,共发现106条断层。其中,正断层91条,逆断层14条,平移断层1条;落差H>20m的8条,H=5~20m的44条,H<5m的49条(其中小于3m的16条),落差不详的5条。3断层影响范围矿区位于华北断块区~太行断块沁水块坳东部次级构造单元的沾尚~武乡~阳城北北东向褶曲带中段,晋获断裂带西侧。燕山运动期间产生强大的近东西向挤压,在赵庄井田内出现了近南北向的逆断层和挤压褶皱。矿区发育的逆断层,一般为压扭性断层,由于断层的剪切作用,对煤层破坏强烈,煤层流变加强,煤层厚度变化大且容易发育为破坏程度很高的构造煤,断层比较紧闭,易于富集瓦斯。受断层集中应力的影响,至断层一定距离的煤层的透气性因受挤压而降低,出现瓦斯增高区。逆断层容易引起煤层产状的急剧变化,产生断层相关褶皱(图2),对瓦斯赋存起到积极的影响。挤压形成的褶皱,以北北东—南北向为主。一般来说,闭合而完整的小背斜且覆盖有屏障性顶板是良好的储气构造,其轴部煤层通常积存高压瓦斯形成“气顶”,小向斜轴部因受挤压,透气性差,也是瓦斯富集区［6－10］。赵庄煤矿所在大地构造位置属于板内构造,矿井内区域性大型张断层使得瓦斯大量逸散,如庄头断层,靠近庄头断层的矿井东南部煤层瓦斯含量明显下降。然而,走向正断层多为燕山期沁水盆地形成时发育的逆断层,经过后期反转为开放性正断层,地层发育小范围断层传播褶皱,这些小褶皱容易聚集瓦斯,使得生产过程中瓦斯涌出量急剧增大,因此需要考察这些断层的影响范围。断层的影响范围与断层的落差和产状有关,但实际生产过程中,前方断层不容易掌握且易变,因此主要考虑落差,断层影响范围的指标考察是瓦斯地质预警的重要工作。赵庄煤矿现场生产过程中遇断层会有塌孔、不反风、卡钻、响煤炮等现象发生,也说明了赵庄煤矿井田范围内的断层构造对煤与瓦斯突出的影响。4断层对煤与瓦斯突出的影响断层会造成瓦斯含量变化,巷道过断层时的瓦斯含量变化如图3所示。赵庄煤矿采用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面的突出危险性,在近水平煤层工作面向前方煤体至少施工3个直径42mm、孔深8~10m的钻孔,测定钻屑瓦斯解吸指标K1和钻屑量S。1306工作面腰巷、1306工作面探巷一分别过正断层F372和正断层F259,K1变化情况如图4所示。1306工作面腰巷距F372正断层约28m,K1从0.30mL/(g·min1/2)升至0.50mL/(g·min1/2),出现高峰后短暂下降又持续在0.42mL/(g·min1/2)左右,过F372断层后K1值下降;1306工作面探巷一距F259断层约29m处至断层处K1值出现2次高峰段,先从0.20mL/(g·min1/2)升至0.60mL/(g·min1/2),又从0.25mL/(g·min1/2)骤然升至1.15mL/(g·min1/2),遇F259断层后K1值下降。过正断层F372(H=3.0m)和正断层F259(H=3.9m)过程中日常预测指标变化较为明显,说明断层对赵庄煤矿的煤与瓦斯突出有明显影响,断层影响范围大约30m。两断层均属于落差小于5m的小断层,而赵庄煤矿实际生产过程中发现的落差小于5m的断层共49条,占总断层数量的一半,这些小断层使一定范围内煤体揉搓破坏严重,甚至地层发生断层传播褶皱,瓦斯容易聚集,生产过程中瓦斯涌出量急剧增大。我国突出矿井的大量资料表明,不同区域、不同类型、不同落差的断层,其影响范围不同,甚至在同一断层两盘,其影响范围也不一定相同,因此需要经过现场考察确定。由于赵庄煤矿开采时间较短,相关资料短缺,而且对巷道跟踪考察期间遇到的断层多为落差小于5m的小型断层,故在此根据我国其他矿井经验,同时考虑预警需要,确定赵庄煤矿断层影响煤与瓦斯突出范围如下:断层落差小于5m时,其影响范围为距断层或尖灭端30m;断层落差为5~15m时,其影响范围为距断层或尖灭端45m;断层落差大于15m时,其影响范围为距断层或尖灭端60m。5赵庄煤矿断层对煤与瓦斯突出的超前预警赵庄煤矿发育大量小断层,容易引起断层转褶皱的现象,聚集瓦斯,使得生产过程中瓦斯涌出量急剧增大,通过对1306工作面腰巷和1306工作面探巷一过断层时钻屑瓦斯解吸指标K