（采矿工程专业论文）东欢索煤矿煤层赋存co实验与机理的研究.pdf

河北理1 ：学院硕十学位论文 摘要 本文论述了东欢坨煤层中c o 的来源及吸附作用，介绍了开滦东欢坨煤矿地质 概况和发现c o 的情况。根掘现有的资料和东欢坨煤矿的实际情况，提出了东欢坨 煤矿c o 赋存的三个基本假设。 通过分析东欢坨矿地质条件、c o 的发现情况以及现场钻孔中c o 浓度测定，排 除了其中两个假设，从而断定c o 的产生与煤的变质作用有关。 为此，在东欢坨矿的主采煤层8 、9 、1l 、1 2 煤层采取了八个典型煤样，同时， 在林南仓和赵各庄矿各采耿了两个与东欢坨矿煤样变质程度相近的煤样作为对比， 分别进行了煤的工业分析、显微煤岩分析、元素分析和c o 吸附性实验。根据实验 结果，对比分析了各煤样之间的显微煤岩含量差别，从而得出了东欢坨煤矿赋存 c o 的原因，即煤在变质过程中，煤分子例链和官能团逐渐分解、断裂，在核缩 聚、侧链分解引起的分子结构的改造和重建过程中，由于侧链的脱落生成了大量的 c o ，被i 殴附能力较强煤层大量吸附下来并建立了吸附量与惰质组、镜质组最大反 射率以及煤的工业分析各指标之间的数学模型。 本文对东欢坨煤矿煤层存在c o 但未发生自燃现象进行了初步研究，结合煤自 然发火有关理论，选择了东欢坨煤矿低温下预测预报自然发火的指标气体，建立了 低温氧化阶段标志气体与煤自燃氧化温度之间的数学模型和自然发火预测预报系 统，并对该系统提出了附加要求。 本文对东欢坨煤矿煤层赋存c o 机理提出了新的见解，为东欢坨煤矿对煤层自 然发火进j j 准确预报提供了依据，对同类矿山分析c o 赋存机理及t 9 然发火预测预 报具有重大参考价值。 关键词：惰质组吸附量预测预报标志气体自然发火 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eo r i g i no fc a r b o nm o n o x i d ei nc o a ls e a mo f d o n g h u a n t u oc o a lm i n e a n dt h es o r p t i o na r ed i s c u s s e d ，t h eg e n e r a lg e o l o g i c a ls i t u a t i o na n dt h ec a r b o nm o n o x i d e e x i s t i n gi nc o a lm i n ea r ei n t r o d u c e db r i e f l y a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o na n dt h ef a c t so f d o n g h u a n t u o c o a lm i n e ，t h r e e e x p l a n a t i o n s o fc a r b o nm o n o x i d ee x i s t i n ga r e b r o u g h t f o r w a r d b a s e do n a n a l y z i n gt h eg e n e r a lg e o l o g i c a ls i t u a t i o na n d t h ec a r b o nm o n o x i d ee x i s t i n g i nc o a lm i n ea n dt h ec o n s i s t e n c eo fc a r b o nm o n o x i d et e s t e di nt h eb o r e ，t w oo ft h e e x p l a n a t i o n sa r ee l i m i n a t e d s oc a r b o nm o n o x i d ee x i s t i n gi sr e l a t i o nt ot h et r a n s f o r m a t i o n o fc o a li sa p p r o v e d 8 r e p r e s e n t a t i v ec o a ls a m p l e so fd o n g h u a n t u oc o a lm i n ew h i c ha r et a k e nf r o mt h e m a i ne x p l o i t a t i o nc o a ls e a m ( t h e8 “c o a ls e a m ，t h e9 。c o a ls e a m ，t h e11 “c o a ls e a ma n d t h e12 “c o a l s e a m ) a r ee x p e r i m e n t e d o n a d s o r b i n g c a r b o nm o n o x i d eu n d e rl o w t e m p e r a t u r ea n di n d u s t r ya n a l y z i n g ，m a c e r a la n a l y z i n ga n de l e m e n ta n a l y z i n g 2s a m p l e s t a k e nf r o m l i n n a n c a n g c o a lm i n ea n d2t a k e nf r o m z h a o g e z h u a n g c o a lm i n ea r e e x p e r i m e n t e dc o n t r a s tt ot h e8s a m p l e s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a d a ，t h ed i f f e r e n c e o nm a c e r a li sa n a l y z e ds ot h em e c h a n i s mo f e x i s t i n gc a r b o nm o n o x i d e i sb r o u g h tf o r w a r d d u r i n gt h ed e c o m p o s a b i l i t yo ft h eb r a n c ho fc o a lm o l e c u l e ，ag r e a td e a lo f t h ec a r b o n m o n o x i d ec r e a t e sa n da d s o r b e dm o s t l yb yc o a ls e a m _ t h em a t hm o d e l sr e l a t i n gt ot h e q u a n t u ma n d k i n d so fm a i nf a c t o r sa r ed e s i g n e d i nt h i s p a p e r ，t h ep h e n o m e n o no fc a r b o nm o n o x i d ee x i s t i n g i nc o a l g a s b u t1 1 0 s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nh a p p e n e di s s t u d i e db r i e f l y b a s i n go nt h et h e o r yo f s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n ，i n d i c a t o rg a s e st h a ta r ea g r e e a b l et od o n 【g h u a n t u oc o a lm i n eh a v e b e e n d e t e r m i n e dt h em a t hm o d e lr e l a t i n gt oi n d i c a t o rg a s e sa n ds e l f - i g n i t i o nt e m p e r a t u r ea n d t h es y s t e mo f p r e d i c t i n gs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na r ed e s i g n e d t h e a d d i t i o n a lr e q u i r e sa r e p u tf o r w a r dt ot h ep r e d i c t i o ns y s t e m i nt h ep a p e r ，n e wo p i n i o n sa b o u tm e c h a n i s mo fc a r b o nm o n o x i d ee x i s t i n gi nt h ec o a l b e da r e g i v e n ，w h i c h c a l l h e l p i nt h e p r e d i c t i o n o f s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n i n d o n g h u a n t u oc o a lm i n e i t s v a l u a b l et ot h ea n a l y s i sf o rs i m i l a rc o a l a b s o r b i n gc a r b o n m o n o x i d e ，t o o k e y w o r d s ：i n e r t i n i t e ，q u a n t u m ，p r e d i c t i o n ，i n d i c a t o rg a s ，s p o n t a n e o u s c o r n b n s t j o n 创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 签名老垂e t 期：州年j 月娟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鳖丝导师签名：臣趣刍日期：巡年三月日 河北理工学院硕士学位论文 注释说明清单 灰分百分含量 挥发分百分含量 固定碳百分含量 干燥无灰基挥发分百分含量 干燥无灰基固定碳百分含量 镜质组最大反射率 v d f a 眦 胁 地 刚 r 河北理工学院硕士学位论文 引言 在煤氧化自燃过程中生成并能用来预报煤炭自然发火的气体称之为指标气体。 利用指标气体预报煤层自然发火，近年来得到广泛的应用。实际生产中，用于预测 预报自然发火的指标气体很多卜5 叫，但在低温氧化阶段，c o 作为煤炭早期自然发 火的标志性气体。3 0 1 1 已经得到了大多数人的认可，通过实验证明3 ，c o 作 为指标气体，适用于在煤温5 0 1 5 0 阶段，此时c o 的含量随着温度的升高， 表现出极强的规律性，有着良好的指数对应关系。一般认为，煤层气体中基本上不 含有c o ，矿井井下有害气体中的c o 的产生是由于煤层缓慢氧化自燃的产物。 随着科学技术的不断发展和检测手段的改进，许多矿井逐渐发现开采中c o 超 过煤矿安全规程的有关规定不全是因为发生了火灾的现象，而是煤层中赋存有 c o 。虽然许多矿井也发现了这种现象，但在煤层开采过程中经常会发现c o 超限的 现象，除爆破和爆炸产生的c o 外，通常认为c o 来源于煤层发生了自然发火或其 他火灾，极少考虑到煤层赋存c o 的情况。对煤层赋存c o 的机理研究不够，到目 前为止，国内外对此现象的研究还鲜有报道。 c o 气体的存在，严重干扰了矿井自然发火的预测预报管理和生产的正常进 行，同时，c o 有毒，它与血红蛋白的亲合能力约为氧与血红蛋自的亲合力的2 0 0 3 0 0 倍，从而降低血红蛋白输送氧的能力，同时c o 还有抑制呼吸酶的作用，从而 造成组织特别是中枢神经系统的缺氧，使人体出现不同程度的中毒效应。煤矿安 全规程规定，井下空气中c o 的最高容许浓度为0 0 0 2 4 。因而，煤层中c o 的 存在，对煤矿工人的生命安全构成了威胁。 本课题的研究目的是利用煤岩与煤的变质程度的内在关系，找出c o 产生的原 因及赋存的机理，区分赋存c o 和自燃产生的c o ，同时结合煤自然发火有关理沦， 选择恰当的指标气体，更好的预测预报煤的自然发火现象，减少不必要的损失，为 安全生产保驾护航。 河北理 学院硕士学位论文 此课题的研究，为东欢坨煤矿对煤层自然发火进行准确预报提供了依据，对同 类矿山分析c o 赋存机理及自然发火预测预报具有重大参考价值，可以在全国各煤 矿进行推广，具有一定的经济效益和社会效益。 一2 - 河北理1 ：学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 煤层中c o 的来源与吸附作用现状研究 1 11 煤化作用与煤的吸附作用 煤化作用往往经历一个很长的地质时期，从褐煤到年轻无烟煤至少要经历几百 万年几千万年，有时甚至上亿年。桑树勋等通过研究证明：煤中气体是整 个煤化作用热演化过程的产物，从煤级升高来说，煤化作用是连续的，但从时间上 讲，煤化作用具有不连续的阶段性。 孙万禄等3 认为，煤炭源于陆生高等植物，煤的原始有机物质主要是碳水化合 物、木质素，成煤作用由泥炭化和煤化作用两个阶段完成。由植物一泥炭一褐煤一 烟煤一无烟煤，是经过未成岩一成岩一变质作用，泥炭化一煤化的全过程。泥炭化 阶段( 成岩期前) ，有机质在低温( 5 0 ) 和近地表氧化环境中，由于细菌的作用， 生成少量甲烷及二氧化碳，呈水溶状态或游离状态而散失。张代钧认为褐煤阶段 已经进入成岩阶段，属煤化作用的未变质阶段。此期是干酪根的未成熟期，地温在 5 0 左右，镜质体反射率r ozo 5 ，有机质热降解作用已经开始并且逐步加深， 生物化学作用逐步减弱。主要生成甲烷及其它挥发物。煤化作用是沉积有机质腐殖 型干酪根的热降解过程。热降解作用分离出来的c h 4 、c o 、c 0 2 等挥发物一部分游 离在煤岩的微孔隙及裂隙之中，部分溶解在孔隙或裂隙的水中，还有部分通过 分子渗滤或微粒渗透，运移到煤层的顶、底板岩层或穿透顶、底板扩散到其它岩层 之中。煤岩层中的吸附气、溶解气与游离气共存于一个封闭的孔隙、裂隙系统空间 之中，不是静态不变的。在地层温度、压力及水动力条件变化时，c h 4 、c o 、c 0 2 及其它烃类挥发物的赋存状态也相互转换，由吸附状态转化为溶解状态、游离状 态，或由游离状态、溶解状态改变为吸附状态。煤层在构造变动、沉积沉降过程中 形成的c h 。、c o 、c 0 2 及烃类等挥发物，是一种热动力地球化学作用的结果。当地 河北理工学院硕士学位论文 层沉降，地温、地压增加时，产生的c h 4 、c o 、c 0 2 及其它烃类物质随之增加；当 地层回返上升时，地温下降、地压减小，已经由于热动力产生的c h 4 、c o 、c 0 2 等 挥发物，并不因此而出现逆反过程。但呈吸附状态的c h 4 、c o 、c o z 则由吸附状态 解吸成游离状态，吸附气量减少，游离气或溶解气增加。游离状态或溶解状态的 c h 4 、c o 、c 0 2 浓度增加，地层暴露氧化或存在排渗通道时，c h 4 、c o 、c 0 2 即可 通过通道运移。当地质构造条件再次变动，地层再度沉降时，煤层中处于游离状态 和溶解状态的c h 4 、c o 、c 0 2 浓度下降，吸附气量增加，但气源补充来源不足，吸 附气常常出现不饱和状态。 煤是一种典型的多孔介质，根据气体在多孔介质中扩散机理的研究，何学秋 巧4 3 提出，孔隙气体在煤层中的扩散模式，可以用表示孑l 隙直径和分子运动平均自 由程相对大小的诺森数k 且将扩散分为一般的f i c k 型扩散、k n u d s e n 型扩散和过渡 型扩散。它的表达式为k n = dx ，式中：d 为孔隙平均直径，m ；x 为孔隙气体分子 的平均自由程，m 。当k n 1 0 时，孔隙直径远大于7 l 隙气体分子的平均自由程，这 时孔隙气体分子的碰撞主要发生在自由孔隙气体分子之间，而分子和毛细管壁的碰 撞机会相对较少，此类扩散仍然遵循菲克定理，称为菲克( f i c k ) 型扩散。当k n 0 1 时，分子的平均自由程大于孔隙直径，此时孔隙气体分子和孔隙壁之间的碰撞占主 导地位，而分子之间的碰撞退居次要地位，此类扩散不再遵循菲克扩散，此即诺森 f k n u d s e n ) 扩散。当o 1 k n 3 ，7 ，煤从无烟煤2 号向1 号过渡，煤中出现 扁平微孔，并使相邻微孔合并，出现石墨化，吸附能力急剧降低。煤对甲烷吸附能 力的大小引，除与煤的变质程度关系较密切以外，还与煤本身物质成分有关，特 别是煤中三大有机显微组分。一般来说同一煤层或相同变质阶段的煤层，镜质组含 量越高，其吸附量越大。 h a r p a l a n i 等4 3 研究发现，在煤中呈物理吸附的混合气体，吸附能力强的组分 在解吸其中较为富集，但解吸是可逆的，并且认为，吸附和解析都是符合相同的压 力与吸附量关系曲线。 中国矿业大学的秦勇等认为，煤的吸附性能与煤岩显微组分组成之间虽然离 散性较大，但仍然显现出确定的分布趋势，。镜质组体积分数与极限吸附量( 兰氏 体积) 之问总体正相关，但这种关系并非是连续变化的，而是极限吸附量在镜质组 临界体积分数处发生量上的显著变异。就不同煤级阶段来看，这种关系仍然十分显 著，并且镜质组临界体积分数之后最大极限吸附量随镜质组体积分数增高而变大的 趋势更为明显。 l 12 煤灰分的影响 煤的灰分对煤的吸附性也有很大的影响。大量分析化验资料说明，煤层的灰分 含量越高，吸附气量越低：狄分含量越低，吸附气量越高。董红等63 认为，煤中 7 河北理工学院硕士学位论文 的气体主要吸附在煤层中的有机质孔隙和割理中，而无机矿物吸附气体的性能相对 较弱，因此，随煤层中狄分的增加，煤层吸附能力减小。构成灰分的矿物质对煤的 孔隙的影响有两方面：一是它充填了一部分大中i l 隙。使孔隙总孔容下降；另一方 面是矿物本身可能存在一些 l 隙如品间i l ，对煤的孔隙度有微弱贡献但矿物对 气体的吸附能力远低于煤。虽然矿物含量高，内部可能含许多孔隙，但总体是不利 于煤层气吸附储存的。研究表明，随矿物含量增高，煤的孑l 隙度逐渐降低，特别是 大中孔隙的减少更为迅速。 煤层瓦斯涌出量与煤质有很大的关系，据重庆大学建筑工程学院刘新荣等h 5 1 通过西南某矿矿井瓦斯涌出量的测试结果，定量探讨了瓦斯涌出量与煤质之间的关 系。结果表明，煤层瓦斯涌出量随灰分的减少而增大，并随煤的变质程度增大而增 加。分析原因认为：( 1 ) 瓦斯主要是煤的炭化作用的产物，煤层瓦斯的产量直接依 赖于煤的炭化程度；( 2 ) 随着煤变质程度的增大，煤层吸附瓦斯能力随之增强。 煤层的工业分析是煤层质量的主要指标，在煤层气评价中工业分析是其它分 析的基础。煤层工业分析的4 个指标( 水分m 、灰分a a d 、挥发分v 和固定碳 f c ) 是存在内部联系的。将它们都转化为同一的空气干燥基后，水分、挥发分和固 定碳都与坎分呈线性关系。中煤第一勘探局的高绪晨等63 得出，煤层气的含量与 工业分析中的水分、扶分、挥发分、固定碳和埋深呈线性关系。 1 1 3 煤层中水分的影响 周志成等”认为，煤层水在煤中气体的生成、储集( 吸附) 和产出的全过程 中都起着重要的作用。在控制煤中气体赋存、产出的主要地质因素( 含气量、临界 解吸压力、储层压力、渗透率、内外生裂隙等) 中，煤层水作为客观载体通过与诸 多因素的相互作用实现对煤中气体赋存、产出能力的影响。煤层水的封闭性能影响 煤中气体的赋存量。在煤化作用发生之后的地质构造演化史中，由于受地壳升降运 动的影响，有的煤层埋深变浅。只有当煤岩储层中的煤层水处于一定的封闭条件 一3 河北理工学院硕士学位论文 时，煤岩储层才能保持较高的原始压力从而形成超压现象。在煤层水压力作用下， 埋深变浅的煤层仍保持了较高的原始含气量，煤岩储层中“圈闭”了一定数量的气 体。 李建武等 1 研究表明，煤中存在的水对吸附有很大的影响，尤其在低煤阶中的 影响更为显著。水在煤里以自由水、分解水和水化合物的形式存在着，自由水存在 于裂隙和大孔隙内：分解水与含氧官能团( - - o i - i 、- - c o o h 、- - c = o ) 通过氢键结 合：水化合物附着在无机矿物和粘土矿物上。由于具极性的水分子于煤分子间的范 德华力比无极性的气体分子与煤分子间的范德华力更强，同时水分子之间也可以通 过偶极子运动结合起来，因此水与煤的结合更为紧密，这些水常常和气体竞争被吸 附的位置。 j o u b e r t 等( 1 9 7 4 ) m 1 证实了煤中水分含量对气体分子吸附的影响。水分含量 越高，吸附量越低，直至达到煤层吸附水的临界含水量，高于临界含水量的水含量 并不影响对气体的吸附能力。 刘俊杰93 通过实验和钻井开采煤层气的实践证明，吸附状态的气体转化为游 离状态形成气流，必须首先在煤孔裂隙系统中排水降压，产生单相水流，继而形成 非饱和单相流( 初步解吸) ，最后出现气水双相流达到完全解吸。由此可见，地下 水对气体的赋存运移具有明显的控制作用，具体表现在： ( 1 ) 侵占作用地下水以液相占据一定的煤孔裂隙空间，控制着气体的赋存 状态。 ( 2 ) 封闭作用在自然条( q t ，地下水作为一种密闭的介质体，与气体在煤 层空隙中形成相对稳定的液气两相界面，封堵气体( 主要呈游离状态的) 逸散。( 3 ) 运移作用运动着的地下水则对气体的运移发生作用是地下水在孔裂隙系统中 的流动为降压解吸创造条件，使气体由吸附状态转化为游离状态，并按达西定律在 孔裂隙系统中流动。 一9 一 河北理工学院硕士学位论文 1 2 赋存原因的假设 煤层中存在c o 的现象存在几种假设；1 ) 煤的氧化能力主要取决于含氧官能 团的多少。煤在变质过程中，随着煤层埋深增加，温度升高，煤化作用程度的增 加，煤的基本结构单元的芳香核苯环数增加，侧链和官能团逐渐分解、断裂，在核 缩聚、侧链分解引起的分子结构的改造和重建过程中，伴随有气、液态产物不断形 成，由于侧链的脱落氧化生成大量的c o 被吸附在煤层中，包围于质密的围岩中或 由于煤层裂隙不发育而保存下来。c o 是伴生于煤层当中的气体旺1 。2 ) 地质构造 作用，如岩浆的侵入，使得煤层的变质作用局部变化较大，形成异常区域，生成的 c o 被煤体吸附而保存下来口1 。3 ) 煤作为一种有机大分子物质，在外力( 如地应 力、采煤机的剪切、钻机的剪切等) 作用下煤体破碎，产生大量裂隙，必然造成煤 分子的断裂。分子链断裂的本质是链中共价键的断裂，从而生成大量的自由基。自 由基司存在于煤颗粒的表面，也可存在于煤内部新生裂纹表面，自由基与氧发生氧 化反应生成c o ”。 1 0 河北理i i 学院硕士学位论文 第二章东欢坨煤矿地质概况及发现c o 情况分析 2 1 地理概况 开滦( 集团) 东欢坨矿井位于河北省丰润县境内韩城镇与新军屯镇之间，东距 唐【1 1 市约1 5 k m 。矿井地处京山、京秦、唐遵线三条铁路包围之中，距京山线唐山火 车站1 5 k i n ，胥各庄火车站1 2 5 k m ，京秦线的丰润火车站2 5 k m ，距秦皇岛港约 l5 0 k m ，京唐港约7 0 k i n 。矿井地理位置优越，交通十分便利。 矿井处于开平煤田车轴山向斜东北端，冲积平原地形，区内无山峦出露，地形 平坦，东北高西南低，地面标高介于一1 2 3 + 2 m 之间，坡度为1 6 o ，无主要河流通 过，仅在茜北约5 k r n 处有一泥河，南端有一夏秋积水的“油葫芦泊”。 井田面积：5 2 1 9 7 6 平方公里。 可采煤层：矿井主要有煤层9 个，四个主要开采煤层为8 8 、9 5 、l 1 8 、1 2 8 。 21 1 东欢坨矿地质构造特征 本井田所在的车轴山向斜为一狭长的不对称向斜向轴，方向n 6 0 e 。本区发育的 地层主要有：煤系地层为石灰系及二迭系地层，煤系上覆盖层为第四系冲积层，煤 系基底为奥陶系石灰岩，在煤系地层中发育有1 4 个煤层，总厚度2 1 m 。 构造特征：总体构造为向斜构造，在其内发育有次级褶曲及断裂构造。经过精查 及三维地震勘探共发现较大的断层4 0 条。该井田的地质主要以断层为主，褶曲构造 不甚发育：在精奄及建井阶段尚未发现岩浆侵入及岩溶陷落柱发育，以此排除了矿 井中火成岩存在导致c o 赋存的现象。断层特征如表2 - 1 所示。 河北理工学院硕士学位论文 表2 - 1 断层特征表 t a b l e 2 - 1c h a r a c t e r so f f a u l t a g e 断层断层落差走 向倾向倾角 控制程度 编号性质( m ) ( o )( 。)( o ) f 1正断层3 6n 1 8 ws w7 0 可靠程度差 f 2逆断层1 3 1 9n 3 0 en w6 4 6 7较可靠 f 3逆断层3 8n 6 0 en w5 5 可靠 f 4逆断层9 1 6n 3 0 en w7 2 7 7 可靠程度差 f 5正断层18n 5 6 en w7 2较可靠 f 6正断层9 3 5n 3 en w7 4 较可靠 f 7正断层1 0n 2 enw7 4较可靠 f 8正断层15 1 8n 15 es w6 0 7 2较可靠 f 9正断层6 1 5n 6 0 en w7 3 可靠程度差 f 1 0正断层1 4 3 5n 1 5 es w6 5可靠程度差 n 1 0 e 转n w转 f 11正断层6 0 7 5较可靠 n 1 6 ws w f 1 2正断层5 1 0n 2 2 ws e6 2 7 9可靠 f l3正断层9 1 5n 5 7 ws w5 2 较可靠 f 1 4正断层1 0n 5 es w6 4较可靠 f 15正断层4 13n 15 enw6 9 7 8可靠 f 1 6正断层1 0 1 2n 3 3 esw4 4较可靠 f 1 7正断层3 5n 6 0 es e 6 5可靠程度差 f 1 8正断层6 2n 2 5 ws w w6 5 可靠程度差 f 1 9正断层7 1 5n 5 0 wn w7 2 7 4 可靠 f 2 0正断层1 1 6 0n 4 7 enw6 3 7 8可靠 f 2 i正断层3 0n 6 3 en w6 0 可靠程度差 f 2 2正断层3 0 6 0n 5 2 es e5 7 6 4可靠 n 1 4 e n f 2 3逆断层1 0 3 4n w5 0 6 5较可靠 3 7 e r 2 4 f 断层8 2 5n 3 5 e s e6 1 7 2可靠 f 2 5 f 断层 l on 5 7 ws w7 0可靠程度差 - 1 2 一 河北理- t 学院硕士学位论文 断层断层落差走向倾向倾角 控制程度 编号性质( m )( o )( o )( o ) f 2 6正断层2 0 3 5n 3 2 es e6 0 6 5 可靠 f 2 7正断层9 6 0n 5 4 en w7 7 较可靠 f 2 8正断层1 0 1 3n 7 3 es e 6 5可靠程度差 f 2 9正断层1 2n 2 0 es e 6 2较可靠 f 3 0正断层1 3 3 0n 1 5 ws w7 4 可靠程度差 f 3 l正断层2 5 5 0n 3 0 ws w8 3较可靠 f 3 2正断层3 0 7 5n 2 4 wn e5 7 7 2较可靠 f 3 3正断层1 0 1 2n 1 4 en w7 4较可靠 f 3 4正断层2 0 2 5n 8 6 es e7 1较可靠 5 0 f 3 5正断层n 2 3 es w 6 5可靠 1 6 7 f 3 6正断层5 0n 7 5 en w7 5可靠程度差 f 3 7正断层5 5n 1 5 ws w6 5可靠程度差 f 3 8逆断层1 6n 6 5 en w6 5可靠程度差 f 3 9逆断层1 5 3 0n 6 5 en w5 0 7 0较可靠 f 4 0正断层3 6n 2 5 en w8 0可靠 2 1 2 煤层构造特征及其规律 1 煤8 构造特征 煤8 是该矿的主采煤层，在中央采区和北一采区都很稳定，其厚度一般在 3 , 0 3 3 m ，由于掘进巷道和采面对其揭露较多，所以地质资料比较全面。目前两个 采区内在8 煤层共发现断层3 6 条，而且全部为正断层，在煤8 内由于煤层较厚，以 及底板的粉砂岩较软和遇水膨胀，所以落差小于l m 的断层没有明显的牵引特征， 从而对采掘开拓工程造成影响较小，对于落差1 o 2 0 范围内的断层有明显的牵引 特征，产生上下两盘煤层变薄。根据目前的资料证实，在8 煤层中的断层一般沿走 向影响长度在2 0 0 m 左右，只有中央采区的t 4 ( 1 2 1 4 m ) 断层走向方向影响较长达 6 0 0 m ，对于落差大于2o m 的断层在见断层之前有比较明显的地质特征：煤厚产生 一1 3 河北理工学院硕士学位论文 巨变，煤层顶板有淋水现象，在中央和北一采区，8 煤层内的断层除上述特点外， 还有重要的一点就是这些特点在煤9 内并没有发现，由此说明两个煤层内的构造不 是同一个时期形成。 2 煤9 构造特征及其发育规律 煤9 属稳定煤层，呈粉末状，尤其它的伪顶灰色泥岩层理裂隙相当发育，极易 冒落，皆于上述因素，构造运动造成应力分解，所以煤9 内的断层多以阶梯状产 状，由于这种断层呈阶梯状产生，所以造成煤层逐渐变薄，从而产生较大的薄煤 带。 3 煤1 1 、1 2 1 构造特征及其发育规律 煤1 1 和煤1 2 1 皆属较稳定的可采煤层，其厚度都在2 o m 左右，煤层和顶、底 板岩石都比较性脆和坚硬。根据目前的发现，它们产生的断层多为正断层，且落差 都小于2 o m ( 北一采区仅发现条断层落差较大，1 ：8 8 正断层、落差为7 o r e ) 。上 下盘对煤层厚度产生牵引比较明显，由于煤层较薄，所以对采、掘、开工程产生影 响较大。 总体分析结果，中央采区和北一采区各煤层出现的断层多为正断层，从煤8 到 煤1 2 。断层逐渐增多，沿煤层走向方向从中央采区到并一采区断层增多，因为接 近四轴山向斜的轴部。煤8 较厚，其对回采影响较小。其它煤层的断层影响较大， 需根据实际情况采取不同的方式通过断层。 2 1 1 3 煤层顶底扳岩性 井田内可采煤层主要为六层，分别的煤8 、煤9 、煤1 1 、煤1 2 - l 、煤1 2 2 和煤 1 2 下。局部可采煤层为三层，分别是煤5 、煤7 、煤1 4 小各个煤层的详细特征分别 叙述如下： 煤5 ：该煤层属大苗庄组。为一不稳定的局部可采煤层。控制其厚度的6 1 个钻 孔中发现有7 个钻孔煤5 厚度为零，1 3 个钻孔煤5 厚度小于0 6 m ，其它钻孔煤5 最 大厚度3 5 1 m ，平均厚度1 1 0 m 。为单一煤层，偶有一层夹矸。煤层容重 一1 4 一 河北理工学院硕士学位论文 1 3 5 t m 3 ，其k m 值为o 8 ，r 值为4 6 2 。该煤层与下层7 间距1 4 6 4 4 8 3 9 m ，平 均2 6 o l m 。煤岩煤质类型为微矿化小孢子半丝炭亮暗煤。低灰低硫易选煤。煤5 顶 板主要由中厚层状深灰色粉砂岩组成，富含植物化石，坚硬耐风化，在1 5 - 2 4 剖面 线之间局部有薄层粘土岩，在6 1 5 剖面线之间有细砂岩零星分布。直接底板主要由 厚层状粉砂岩及粘土岩组成。 煤7 ：该煤层属于大苗庄组，为一不稳定的可采煤层。控制其厚度的7 0 个钻孔 中有1 1 个煤厚为零点，1 7 个钻孔煤厚小于o 6 m ，煤层最大厚度为4 3 1 m ，平均煤 厚1 1 5 m ，单一煤层为主，局部有1 3 层夹矸，结构较简单。煤层容重1 3 5 t m 3 ， 其k m 值为o 8 ，r 值为4 32 。该煤层与下层煤间距5 7 4 3 5 8 5 m ，平均为 1 9 1 4 m 。煤岩煤质类型为特强矿化半丝炭暗煤，中灰低硫极难选煤。煤层对比依 掘：底板多为砾状粘土岩，硫分含量低于上层煤。直接顶板岩性变化大，主要由浅 灰、灰白色钙质胶结的粉砂岩、细砂岩组成，裂隙发育，含植物化石。直接底板厚 度及岩性变化较大，厚度有北厚南薄的趋势，直接底板多见灰色砾状粘土岩。 煤8 ：该煤层属于大苗庄组，为一稳定较稳定的可采煤层。控制其厚度的7 6 个钻孔中有2 个煤厚为零点，2 个钻孔煤厚小于0 6 m ，煤层最大厚度为8 3 4 m ，平 均煤厚3 5 3 m ，单煤层为主，局部有2 4 层夹矸，结构较简单。煤层容重 1 4 3 t m 3 ，其k m 值为o ，9 7 ，r 值为1 4 1 l 。该煤层与下层煤间距o 1 4 2 4 9 m ，平 均为6 4 7 m 。煤岩煤质类型为弱矿化半丝炭暗亮煤。煤层对比依据为顶板上有一层 灰白色易松散的砂岩。顶板岩性局部为黑色粉砂岩或粘土岩，伪顶与直接顶之间有 炭化面，极易冒落。直接顶为凝灰质胶结的细砂岩，裂隙发育，遇水膨胀呈粉末 状。底板厚度及岩性变化较大，为沉凝灰质胶结的中细砂岩，遇水膨胀。 煤9 ：煤层属于大苗庄组，为一稳定的可采煤层。控制其厚度的7 8 个钻孔中全 部见煤，厚度都在1 4 7 m 以上。煤层厚度在1 4 7 1 0 4 9 m ，平均煤厚4 1 0 m ，单一 煤层为主，局部有2 5 层夹矸，结构较复杂。煤层容重1 3 5 t m 3 ，其k m 值为1 ，r 1 5 - 河北理工学院硕士学位论文 值为2 9 3 。该煤层与下层煤间距4 7 5 1 8 7 7 m ，平均为9 6 2 m 。煤岩煤质类型为 微矿化半丝炭暗亮煤，中灰低硫极难选煤。煤层对比依据为煤层厚度大，结构较复 杂，顶板含有植物化石与下层煤相区别。伪顶板主要以灰色灰黑色条带状细砂岩 为主。 煤11 ：该煤层属于赵各庄组，为一稳定的中厚可采煤层。在控制其煤厚的7 7 个钻孔内全部见煤，其中两个钻孔煤厚小于o ，6 m 。煤层厚度在o 2 5 4 4 5 m ，平均 煤厚2 1 8 m 。其与下层煤间距3 7 8 2 0 6 5 m ，平均间距11 1 6 m ，煤岩煤质类型为弱 矿化半丝炭暗亮煤，低灰中硫。煤层结构单一，局部含l 2 层夹矸，结构较简单。 煤层容重1 3 5 t m 3 ，k m 值为1 0 ，r 值为3 4 0 8 。煤层对比依据为具有腐泥质粘土 岩伪顶，部分见动物化石，硫分含量高于上两个煤层。直接顶板为黑灰色粉砂岩， 富含铁质结核，呈串珠状排列。老顶为浅灰色细砂岩。直接底板为灰黑色粉砂岩， 富含植根化石。老底为浅灰色带状细砂岩，泥质胶结。 煤1 2 “该煤层属赵各庄组。为一稳定的中厚可采煤层。在控制其煤厚的7 8 个 钻孔中有7 个煤厚为零点，2 个钻孔煤厚小于o 6 m 。煤层厚度在o 4 1 6 m ，平均煤 厚2 2 3 m 。其与下层煤间距1 2 8 2 5 1 0 8 m 之间，平均间距2 5 0 9 m ，煤岩煤质类型 为弱矿化半丝炭暗亮煤，中灰中硫。煤层结构以单一煤层为主，偶尔有一层夹矸， 结构简单。煤层容重1 3 5 t m ，k m 值为0 9 ，r 值为3 6 7 5 。煤层对比依据为与上 层间距小，而与下层煤间距大。直接顶板以浅灰色灰色细砂岩为主，次为粉砂岩 或粘土岩。直接底板为灰色粉砂岩，泥质胶结，含植物化石，往下颗粒变粗成中砂 岩，局部为粗砂岩。 煤1 2 _ 2 该煤层属于赵各庄组，为一稳定的可采中厚煤层。在控制其煤厚的7 8 个钻孔中有3 个煤厚为零点，5 个钻孔煤厚小于0 6 m 。煤层厚度在o 5 4 5 m 之间， 平均煤厚25 2 m 。其与下层煤间距5 6 9 4 7 1 6 m ，平均间距2 2 5 8 m ，煤岩煤质类型 为强矿化半丝炭暗亮煤，中灰低硫。煤层结构复杂，多为2 5 层夹矸，夹矸层数 1 6 河北理工学院硕士学位论文 多，厚度变化大。煤层容重1 3 5 t m ，k m 值为0 9 ，r 值为3 6 9 1 。煤层对比依据 为结构复杂，与上下煤层间距都较大。硫分含量低于上下几个煤层。顶板为灰色腐 泥质粘土岩，风化后易碎，含碳质成份，常有薄层煤线，局部地段有腐泥质粘土岩 伪顶，间接顶为高岭土胶结的细中砂岩，吸水性强，吸水后易风化破碎，一旦被 揭露，因其吸水膨胀导致巷道变形，底板为深灰色细粉砂岩，岩性细腻、均一， 含碳质，性较脆。 煤1 2 下：该煤层属于赵各庄组。为一稳定的可采薄煤层。在控制其煤厚的7 7 个钻孔中有一个零点，3 个钻孔煤厚小于0 6 m 。煤层厚度在0 3 1 5 m ，平均煤厚 1 1 3 m 。其与下层煤间距8 1 9 3 4 4 6 m ，平均间距1 1 7 5 m ，煤岩煤质类型为微矿化 半丝炭暗亮煤，中灰高硫。煤层结构以单一煤层为主，偶有一层夹矸，结构简单。 煤层容重13 5 t i m 3 ，k m 值为0 9 ，r 值为2 3 2 0 。煤层对比依据为少数顶板见动物 化石，硫分含量低于上下几个煤层。直接顶为深灰黑灰色粉砂岩，岩性均一，细 腻，坚硬，断口平坦，富含黄铁矿结核。在厚度和岩性方面是矿区最为稳定的顶 板。老顶为深灰色细中砂岩。直接底板为深灰色中厚层状粉砂岩或粘土岩，富含 黄铁矿结核，岩性致密、均一，间接底板为k 6 石灰岩( 赵各庄灰岩) ，厚0 1 8 m ，发育在井田中部，南北两端缺失。老底为深灰色粉细砂岩，硅质胶结。 煤1 4 小该煤层属开平组，为一局部可采煤层。在控制其煤厚的7 0 个钻孔中有 3 个零点，有1 3 个钻孔煤厚小于o 6 m 。煤层厚度在0 3 5 1 m ，平均煤厚1 7 6 m 。其 煤岩煤质类型为强矿化半丝炭亮暗煤，中灰高硫。煤层结构为少数单一煤层，有 1 3 层夹矸，结构较复杂。煤层容重1 4 3 t m 3 ，k m 值为0 9 ，r 值为4 0 0 4 。煤层 对比依据为直接顶为k 5 石灰岩，煤系中最下的一个可采煤层。顶板为褐灰色薄层 生物碎屑灰岩( k 5 ) ，质不纯，致密，坚硬，厚度为0 o 8 2 m ，虽厚度较薄但发育 较稳定。f 司接顶板为粉砂岩。直接底板为褐色粉砂岩或粘土岩。 1 7 河北理 学院硕士学位论文 通过煤层对顶底板岩性研究，8 煤层顶板为中厚层状的粉砂岩或粘土岩，岩性 致密均一，裂隙不发育，同时该煤层顶板的粉砂岩为泥钙质胶结，胶结物高达 3 0 4 0 ，吸水后易膨胀，弱化了顶底板裂隙发育，煤层中气体不易通裂隙扩散， 煤层中的气体可以被煤体吸附。l l 煤层顶板为腐泥质粘土岩，岩性性脆，击之易 碎，而且部分地段含碳量高达4 1 ，煤层中气体可以通过裂隙得以释放。 2 2 发现煤层赋存c o 情况 开滦东欢坨矿业公司是2 0 0 0 年正式移交的生产能力为1 0 0 万吨的现代化矿井， 现生产区域主要为，5 0 0 m 水平中央及北一两个采区。矿井为中央分列抽出式通风， 采区内设计为集中上山阶段石门联合布置，2 条集中上山布置在1 2 煤层中，1 条进 风，1 条回风。矿井可采煤层为8 、9 、1 1 、1 2 煤层，经2 0 0 1 年3 月抚顺所鉴定 各煤层均具有自然发火倾向，其中8 煤层为i i 类发火煤层。 c o 初始发现地点在北一采区8 煤层的2 1 8 6 ( 下) 和2 1 8 6 ( 上) 工作面。该工 作面走向4 8 0 m 、倾向6 6 m 、煤厚3 5 m 、倾角2 1 。，2 0 0 1 年2 月开始回采；其相邻 的2 1 8 6 ( 上) 面走向5 4 0 m 、倾向5 5 m 、煤厚3 5 m 、倾角2 1 。，计划2 0 0 1 年1 1 月 开始回采( 为泻水、工作面采用由下向上布置) 。两工作面间距净煤柱4 m ，均采用 z f z 1 5 2 3 液压支架低位放顶煤式回采。 1c o 的首次发现 为提高矿井的煤炭回收率，2 1 8 6 ( 下) 工作面采取跨北一煤8 上山回采为工 作面增加走向2 0 0 m ，2 0 0 1 年8 月1 2 日跨上山后，在8 月1 5 日2 1 8 6 ( 上) 工作面 运道以下煤8 上山封闭，8 月1 6 同利用观测孔检查首次在该密闭内发现c o ，浓度 为00 0 2 6 ，1 7 同取气样化验确认出现c o ，具体数值如表2 2 ： 1 8 河北理工学院硕士学位论文 表2 - 2 观测孔中c o 的浓度 t a b l e 2 2c o n s i s t e n c eo fc a r b o nm o n o x i d ei nb o r eo fm e a s u r e 气样c o ( )c h 4 ( )c 0 2 ( ) o z ( )n 2 ( ) l 0 0 0 5 82 4 7 80 3 4 8 31 7 8 37 9 3 3 1 6 2 0 0 0 6 02 6 1 3 20 3 5 1 81 7 87 9 2 3 3 9 2 c o 的二次发现 随着2 18 6 下工作面的推进，依次在风道联络巷加打了2 道密闭，在密闭内均 不同程度的发现c o ，且在最内侧的密闭观测孔内发现c o 浓度高达o 0 5 6 ，同时 在工作面上隅角亦发现过c o ，浓度m a x o 0 0 1 左右，该矿采取了一定