长平矿井地质特征及瓦斯涌出规律分析(阴怀海).doc

长平矿井地质特征及瓦斯涌出规律分析长平井区阴怀海李海涛辛宪耀摘要：通过分析长平矿井地质特征、影响瓦斯积聚的因素，对长平矿井瓦斯涌出规律进行了科学分析，为长平矿井今后瓦斯综合防治提供了可靠的依据。关键词：地质特征；瓦斯；涌出规律；分析山西长平煤业有限责任公司长平矿井于1999年开始筹建，2003年10月1日首采工作面试生产，年生产能力210万t，现开采3号煤层，为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性。1 长平矿井地质概况1.1 总的构造特征长平井田位于太行山背斜南段位置，沁水煤盆地之东缘，晋（城）获（鹿）褶断带西缘。井田内主要为一走向北北东、倾向北西、倾角7左右的单斜构造，伴有宽缓褶曲和小型断裂。受区域构造影响，井田内褶曲较为发育，在井田中南部发育一组轴向北东东的背斜和向斜，由于褶曲影响，井田中南部地层倾角较陡，一般多在7-12左右，北部则较平缓，倾角一般2-4间。另外，在井田西北边界处，发育一条正断层（即李家河断层），断层走向N70E，西北盘断落，该断层向西延伸数公里，最大落差60米。1.2 煤系地层井田范围出露基岩为二叠系上统上石盒子组地层，分布于井田中西部山梁，井田东部及沟谷处则为第四系覆盖层，井田地层由老至新依次为：奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、第四系。第四系为松散覆盖层，不整合于基岩之上。1.3 煤层含煤地层为太原组和山西组，总厚124.23m，含煤10层，煤层编号自上而下依次为1、2、3、5、8、9、11、12、13、15号，煤层总厚10.88m,含煤系数8.76%，其中3、15号为主要可采煤层，2、9号为局部可采煤层。长平矿主要对3号煤层进行回采。3号煤位于山西组下部，下距K7砂岩6.25m，煤层最小厚度4.6m，最大厚度5.7m，平均5.03m。煤层下部含泥炭或炭质泥岩夹石一层，上部局部夹矸。煤层直接顶主要为砂质泥岩、泥岩、局部为粉砂岩、细砂岩，厚013.08m。其老顶为中、细粒砂岩和粉砂岩，厚0.612.26m，岩石裂隙发育。底板为砂质泥岩，局部为粉砂岩，厚约11.2m。1.4 矿井充水因素3号煤层顶板砂岩为其直接充水含水层，综合井田地质资料，矿井充水因素主要为顶板砂岩以及煤层采空后随着顶板垮落形成塌陷漏斗导致上部含水层沿塌陷裂隙下渗进入矿井。深部奥灰水虽其水位高于3号煤层，但3号煤层与奥灰含水层相距130余米，中有本溪组等泥质岩隔水层相隔，一般不会对3号煤层开采造成影响。2 瓦斯地质煤田形成后，赋存在煤层中的瓦斯通过煤层、围岩的裂隙和断层向地表运动，而地表的空气及其他化学作用生成的气体由地表向煤层中运动，由此沿煤层的垂向一般会出现四个分带，即氮气-二氧化碳带、氮气带、氮气-甲烷带和甲烷带。各带的组分和含量见表1。表1 煤层瓦斯垂直分带组分、含量表瓦斯带名称CO2% m3/tN2% m3/tCH4% m3/t氮气-二氧化碳20-80 0.19-2.2420-80 0.15-1.420-10 0-0.16氮 气0-20 0-0.2780-100 0.22-1.860-20 0-0.22氮气-甲烷0-20 0-0.3920-80 0.25-1.7820-80 0.06-5.27甲 烷0-10 0-0.370-20 0-1.9380-100 0.61-10.5 2.1 勘探阶段矿井瓦斯地质据2002年6月补充勘探于1号钻孔采取3号煤层瓦斯样委托山西煤田地质研究所进行瓦斯含量试验，结果见表2。表2 1号钻孔3号煤层瓦斯含量及成分试验结果采样深度（m）CO2% m3/tN2% m3/tCH4% m3/t335.20-335.400.66 0.0267.13 3.6132.21 1.21335.40-335.600.37 0.0379.08 4.8520.56 1.84338.87-339.070.54 0.0556.85 3.0442.61 1.49平 均0.52 0.03367.69 3.8331.79 1.51 根据煤层瓦斯垂直分带组分、含量表可以看出,1号钻孔采取的煤样属氮气-二氧化碳带，初步认为我矿井3号煤层属低瓦斯煤层。2.2 矿井瓦斯涌出情况建井阶段及及试生产初期，一盘区由于开放性断层较发育,各采掘工作面瓦斯涌出量比较小，但是，二盘区掘进2203巷时，由于受李家河断层的影响，发生割煤时瓦斯浓度经常超过1%的现象。2203巷采用混合式通风方法供风，压入式为215KW对旋式风机，供风量达320m3/min左右，抽出式为18.5KW湿式除尘风机,排风量140m3/min左右。2004年5月15日夜班开始，每次割煤不到5分钟，工作面迎头瓦斯超过1%，监测系统将机组断电，实测工作面瓦斯浓度达到3%左右。工作面正前打探眼，在巷道距孔口100测得瓦斯浓度达0.5-2.5%，在孔眼内距孔口200测得瓦斯浓度达80-100%。3 影响矿井瓦斯涌出的地质因素3.1 地质构造是影响瓦斯存储最重要的条件之一，封闭性地质构造有利于封存瓦斯，开放型地质构造有利于排放瓦斯。3.1.1 褶曲构造闭合的和倾伏的背斜或穹窿，通常是储瓦斯构造。在瓦斯带内煤层的顶板为致密岩层而又未遭破坏时，瓦斯在背斜的轴部地点积聚和保存下来，形成所谓的“气顶”（见图1 A）。倾伏背斜的轴部地区比相同埋深的翼部的瓦斯含量高。但是当背斜轴的顶部因张力形成连通地表的裂隙时，背斜轴部的瓦斯就会流失掉。向斜构造会出现两种截然相反的情况：例如辽源煤田和抚顺龙风井田在其向斜轴部的相对瓦斯涌出量都比翼部小，从几何与煤岩透气性的观点来看，向斜轴部瓦斯补给区域缩小而地表瓦斯运移的通路扩散以及这些煤田向斜轴部裂隙较发育，煤层透气性较好，有利于轴部瓦斯的流失。但是也有许多矿井，向斜轴部的瓦斯含量比翼部增高，主要原因是这些矿井田在向斜轴部的顶部岩层受到的挤压应力比底部岩层强烈，强烈地挤压使顶部煤岩层的透气性变小，有利于封闭煤层生成的瓦斯，岩层弯曲受力方向如图1 F箭头所示。我矿在掘进2203巷到70米时，遇一向斜构造，且向斜轴部及两翼未发现有断层构造，说明向斜构造形成一封闭区域，不利于瓦斯的扩散。在实际生产中，实测在轴部瓦斯涌出量达1.6m3/min，探眼内瓦斯成分达100%，两翼瓦斯成分变小。表3为2203巷向斜构造瓦斯成分变化情况。表3 2203巷向斜构造瓦斯成分变化情况掘进位置 轴部 西 翼70m 60m 40m 20m 东 翼20m 40m 60m 70m瓦斯成分（%）100 56688694968862543.1.2 大型煤包、地垒、地堑构造形成煤层局部变厚的大型煤包（图1C、D、E），也会出现瓦斯含量增高现象。这是因为，煤包周围在构造应力作用下，煤层被压薄，形成对煤包的圈闭条件，使其生成的瓦斯难于排放。同理，由两条封闭性断层与致密岩层圈闭的地垒或地堑构造，也可能成为瓦斯含量增高区（见图1 G、H），特别是地垒，由于有深部补给瓦斯来源，瓦斯含量会明显增大。3.1.3 断裂构造断层对于煤层瓦斯含量的影响比较复杂。一方面要看断层（带）的封闭性，另一方面还要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性断层（一般是张性、张扭性或导水的压性断层等），不论其和地表是否直接相通，都会引起煤层瓦斯含量降低。当与煤层接触的对盘岩层透气性大时尤甚。如图2A、B所示。开放性断层密集的地方,瓦斯涌出量比较小。我矿一盘区在面积不到1.8平方公里范围内共揭露14条开放性断层，断层比较密集，掘进工作面瓦斯涌出量不足0.6m3/min。封闭性断层（压性、压扭性不导水断层），煤层对盘的岩层透气性低时，可以阻止瓦斯的排放。在这种条件下，当断层的规模大而且断距长时，由于煤层对盘岩层密封的机率一般较低，所以在断层处往往出现一定宽度的瓦斯含量降低区（见图2 C）。图2 D表示煤层被二条逆断层分割成三个段块瓦斯含量分布的不同情况，段块I上有露头直通地面，下无深部瓦斯补充来源，煤层瓦斯含量最低；段块II上下都被封闭断层圈闭，瓦斯含量居中；段块III上部被封闭断层圈闭，下部有深部煤层瓦斯来源补充，煤层瓦斯含量最高。据实际统计资料，各种类型断层带附近瓦斯涌出量均比较小；而稍远离断层，瓦斯涌出量剧增出现高峰区；离断层再远，瓦斯涌出量减至正常值。我矿2203巷在掘进过程中由于受李家河断层影响，瓦斯涌出量变化就符合以上规律。2203巷掘进至70 m时，工作面割煤时瓦斯开始超限，当时掘进位置垂直距离距李家河断层750m，当掘进至垂直距离距李家河断层600m时，工作面瓦斯涌出趋至正常；2203巷掘进到380m时，拐弯掘进回风横川，掘进至垂直距离距李家河断层625m时，工作面割煤时瓦斯又开始超限，当掘进至垂直距离距李家河断层780m时，工作面瓦斯涌出又趋至正常（2203巷、回风横川与李家河位置见图3）。从2203巷工作面瓦斯开始超限，直至回风横川掘进到400 m瓦斯涌出趋至正常，我队每班派专职瓦检员蹲点检查瓦斯，通过对跟班期间瓦斯数据整理分析，绘制出李家河断层对2203巷、回风横川瓦斯涌出量影响关系图（见图4）。3.2 煤层埋藏深度 煤层埋藏越深，封闭的条件越好，在现代开采深度以内，煤层的瓦斯含量随深度加深而增大。3.3 围岩性质对煤层瓦斯的影响煤系岩性组合及其上覆下伏岩层的透气性，对煤层瓦斯含量有很大影响。煤系内透气性低的岩层（泥岩、细碎屑岩、裂隙不发育的石灰岩等）越厚，占的比重越大，煤层的瓦斯含量越高。煤系下伏与上覆的岩层越致密，横向岩性变化越小越有利于煤层瓦斯的储存。我矿3号煤层直接顶板主要为砂岩，据取样分析，其内部裂隙较发育，有利于煤层瓦斯的逸散，但局部区域顶板为致密的砂质泥岩，容易造成瓦斯聚集。3.4 煤层的倾角大小对煤层的瓦斯含量也有影响。一般来讲，在相同的条件下，煤层倾角越小，其瓦斯含量越大。这是因为岩层的透气性一般比煤层低，瓦斯沿层运移的路程随倾角变小而增加的缘故。3.5 煤的变质程度对煤层瓦斯的影响煤的变质程度对瓦斯涌出量的影响，这是由于煤的变质程度不仅影响瓦斯生成量，而且对煤的结构、孔隙率和吸附性等存在明显的影响。从统计资料来看，瓦斯涌出量是随煤的变质程度的增加而有规律的增长。这是因为随着变质程度的增高，生成的瓦斯量也不断增大，煤中的微孔隙率和煤的比表面积增加。吸附瓦斯能力增强，瓦斯含量增加，在开采过程中瓦斯涌出量也就大。3.6 水文地质条件对矿井瓦斯的影响地下水活跃的地区，通常煤层的瓦斯含量较小，反之，煤层瓦斯含量高。我矿3号煤层顶板砂岩为其直接充水含水层，由于断层影响，含水层水比较活跃，有利于瓦斯逸散。4 结论（1）煤层与瓦斯属于共生异物构体，其分布受地质因素控制，要加大瓦斯地质研究工作的力度，做到超前预防。（2）建井初期仅对一个钻孔煤样化验，初步确定为低瓦斯矿井。二期扩建矿井扩大区无详细瓦斯资料，从开采情况看，井田范围内地质构造较多，且3号煤赋存深度200840米，局部煤层顶板由较致密的泥岩、砂质泥岩组成，有利于煤层瓦斯的积聚，为此需要进一步进行地质勘探工作。（3）开放性断层密集的地方，采掘过