鹤壁矿区地质构构造对煤与瓦斯突出的控制

鹤壁矿区地质构构造对煤与瓦斯突鹤壁矿区地质构构造对煤与瓦斯突 出的控制出的控制 鹤壁煤业 集团 公司所属 8 对生产矿井均为高瓦斯矿井 其 中南部 3 对矿井为煤与瓦斯突出矿井 自 1970 年六矿第一次出 煤与瓦斯突出以来 共发生包括突出 压出 倾出在内突出事 故 63 起 给安全生产和职工的生命安全造成严重威胁 为探索 突出规律及发生突出的主导因素 有效防治煤与瓦斯突出事故 本文着重从地质角度分析鹤壁矿区地质构造对煤与瓦斯突出的 控制作用 1 鹤壁矿区与瓦斯突出的基本情况 鹤壁矿区煤与瓦斯空出均发生在石门揭煤及煤巷掘进 基本情 况出表 1 表 1 石门揭煤煤巷掘进突出情况表 鹤壁矿区突出 压出 倾出 3 种类型的动力现象均发生过 其 中典型突出所占比例较大 约为 74 压力 倾力分别占 5 21 突出诱导因不以放炮为主 统计数据见表 2 表 2 不同作业突出比例 煤巷突出中托顶煤掘进煤巷所占比例较大 沿顶掘进煤巷所占 例较小 上山掘进煤巷所占比例较大 下山煤巷及近水平煤巷 所占比例较小 2 突出井矿区的区域构造背景 鹤壁矿区西依太行山新华夏系隆起带 东临华北平原新华夏系 沉降带 地质历史时期遭受燕山和喜山等多次构造运动 矿区 内主采煤层为二 1 煤 平均煤厚 8m 煤层直接顶为薄层状砂质 泥岩 老顶为细粒 中细粒砂岩 矿区整体为一单斜构造 区 内次一级构造复杂 以断层褶曲为主 矿区内 8 条规模较大的 倾伏向 背斜相间出现 多为北东向 矿区内还有为数不多的 次一级短轴褶曲及非对称形状的鞍状构造 受拉长断层影响失 去了完整的几何外形 矿区内断层均为高角度正断层 落差大 于 100 m 的 18 条 走向以北东向或北北东向为主 大断层两 盘往往发育多条阶梯状小断层 形成较宽的断层破碎带 除断 层外 在煤层及煤层顶底板中 x 共轭剪节理 裂隙也非常发育 造成煤岩破碎 矿区的控制性地质造为青羊口断层 为京广大断裂伴生断层 该断层走向长 100 多 km 最大落差达 1000m 北北向东向延伸 该断层与矿区最南部的十矿距离最近 在十矿深部穿过 向北 逐渐偏离矿区 矿区的一级断层造为贾家地堑和 f40 断层组 累计落差均在 200m 以上 将矿区分成相对独立的三部分 南 部为六矿 八矿 十矿 3 对矿井 中部为三矿 二矿 2 对矿井 北部为二矿 四矿 九矿 3 对矿井 在两级断层构造作用下 南部三对矿井与中部 北部相比瓦斯地质条件出现较大差异 1 井田内地质构造复杂程度明显不同 南部 3 对矿井井田内 断层相互切割穿插较多 北部 5 对矿井则较少 南部 3 对矿井 井田内 尤其是六矿井田内较多不同方向的褶曲相互交叉 形 成穹隆或构造盆地 北部 5 对矿井则较少 2 南部 3 对矿井煤层产状变化大 倾角明显变大 深部普遍 达 30 局部达 50 北部 5 对矿井煤倾角一般在 20 以下 煤层 倾角增大使自重应力成为煤与瓦斯突出的诱导因素 托顶煤上 山掘进时成其明显 十矿曾经发生的 9 25 3 19 4 10 3 次 突出事故都是顶煤冒落诱发造成的 3 南部 3 对矿区井井田内煤厚度变化大 薄煤带 厚煤带相 对较多 局部煤层厚度变化在 0 12m 之间 与平均煤厚 8m 相 比悬殊 煤厚变化带往往是严重突出危险带 3 地质构造对突出的控制作用 综合分析鹤壁矿区煤与瓦斯突出事故特点 基本是受地质构造 控制的 地质构造通过控制构造煤发育程度及发育范围 地应 力分布情况 瓦斯的赋存运移 控制煤与瓦斯突出 3 1 地质构造对煤物理力学性质的影响极其严重 主要通过构 造煤的发育程度及分布范围表现出来 与北部 5 对矿井相比 南部 3 对矿井构造煤的发育非常明显 非常普遍 观测表明 南部 3 对矿井在断层附近及向 背斜轴部 构造煤普遍发育 在非构造带由于南部 3 对矿井距离煤层底板 1 5m 2 0m 处的夹 矸厚度只有北部 5 对矿井的 0 3 0 5 倍 岩石力学强度严重降低 在较强烈的地质构造影响下 在煤层内部发生大面积的层滑构 造 这是一种煤层层位不发生错动 但煤层顶底板发生相对位 移的层间滑动构造 厚度较小的夹矸由于与上 下煤层的粘结 力弱常常发挥滑动面的作用 受层滑构造作用在煤层底部形成 普遍发育构造煤 采用四类构造煤分类法 在断层附近及向 背斜轴部整个煤层都是 类构造煤且发育基本都是 类构造煤 实测表明 各矿井 类煤 非构造煤 的煤强度基 本相同 坚固性系数为 0 41 0 55 实测表明 南部 3 对矿井的 类煤至 类煤的煤强度 值 差 别明显 见表 3 表 3 南部 3 对矿井的 值 构造煤的存在降低了煤强度 即降低了阻止突出发生的阻力 南部 3 对矿井非常明显 非常普遍的构造煤成为煤与瓦斯突出 的因素之一 3 2 地质构造对地应力的控制作用 地质历史时期的燕山和雪中喜山 2 次主要构造运动六矿井田叠 加 造成南部 3 对矿井地应力明显偏大 六矿地应力实测值表 明 重直应力为金尼克理论值的 1 05 1 78 倍 而水平应力为金 属尼克理论值的 2 69 4 76 倍 且分布很不均匀 应力实测值还 表明六矿井田煤系地层内存在较大剪应力 残余构造应力的存 在起到了激发突出的作用 极大地增加了煤与瓦斯突出的危险 性 计算结果表明 六矿井田内砖瓦向压缩状态煤体的弹性潜 能约为与瓦斯内能的 4 倍 是破碎煤体 激发突出的主要动力 为煤与瓦斯突出主要激发因素 构造应力还通过采掘活动形成的支承应力 造成应力的进一步 叠加 激发突出 六矿发生的 9 12 及 12 5 突出事故都是支承 应力作用结果 9 12 事故为 某工作面开采顶分层时的因处理 断层留下 20m 30m 下分层孤岛掘进行 15m 后 正处于孤岛中 部 发生了突出事故 突出煤量 85t 瓦斯量 1800m3 12 5 事故为 为改造某工作面上顺槽 在距原煤层底板上顺槽 2 5m 处并行补掘一条由底找板 2m 处 炮后发生了突出事故 突出煤量 140t 瓦斯量 2600m3 2 次事故的吨煤突出瓦斯量都 只是略高于吨煤瓦斯含量 与典型突出的吨煤瓦斯出量 吨煤 瓦斯含量的 5 9 倍 相比相差较多 因此突出动力主要是支承 应力 3 3 地质构造对瓦斯的控制作用 地质构造对瓦斯的控制作用主要表现在瓦斯含量 瓦斯压力 瓦斯放散速度等方面 各矿井实测瓦斯压力及吸附瓦斯含量见 表 4 表 4 各矿瓦斯压力 吸附瓦斯量测定表 实测结果显示 瓦斯压力与地质构造 煤层埋深关系密切 随 着埋深增加 瓦斯压力增大 南部 3 支矿井构造复杂 煤层透 气性差 瓦斯含量与埋深 煤质关系密切 随着埋深增加 瓦 斯含量增大 十矿煤层含水量较高 总体而言 鹤壁矿区现开 采水平瓦斯压力与瓦斯含量普遍高于发生突出的临界值 因此 控制瓦斯突出发生的是采掘活动中瓦斯放散速度 构造煤的发育程度决定着采掘过程中瓦斯放散初速度 实测的 瓦斯散初速度 p 见表 5 表 5 矿井瓦斯初速度与煤类型关系 实测数据表明 类构造煤的放散初速度为 类煤的 2 3 倍 构造煤受到采掘集中应力后破坏 变形 卸压 吸附瓦斯快速 解吸 形成大量的有强烈膨胀能的游离瓦斯 在集中应力的激 发下搬运 破碎煤体 促进煤与瓦斯突出的发生 发展 4 结语 1 鹤壁矿区内南部 3 对矿井发生煤与瓦斯突出 北部 5 对矿 井不发生 是区域地质构造控制作用的结果 地质构造通过对 构造煤 地应力及瓦斯的控制作用的结果 地质构造通过对构 造煤 地应力及瓦斯的控制 控制煤与瓦斯突出 在现开采水 平构造煤的发育程度及规模是发生煤与瓦斯突出的关键因素 2 构造煤发育部位是鹤壁矿区防突重点 需加强构造带