陕西柳河县李子垭北井区煤与瓦斯突出的构造控制

陕西柳河县李子垭北井区煤与瓦斯突出的构造控制

煤炭和砖瓦突出是矿山生产过程中发生的一种自然灾害，也是影响矿山安全生产的一个严重问题。多数人认为,突出是瓦斯、地应力和煤体结构3个因素综合作用的结果,而这3个因素又受地质构造所控制。因此,研究李子垭北井的瓦斯地质特征,结合李子垭北井的煤与瓦斯突出实例,分析该矿煤与瓦斯突出的一般规律及其影响因素,找出影响和控制该矿煤与瓦斯突出的主要控制因素,对煤与瓦斯突出防治和安全生产管理都有着重要的指导意义。1结构评价特征1.1南北方向斜阔、南西展布的至北北缘诸草坡李子垭北井所在的华蓥山矿区位于川东弧形褶皱带西缘,华蓥山复式背斜中段和中山背斜南段。川东弧形褶皱带西起华蓥山大断裂,东止七曜山背斜。为一系列向斜开阔,背斜狭窄的梳状褶皱,构造线都呈北东一南西展布,排列整齐。其向北延伸因受北西向的大巴山弧形构造限制逐渐转为东西向,向西南则呈帚状撒开,过渡为短轴背斜,于东南部因受川黔南北向构造的归并,构造线逐渐转为南北向。这一构造带孕育于燕山期,定型于喜山早期。华蓥山矿区位于该弧形褶皱带的西侧中部,主体构造为NNE、NE向断裂褶皱,其次为NW-SE向,矿区总体为近南北向长条状展布,以断裂构造为主,见图1。1.2地层构造复杂地质李子垭井田地处华蓥山复式背斜南段,是该区最为复杂的地段,受燕山早、中期强烈构造挤压剪切作用,煤层发生强烈地变形破坏,井田被两个紧闭褶皱构造控制,并在多个高角度断层的影响下,形成了西翼构造复杂,东翼构造相对简单的总体构造形态。李子垭北井位于李子垭井田东北部,属于严重的煤与瓦斯突出矿井。2煤炭和砖瓦的突出特征2.1大型煤与瓦斯突出李子垭北井煤与瓦斯突出比较频繁,1983年3月至今,井田共发生煤与瓦斯突出76次。李子垭北井平均突出强度16.9t/次,平均突出瓦斯量1600m3。1996年3月4日在北四回风石门2#回风上山放炮揭煤过程中发生一次次大型煤与瓦斯突出,突出煤量220t,突出瓦斯量1468m3。依据该矿发生的多次突出记录卡片及相关的瓦斯地质资料,整理分析,得出了李子垭北井煤与瓦斯突出的一般特征。(1)大型突出类型按突出煤量将突出分为5种强度类型:①小型突出,突出煤量<50t/次;②中型突出,突出煤量50～<100t/次;③次大型突出,突出煤量100～<500t/次;④大型突出,突出煤量500～<1000t/次;⑤特大型突出,突出煤量≥1000t/次。按上述划分标准,李子垭北井发生小型突出72次,占突出总数的94.8%;中型突出2次,占2.6%;次大型突出2次,占2.6%。(2)它主要基于倾斜和压力97.4%，强调额外的支持在李子垭北井所发生的76次突出中,倾出48次,占63.2%;压出26次,占34.2%;典型突出2次,占突出总数的2.6%。(3)上分层掘进,平巷掘进通过对李子垭北井突出地点的统计,绝大部分突出发生在煤层上山掘进,突出42次,占突出总数的55.3%;平巷掘进21次,占27.6%;回采10次,占13.2%;石门3次,占3.9%。(4)直接埋深相对较浅,标准深度相对较浅,出现埋李子垭北井始突深度370m,在采深300～450m区域,由于埋藏深度相对较浅,发生2次突出,突出强度不大,8t/次;在采深500～550m区域,突出74次,平均突出强度17.1t/次,最大突出强度220t/次。(5)揭露断层时分布统计资料结果显示,掘进过程中在断层附近及揭露断层时突出37次,占突出总数48.7%。断层附近地应力集中带极易发生突出,如F190和F35断层,在其两侧突出多次。(6)放炮作业诱导的突出煤与瓦斯突出从李子垭北井76次有明确作业方式记录的突出实例中,由放炮、支护、落煤、打钻、装矸出渣等作业方式诱导的突出占总突出次数的98%,其中落煤与放炮作业诱导的突出分别为32次和23次,计55次突出,占总突出次数的72.4%,无作业突出仅占2%。因此,煤与瓦斯突出除应力、瓦斯、煤质3个本质要素外,采掘作业是一种诱导因素。在各种作业方式中,放炮突出强度最大为220t,其次为风镐作业,为60t;在各种作业方式中,放炮最易诱导煤与瓦斯突出。2.2突出的特点(1)突出点密度特征煤与瓦斯突出点的分布是不均匀的,集中分布在某些地质构造区、应力集中带和断层带附近,呈区域性、带状分布。李子垭北井的突出很大程度上受地质构造的控制,突出点均分布在地质构造区,在褶皱和高角度正断层的影响下,形成地应力集中和煤体强破碎带,突出点多分布在这些区带,具有明显的分区分带特征。在急倾斜或急倾斜与缓倾斜结合部附近,突出点密度较大,共突出48次,占全矿总突出次数的63.2%,但突出强度不大,一般为3～30t左右,最大强度60t。K2112煤层缓斜地带(锅底带)范围内,突出次数较少,共发生28次,占全矿总突出次数36.8%,最大突出强度220t(石门揭煤),一般突出强度4～22t,平均10.7t,其突出点多位于急缓结合部、断层、煤层倾角产状赋存急剧变化带附近及K1111和K2112煤层合层等地带。(2)日-30日煤山地突出情况局部地段掘进过程中,突出时间间隔短、发生频度高。如1986年10月16日-30日5205区二段煤上山期间共发生突出7次,平均2d发生一次突出;在1983年4月10日-30日急斜5202采区煤上山期间发生突出5次。这些突出都具有突出点间距近、时间间隔短和突出强度小等特点。(3)断层走向发生的地质意义李子垭北井的突出分布在正断层部位多(占突出总数的61.54%);从突出点在断层的上下盘分布看,上盘占突出总数的42.68%,下盘占突出总数的41.46%。就断层的走向而言,突出主要发生在斜交断层中,其次是倾向断层。一方面,井田所处的地质构造中是复式背斜的倾没端,次生的小断层以斜交或倾向断层为多;另一方面,掘进巷道的走向一般是与煤层的走向一致,巷道揭露走向断层时,先与断层的两端(尾部)的尖端接触,一般来讲,这些部位煤(岩)层受破坏的程度低;而巷道与斜交或倾向断层接触时,则多数是与断层直交或斜交,相交点就会是断层的中部,这些部位的煤(岩)遭受的破坏程度较大,故发生突出的可能性就大。3在煤炭和砖瓦突出因素的分析中3.1突出的影响因素3.1.1李克氏向斜西翼的急倾、东翼宽缓、核部狭窄、煤体突出李子垭北井田内发育有李子垭向斜和龙王洞背斜,附属于华蓥山复向斜的次级构造。其中,李子垭向斜为紧闭型褶皱构造,龙王洞背斜为一不对称背斜,浅部东缓西陡,深部东陡西缓,轴部狭窄。井田中部的李子垭向斜西翼急倾、东翼宽缓,核部宽缓上凸形成一个次级背斜,向斜两翼与背斜过渡的转折端为两个次级向斜。影响到井田一半以上范围。在长期地质演化过程中,李子垭向斜西翼区域地应力相对集中,加之局部小断层的影响,使得煤体强烈破坏,瓦斯不易释放,煤与瓦斯突出主要发生在该向斜的西翼和向斜轴线附近端的复合部位。由于东翼构造相对简单,煤层倾角小,且受次级背、向斜和NE向伴生小断层的影响,释放了部分瓦斯,使得煤与瓦斯突出没有西翼严重。3.1.2井田内煤与瓦斯突出李子垭北井田内的断层对煤与瓦斯突出起控制作用,突出点分布特征与断层分布和断层带应力状态相对应。断层带及其影响区域应力值相对较高,应力状态也会发生显著变化,不但应力值显著增加,而且主应力的作用方向也有明显的变化。井田内断层主要以高角度、斜交正断层为主,有NE-NNE、NW-NNW和近EW向3组,其中NE-NNE向为主。井田内NNE向构造现代构造应力场表现为压扭作用,挤压应力产生的压扭性使断裂与裂隙一般闭合程度高,围岩及煤层变的更加致密,地应力相对更加集中,煤体挤压剪切破坏严重,煤层瓦斯不易释放,常常导致在断层附近极易发生煤与瓦斯突出。采掘过程中,工作面前方煤(岩)体接近断层时,正断层附近煤(岩)体在支承压力作用下被压碎,煤(岩)体中裂隙的发育程度随距断层面距离的变小而增强,越靠近断层煤(岩)体力学强度越低,裂隙的力学性质向断层面方向由张性向张扭、压扭性再到张性转化。李子垭北井突出多发生在正断层附近,占突出总数的89%。井田内落差<10m的小型断层附近及其尖灭端易发生突出,对煤与瓦斯突出有着控制作用,但突出频率不大,如F190、F35、F195、F170等断层,落差虽小,但在其两侧均发生过几次突出。说明断层,尤其是压扭性正断层对李子垭北井煤与瓦斯突出起着重要控制作用。3.1.3砂岩泥岩的组成李子垭北井K1煤层位于龙潭组下部,直接顶板一般为深灰色砂质泥岩,少数为泥岩或粉砂岩;直接底板一般为深灰色泥岩,间夹薄层炭质泥岩及煤线。煤层顶底板都覆有泥岩,透气性差,煤层瓦斯不易逸散,能够为煤与瓦斯突出创造基础条件。3.1.4李桥北井中煤与瓦斯突出地层的特征分析构造煤具有低强度、低透气性、高吸附性和高解吸性,是煤层在构造应力作用下发生破碎甚至强烈的韧塑性变形和流变迁移的产物,是煤层经受挤压、剪切作用的结果。研究表明,所有发生煤与瓦斯突出的煤层都发育有一定厚度的构造煤。李子垭北井地质构造复杂,煤层受到强烈的挤压和剪切变形,煤体破坏严重,Ⅲ、Ⅳ类构造煤普遍发育,厚度0.1～0.5m,局部成层发育。根据李子垭北井发生的多次煤与瓦斯突出经验,认为工作面的软分层厚度<0.1m时,没有突出危险性,0.1～0.3m时有一般突出危险,>0.3m时有严重突出危险。由此可见,构造煤的发育程度对煤与瓦斯突出也起着着重要的控制作用。3.2煤体力学特性李子垭北井田经历构造改造作用,区内断层表现为挤压、压扭性,断层带及影响区地应力比较集中,应力性质和应力状态常发生变化,是导致突出的重要因素。此类应力会使断裂与裂隙闭合程度高,且会使煤体挤压剪切严重破坏,并形成构造软煤,为突出创造必要条件,还有助于高压瓦斯聚积。因此可以说,李子垭北井断层构造控制了发生煤与瓦斯突出的条件(瓦斯、软分层,地应力),也控制着煤与瓦斯突出的发生规律,是该矿突出的主要控制因素。4子克氏原螯虾煤与瓦斯突出特征(1)华蓥山在大地构造上属上扬子地台的川中台坳川东褶皱带中部的华蓥山弧形褶皱带。燕山运动使这一地带发生强烈的褶皱和断裂,从而成为四川盆地东部褶皱带。华蓥山矿区位于该弧形褶皱带的西侧中部,主体构造为NNE、NE向断裂褶皱,其次为NW-SE向,矿区总体为近南北向长条状展布,以断裂构造为主。李子垭北井田经历次构造改造,煤层强烈变形破坏,构造应力集中,属构造复杂地段,煤与瓦斯突出严重。(2)对李子垭北井76次煤与瓦斯突出实例进行分析研究,发现该矿突出具有以中小型倾出和压出为主、突出为辅、突