毛郢孜煤礦煤與瓦斯突出的構(gòu)造控制分析

1、試驗研究毛 郢 孜 煤 礦 煤 與 瓦 斯 突 出 的 構(gòu) 造 控 制 分 析史小衛(wèi) , 張玉貴 , 張子敏(河南理工大學 安全 科學與工程學院 , 河南 焦作 454003摘 要 :運用構(gòu)造逐級控制理論 , 分析了礦區(qū) 、 礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律 , 調(diào)研了毛郢孜煤礦低瓦斯涌出 量背景下煤與瓦斯突出的構(gòu)造控制因素 。 其所在的濉肖礦區(qū)受徐淮前陸褶皺沖斷帶的控制 , 地層隆 起抬升 , 缺失三疊系地層 , 瓦斯遭到風化剝蝕 , 以低瓦斯礦井為主 。 而其受構(gòu)造擠壓作用強烈 , 存 在著煤與瓦斯突出危險性 ; 火成巖以巖床形式侵入煤層頂板 , 熱變質(zhì)作用使煤層進一步生成瓦斯 , 并封閉在煤層中 ; 火

2、成巖對煤層擠壓揉皺形成構(gòu)造煤 , 同時構(gòu)造尖滅端應力集中 , 提供了足夠的瓦 斯熱力學能。關鍵詞 :煤與瓦斯突出 ; 瓦斯地質(zhì) ; 構(gòu)造演化 ; 逐級控制中圖分類號 :TD713 文獻標志碼 :A 文章編號 :0253-2336(200702-0055-03Str uctur e con tr ol ana lysis on coa l an d ga s outbur st i n M a oyi n gz iM i n e S H I Xiao 2wei, Z HANG Yu 2gui, ZHA NG Zi 2m in(School of S afety S cience and Eng

3、i neering, Henan P olytechn i c Un i versit y, J i aozuo 454003, China Ab stra ct:W ith the structure steady control theory, the paper analyzed t he gas geologi ca l law of the m ining bl ocks and m i ne . T he paper investigated the structura l control fac t ors of the coal and ga soutburst unde r

4、l ow gas em issi on quantity inM aoyingziM ine. The Sui xiao m in 2 i ng area is controlled by the land fold fault zone . The stra ta a re s we lling . The re is no Tria s syst em stra t a in the m ine . Gas had been weath 2 ered and cut . The m i nes in the area are lo w g a s m ines . Due t o hi g

5、hly co mpress ed by the structure s, the re a rea coal and gas outburst in potential, pyr ogenic rock are rushed i n t o the r oof a s the stra ta bed . The ther m al me tamorphous func ti on could m ake t he seam hav e more gas . In the c l osed sea m , the pyrogenic rock co mpressed and co mpacted

6、 the struc t ure coa l . The re is a stre ss concentrated a t the ti p of the struc ture, whi ch coul d provide t he inner ene rgy for the ga s .Key wor ds:coal and gas outburst ; gas g eol ogy; struc t ure ev oluti on; step by step control 瓦斯突出煤體是煤層中具有煤與瓦斯突出危險 性的煤體 , 同時具備著瓦斯突出危險性的固體和氣 體介質(zhì)條件 , 同時含有高

7、能瓦斯和嚴重破壞的構(gòu)造 煤分層 , 煤層瓦斯的賦存和構(gòu)造煤分層破壞程度及 其厚度分布均受構(gòu)造控制 1。 淮北煤田自石炭二疊紀聚煤作用之后經(jīng)歷了多 期次構(gòu)造運動 , 每期構(gòu)造運動對淮北煤田煤系地層 都產(chǎn)生一定的影響 。 構(gòu)造使得毛郢孜礦井地層受強 烈推擠隆起作用 , 缺失三疊系地層沉積 , 瓦斯遭到 大量風化成為低瓦斯礦井 , 主采石炭二疊系 3煤層 最大絕對瓦斯涌 出量為 419m 3/min, 最大 相對瓦 斯涌出量為 614m 3/t; 同時局部構(gòu)造擠壓復合部位 又存在煤與瓦斯突出危險性 , 2001年 2月 26日施 工 323聯(lián)絡巷時發(fā)生一次小型煤與瓦斯突出。根 據(jù)構(gòu)造逐級控制理論 ,

8、 本文分析了礦區(qū)、 井田構(gòu)造 演化歷史及其控制特征 , 剖析了毛郢孜煤礦煤與瓦 斯突出事故的構(gòu)造控制因素 。1 毛郢孜煤礦構(gòu)造控制特征111 濉肖礦區(qū)構(gòu)造特征 毛郢孜煤礦隸屬于皖北煤電集團公司 , 位于安 徽省肖縣以東 , 其所處的濉肖礦區(qū)位于淮北煤田的 北段 (圖 1 , 大地構(gòu)造位置處于華北板塊南緣的 東側(cè) 。 濉肖礦區(qū)受蚌埠隆起影響較小 2, 3, 主要受 徐淮前陸褶皺沖斷帶的控制 , 發(fā)生于印支早期 。 濉 肖礦區(qū)主體位于徐淮前陸褶皺沖斷帶的弧頂北翼閘 河向斜 , 地層走向主要為近南北向至北北東向 , 含 煤地層受隆起的作用 , 缺失三疊系地層 , 煤層瓦斯第 35卷第 2期 煤 炭

9、科 學 技 術 2007年 2月受到風化剝蝕作用 , 濉肖礦區(qū)主要以低瓦斯礦井為 主 。 燕山期 (205135Ma 受太平洋板塊向華北 板塊擠壓碰撞作用 , 形成一系列北北東向的褶皺斷 裂 2, 3, 同時發(fā)生大規(guī)模的巖漿侵入活動 , 燕山期 北北東向的擠壓活動再次疊加在北北東向構(gòu)造上。 四川期 (13552Ma 東西向構(gòu) 造再次受到南北 擠壓作用 , 使濉肖礦區(qū)構(gòu)造擠壓作用強烈 46。圖 1 淮北煤田構(gòu)造綱要112 毛郢孜井田構(gòu)造控制特征 毛郢孜井田因受印支期徐淮前陸褶皺沖斷帶強 烈推擠隆起 作用 , 井田內(nèi)基 巖全部為第四 系所覆 蓋 , 缺失三疊系地層 , 煤層中大量瓦斯得以釋放。 毛

10、郢孜井田內(nèi) -550m 運輸大巷測得煤層瓦斯壓力 0158MPa, 瓦斯壓力比較小 , 也說明了瓦斯被大量 釋放 。 燕山期北北東向構(gòu)造疊加在此基礎上 , 又由 于丁里巖體從西側(cè)的強烈推擠作用 , 并形成了北西 向展布的 DF1逆斷層 , 有利于構(gòu)造對瓦斯的封閉作 用 ; 該井田煤的變質(zhì)作用類型 , 早期以深成變質(zhì)作 用為主 , 處于低變質(zhì)階段的弱黏結(jié)煤 -氣煤階段。 伴隨著燕山期大規(guī)模的火成巖侵入 , 覆蓋在 3煤層 頂板上 , 使煤受熱力變質(zhì) , 炭化程度增高 , 煤質(zhì)牌 號從弱黏煤 、 氣煤升高到貧煤 、 無煙煤和天然焦 , 煤的變質(zhì)作用類型以熱變質(zhì)作用為主 , 處于高變質(zhì) 階段 , 進

11、一步生成瓦斯 , 同時對排放瓦斯通道起著 封閉作用 , 易于保存瓦斯 ; 四川期 (13552Ma 東西向構(gòu)造再次受到南北擠壓作用 4,6, 在孟莊井田形成了東西向 的 NF3逆 斷層 , 北 盤袁莊井 田抬 升 , 南部孟莊 、毛郢孜井田逆沖下滑 , 使得孟莊、 毛郢孜井田瓦斯保存好于袁莊井田 。因此 , 毛郢孜 井田構(gòu)造格局復雜 , 如圖 2、 圖 3所示。圖 2 毛郢孜煤礦構(gòu)造綱要圖 3 閘河向斜北部構(gòu)造綱要2 煤與瓦斯突出特征211 煤與瓦斯突出時間 、位置及通道空洞 2001年 2月 26日 , 在 323聯(lián)絡巷煤巷掘進 工作面 , 標高 -39718m , 垂深 43118m ,

12、該處為 火成巖侵入影響區(qū) , 煤層厚度發(fā)生變化 , 由 310m 變?yōu)?210m , 施工中 發(fā)生了一 次小型煤 與瓦斯 突 出 , 也是毛郢孜礦井發(fā)生的首次突出 。 突出點位置 如圖 4所示 , 距火成巖侵蝕邊緣線 12m , 突出通 道空洞位于工 作面的 中部 , 空洞內(nèi) 寬 216m 、高 214m 、 長 312m , 空洞的軸線與水平面之夾角為 50°, 如圖 5所示 。第 35卷第 2期 煤 炭 科 學 技 術 2007年 2月 212 煤與瓦斯突出強度 從距 323聯(lián)絡巷 煤巷 掘進 工作 面 17m 處 (圖 5、 圖 6 開始有突出煤 (巖 堆積 物 , 突出煤 (

13、巖 總量為 52t, 突出瓦斯量約為 2900m 3。堆積物坡角為 515°, 堆積煤 (巖 體 , 主要為粒度 011014m 的煤巖塊 , 其中 012m 大小的煤塊居多 。3 煤與瓦斯突出控制因素311 高能瓦斯 在整個構(gòu)造演化歷史上 , 東西向構(gòu)造經(jīng)歷了多 期次的擠壓和伸展拉張作用 , 而以擠壓為 主3, 5,圖 6 毛郢孜煤礦 3煤層 2采區(qū)煤與瓦斯突出位置剖面示意屬于封閉型構(gòu)造 , 毛郢孜井田內(nèi) 2采區(qū)的兩條小型近東西向的向斜和背斜 (圖 5 , 構(gòu)成了此區(qū)瓦 斯運移通道 , 形成了瓦斯自向斜軸部經(jīng)由傾覆端運 移至背斜軸部的運移趨勢 , 2采區(qū)內(nèi)瓦斯含量和 瓦斯涌出量較其

14、他地方要大 , 在后期回采過程中發(fā) 現(xiàn) 327工作面回采瓦斯涌出量是同水平 3210工 作面的 115219倍 , 同時 火成巖在 2采 區(qū)覆蓋 在煤層頂板上 , 加劇了煤的熱變質(zhì)作用 , 進一步生 成瓦斯 , 而且封閉了瓦斯通過頂板逸散的通道 , 這 為煤與瓦斯 突出 創(chuàng)造了前提 條件?；鸪蓭r 侵入使 2采區(qū)煤系地層處于不均衡的應力緊張狀態(tài) , 以 及近東西向的 小型背斜在 323工作面附近 尖滅 , 而構(gòu)造尖滅 端是構(gòu)造應力相 對集中的地帶 7。因 此 , 2采區(qū)是應力重新分布的集中帶 , 瓦斯壓力 亦隨之增加 , 有利于瓦斯動力現(xiàn)象的發(fā)生 。 312 煤體結(jié)構(gòu)破壞 毛郢孜井田在構(gòu)造演化歷

15、史上經(jīng)歷了強烈的構(gòu) 造推擠作用 , 同時火成巖侵入 3煤層頂板對煤層揉 搓粉碎 , 造成煤體結(jié)構(gòu)的破壞 , 形成 類以上構(gòu)造煤 , 普氏系數(shù) f 為 013, 這是發(fā)生煤與瓦斯突出的 必要條件 。4 結(jié) 論(1 毛郢孜 井田與所在 的濉肖礦區(qū) , 印支期 受到徐淮前陸褶皺沖斷帶和蚌埠隆起的擠壓剪切作 用 , 燕山期北北東向活動又 疊加到先期構(gòu) 造基礎 上 , 構(gòu)造格局復雜 , 是煤與瓦斯突出的條件之一 。(2 發(fā)生小型煤與瓦斯突出的 323聯(lián)絡巷掘 進工作面 , 位于向斜和背斜 形成的瓦斯運 移通道 里 , 加上火成巖以巖床形式侵入 3煤層頂板位置 , 瓦斯在熱變質(zhì)作用下進一步大量生成 , 同

16、時封閉瓦(下轉(zhuǎn)第 61頁 第 35卷第 2期 煤 炭 科 學 技 術 2007年 2月 圖 6 Z04孔 110m 處電磁輻射測試結(jié)果 回采工作面頂板運動 的電磁輻射現(xiàn)場 監(jiān)測表 明 , 電磁輻射信息可以監(jiān)測預報工作面頂板運動。 在工作面頂板相對穩(wěn)定階段 , 電磁輻射信號比較平 穩(wěn) 。 而工作面推進到頂板的斷裂步距時 , 在頂板端 部斷裂和應力轉(zhuǎn)移過程中 , 煤體的應力狀態(tài)發(fā)生急 劇的變化 , 煤體內(nèi)的電磁輻 射信號發(fā)生突變 。因 此 , 根據(jù)電磁輻射信號的變化可以推斷工作面頂板 運動狀態(tài)的發(fā)展 , 確定頂板端部斷裂的時間 。4 結(jié) 論 在煤巖的拉伸 、 剪切、壓縮過程中均有陣發(fā)性 的電磁輻射

17、信號和聲發(fā)射信號產(chǎn)生 , 但不同的條件 下和不同類型的煤巖電磁輻射信號及聲發(fā)射信號的 特性是有所差異。煤巖抗壓試驗的結(jié)果表明 , 應力 變化和電磁輻射信號呈很好的正相關性 , 隨著加載 時間的增加 , 電磁輻射信號隨之增強 , 在煤巖破壞 的瞬間 , 載荷達到最大值 , 即破壞載荷 , 電磁輻射 信號也最強 。 煤巖受載后快速卸載過程中的電磁輻 射脈沖數(shù)較少 , 頻率較低 , 這說明了電磁輻射特性 與加載速度 、 載荷強度有很大關系 , 加載速度及載 荷強度越高 , 產(chǎn)生電磁輻射 、聲發(fā)射的次 數(shù)越頻 繁 。 通過上述試驗及現(xiàn)場初步應用表明 , 電磁輻射 信號能夠很好地反映出煤巖受載破壞變形破

18、裂的情 況 , 該技術能夠很好地監(jiān)測工作面相對應力狀態(tài)的 動態(tài)變化情況 。 目前采用電磁輻射進行煤巖體的相 對應力狀態(tài)和頂板穩(wěn)定性僅進行了初步研究 , 要達 到實用化 , 還需要深入研究煤巖介質(zhì)破壞過程的電 磁輻射特征 規(guī)律 和現(xiàn)場各種 條件 , 如采礦 地質(zhì)因 素 、 開采方 法、地質(zhì)構(gòu)造等 對電磁輻射的 影響特 征 。參考文獻 :1 王恩元 , 何學秋 . 煤巖 變形 破裂 電磁 輻射 實 驗研 究 J .地球物理學報 , 2000(1 .2 聶百勝 . 含 瓦斯煤 巖力電 效應 及機 理的研 究 D.徐州 :中國礦業(yè)大學 , 2001.3 B ai -s heng Nie . Macro

19、 and M i cro -Mechan is m of Effect of E M E on C BM Ads o r p ti on i n Coal J .First M ine Envir onm ent and Ventilati on S ymposium, 2000(10.4 徐為民 , 童蕪生 , 吳 培稚 . 巖 石破裂 過程中 電磁輻 射的實 驗研究 J .地球物理學報 , 1985(2 .5 朱元清 , 羅祥麟 , 郭自 強 , 等 . 巖石 破裂 時電 磁輻 射的機 理研究 J .地球物理學報 , 1991(5.6 王恩元 , 何學秋 , 劉貞 堂 , 等 . 煤巖 動力 災害 電磁 輻射監(jiān) 測儀及其應用 J .煤炭學報 , 2003(4 . 作者簡介 :聶百 勝 (1973- , 男 , 山西 運城人 , 副教授 , 現(xiàn) 在中國礦業(yè)大學 (北 京 從事礦山 安全 、 安 全監(jiān)測 監(jiān)控方 面的教 學和科研工作。收稿日期 :2006-10-09; 責任編輯 :朱拴成(上接第 57頁 斯向上逸散通道 , 瓦斯儲量豐富 , 為煤與瓦斯突出 創(chuàng)造了基礎條件 ; 火成巖侵入積蓄彈性潛能和構(gòu)造 尖滅端構(gòu)造應力重新分布 , 為煤與瓦斯突出提供瓦 斯內(nèi)能 , 增加了突出危險性 。(3 構(gòu)造推 擠強烈