陜西柳河縣李子埡北井區(qū)煤與瓦斯突出的構(gòu)造控制

陜西柳河縣李子埡北井區(qū)煤與瓦斯突出的構(gòu)造控制

煤炭和磚瓦突出是礦山生產(chǎn)過程中發(fā)生的一種自然災(zāi)害，也是影響礦山安全生產(chǎn)的一個(gè)嚴(yán)重問題。多數(shù)人認(rèn)為,突出是瓦斯、地應(yīng)力和煤體結(jié)構(gòu)3個(gè)因素綜合作用的結(jié)果,而這3個(gè)因素又受地質(zhì)構(gòu)造所控制。因此,研究李子埡北井的瓦斯地質(zhì)特征,結(jié)合李子埡北井的煤與瓦斯突出實(shí)例,分析該礦煤與瓦斯突出的一般規(guī)律及其影響因素,找出影響和控制該礦煤與瓦斯突出的主要控制因素,對(duì)煤與瓦斯突出防治和安全生產(chǎn)管理都有著重要的指導(dǎo)意義。1結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)特征1.1南北方向斜闊、南西展布的至北北緣諸草坡李子埡北井所在的華鎣山礦區(qū)位于川東弧形褶皺帶西緣,華鎣山復(fù)式背斜中段和中山背斜南段。川東弧形褶皺帶西起華鎣山大斷裂,東止七曜山背斜。為一系列向斜開闊,背斜狹窄的梳狀褶皺,構(gòu)造線都呈北東一南西展布,排列整齊。其向北延伸因受北西向的大巴山弧形構(gòu)造限制逐漸轉(zhuǎn)為東西向,向西南則呈帚狀撒開,過渡為短軸背斜,于東南部因受川黔南北向構(gòu)造的歸并,構(gòu)造線逐漸轉(zhuǎn)為南北向。這一構(gòu)造帶孕育于燕山期,定型于喜山早期。華鎣山礦區(qū)位于該弧形褶皺帶的西側(cè)中部,主體構(gòu)造為NNE、NE向斷裂褶皺,其次為NW-SE向,礦區(qū)總體為近南北向長條狀展布,以斷裂構(gòu)造為主,見圖1。1.2地層構(gòu)造復(fù)雜地質(zhì)李子埡井田地處華鎣山復(fù)式背斜南段,是該區(qū)最為復(fù)雜的地段,受燕山早、中期強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓剪切作用,煤層發(fā)生強(qiáng)烈地變形破壞,井田被兩個(gè)緊閉褶皺構(gòu)造控制,并在多個(gè)高角度斷層的影響下,形成了西翼構(gòu)造復(fù)雜,東翼構(gòu)造相對(duì)簡單的總體構(gòu)造形態(tài)。李子埡北井位于李子埡井田東北部,屬于嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦井。2煤炭和磚瓦的突出特征2.1大型煤與瓦斯突出李子埡北井煤與瓦斯突出比較頻繁,1983年3月至今,井田共發(fā)生煤與瓦斯突出76次。李子埡北井平均突出強(qiáng)度16.9t/次,平均突出瓦斯量1600m3。1996年3月4日在北四回風(fēng)石門2#回風(fēng)上山放炮揭煤過程中發(fā)生一次次大型煤與瓦斯突出,突出煤量220t,突出瓦斯量1468m3。依據(jù)該礦發(fā)生的多次突出記錄卡片及相關(guān)的瓦斯地質(zhì)資料,整理分析,得出了李子埡北井煤與瓦斯突出的一般特征。(1)大型突出類型按突出煤量將突出分為5種強(qiáng)度類型: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。按上述劃分標(biāo)準(zhǔn),李子埡北井發(fā)生小型突出72次,占突出總數(shù)的94.8%;中型突出2次,占2.6%;次大型突出2次,占2.6%。(2)它主要基于傾斜和壓力97.4%，強(qiáng)調(diào)額外的支持在李子埡北井所發(fā)生的76次突出中,傾出48次,占63.2%;壓出26次,占34.2%;典型突出2次,占突出總數(shù)的2.6%。(3)上分層掘進(jìn),平巷掘進(jìn)通過對(duì)李子埡北井突出地點(diǎn)的統(tǒng)計(jì),絕大部分突出發(fā)生在煤層上山掘進(jìn),突出42次,占突出總數(shù)的55.3%;平巷掘進(jìn)21次,占27.6%;回采10次,占13.2%;石門3次,占3.9%。(4)直接埋深相對(duì)較淺,標(biāo)準(zhǔn)深度相對(duì)較淺,出現(xiàn)埋李子埡北井始突深度370m,在采深300～450m區(qū)域,由于埋藏深度相對(duì)較淺,發(fā)生2次突出,突出強(qiáng)度不大,8t/次;在采深500～550m區(qū)域,突出74次,平均突出強(qiáng)度17.1t/次,最大突出強(qiáng)度220t/次。(5)揭露斷層時(shí)分布統(tǒng)計(jì)資料結(jié)果顯示,掘進(jìn)過程中在斷層附近及揭露斷層時(shí)突出37次,占突出總數(shù)48.7%。斷層附近地應(yīng)力集中帶極易發(fā)生突出,如F190和F35斷層,在其兩側(cè)突出多次。(6)放炮作業(yè)誘導(dǎo)的突出煤與瓦斯突出從李子埡北井76次有明確作業(yè)方式記錄的突出實(shí)例中,由放炮、支護(hù)、落煤、打鉆、裝矸出渣等作業(yè)方式誘導(dǎo)的突出占總突出次數(shù)的98%,其中落煤與放炮作業(yè)誘導(dǎo)的突出分別為32次和23次,計(jì)55次突出,占總突出次數(shù)的72.4%,無作業(yè)突出僅占2%。因此,煤與瓦斯突出除應(yīng)力、瓦斯、煤質(zhì)3個(gè)本質(zhì)要素外,采掘作業(yè)是一種誘導(dǎo)因素。在各種作業(yè)方式中,放炮突出強(qiáng)度最大為220t,其次為風(fēng)鎬作業(yè),為60t;在各種作業(yè)方式中,放炮最易誘導(dǎo)煤與瓦斯突出。2.2突出的特點(diǎn)(1)突出點(diǎn)密度特征煤與瓦斯突出點(diǎn)的分布是不均勻的,集中分布在某些地質(zhì)構(gòu)造區(qū)、應(yīng)力集中帶和斷層帶附近,呈區(qū)域性、帶狀分布。李子埡北井的突出很大程度上受地質(zhì)構(gòu)造的控制,突出點(diǎn)均分布在地質(zhì)構(gòu)造區(qū),在褶皺和高角度正斷層的影響下,形成地應(yīng)力集中和煤體強(qiáng)破碎帶,突出點(diǎn)多分布在這些區(qū)帶,具有明顯的分區(qū)分帶特征。在急傾斜或急傾斜與緩傾斜結(jié)合部附近,突出點(diǎn)密度較大,共突出48次,占全礦總突出次數(shù)的63.2%,但突出強(qiáng)度不大,一般為3～30t左右,最大強(qiáng)度60t。K2112煤層緩斜地帶(鍋底帶)范圍內(nèi),突出次數(shù)較少,共發(fā)生28次,占全礦總突出次數(shù)36.8%,最大突出強(qiáng)度220t(石門揭煤),一般突出強(qiáng)度4～22t,平均10.7t,其突出點(diǎn)多位于急緩結(jié)合部、斷層、煤層傾角產(chǎn)狀賦存急劇變化帶附近及K1111和K2112煤層合層等地帶。(2)日-30日煤山地突出情況局部地段掘進(jìn)過程中,突出時(shí)間間隔短、發(fā)生頻度高。如1986年10月16日-30日5205區(qū)二段煤上山期間共發(fā)生突出7次,平均2d發(fā)生一次突出;在1983年4月10日-30日急斜5202采區(qū)煤上山期間發(fā)生突出5次。這些突出都具有突出點(diǎn)間距近、時(shí)間間隔短和突出強(qiáng)度小等特點(diǎn)。(3)斷層走向發(fā)生的地質(zhì)意義李子埡北井的突出分布在正斷層部位多(占突出總數(shù)的61.54%);從突出點(diǎn)在斷層的上下盤分布看,上盤占突出總數(shù)的42.68%,下盤占突出總數(shù)的41.46%。就斷層的走向而言,突出主要發(fā)生在斜交斷層中,其次是傾向斷層。一方面,井田所處的地質(zhì)構(gòu)造中是復(fù)式背斜的傾沒端,次生的小斷層以斜交或傾向斷層為多;另一方面,掘進(jìn)巷道的走向一般是與煤層的走向一致,巷道揭露走向斷層時(shí),先與斷層的兩端(尾部)的尖端接觸,一般來講,這些部位煤(巖)層受破壞的程度低;而巷道與斜交或傾向斷層接觸時(shí),則多數(shù)是與斷層直交或斜交,相交點(diǎn)就會(huì)是斷層的中部,這些部位的煤(巖)遭受的破壞程度較大,故發(fā)生突出的可能性就大。3在煤炭和磚瓦突出因素的分析中3.1突出的影響因素3.1.1李克氏向斜西翼的急傾、東翼寬緩、核部狹窄、煤體突出李子埡北井田內(nèi)發(fā)育有李子埡向斜和龍王洞背斜,附屬于華鎣山復(fù)向斜的次級(jí)構(gòu)造。其中,李子埡向斜為緊閉型褶皺構(gòu)造,龍王洞背斜為一不對(duì)稱背斜,淺部東緩西陡,深部東陡西緩,軸部狹窄。井田中部的李子埡向斜西翼急傾、東翼寬緩,核部寬緩上凸形成一個(gè)次級(jí)背斜,向斜兩翼與背斜過渡的轉(zhuǎn)折端為兩個(gè)次級(jí)向斜。影響到井田一半以上范圍。在長期地質(zhì)演化過程中,李子埡向斜西翼區(qū)域地應(yīng)力相對(duì)集中,加之局部小斷層的影響,使得煤體強(qiáng)烈破壞,瓦斯不易釋放,煤與瓦斯突出主要發(fā)生在該向斜的西翼和向斜軸線附近端的復(fù)合部位。由于東翼構(gòu)造相對(duì)簡單,煤層傾角小,且受次級(jí)背、向斜和NE向伴生小斷層的影響,釋放了部分瓦斯,使得煤與瓦斯突出沒有西翼嚴(yán)重。3.1.2井田內(nèi)煤與瓦斯突出李子埡北井田內(nèi)的斷層對(duì)煤與瓦斯突出起控制作用,突出點(diǎn)分布特征與斷層分布和斷層帶應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。斷層帶及其影響區(qū)域應(yīng)力值相對(duì)較高,應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)發(fā)生顯著變化,不但應(yīng)力值顯著增加,而且主應(yīng)力的作用方向也有明顯的變化。井田內(nèi)斷層主要以高角度、斜交正斷層為主,有NE-NNE、NW-NNW和近EW向3組,其中NE-NNE向?yàn)橹鳌＞飪?nèi)NNE向構(gòu)造現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為壓扭作用,擠壓應(yīng)力產(chǎn)生的壓扭性使斷裂與裂隙一般閉合程度高,圍巖及煤層變的更加致密,地應(yīng)力相對(duì)更加集中,煤體擠壓剪切破壞嚴(yán)重,煤層瓦斯不易釋放,常常導(dǎo)致在斷層附近極易發(fā)生煤與瓦斯突出。采掘過程中,工作面前方煤(巖)體接近斷層時(shí),正斷層附近煤(巖)體在支承壓力作用下被壓碎,煤(巖)體中裂隙的發(fā)育程度隨距斷層面距離的變小而增強(qiáng),越靠近斷層煤(巖)體力學(xué)強(qiáng)度越低,裂隙的力學(xué)性質(zhì)向斷層面方向由張性向張扭、壓扭性再到張性轉(zhuǎn)化。李子埡北井突出多發(fā)生在正斷層附近,占突出總數(shù)的89%。井田內(nèi)落差<10m的小型斷層附近及其尖滅端易發(fā)生突出,對(duì)煤與瓦斯突出有著控制作用,但突出頻率不大,如F190、F35、F195、F170等斷層,落差雖小,但在其兩側(cè)均發(fā)生過幾次突出。說明斷層,尤其是壓扭性正斷層對(duì)李子埡北井煤與瓦斯突出起著重要控制作用。3.1.3砂巖泥巖的組成李子埡北井K1煤層位于龍?zhí)督M下部,直接頂板一般為深灰色砂質(zhì)泥巖,少數(shù)為泥巖或粉砂巖;直接底板一般為深灰色泥巖,間夾薄層炭質(zhì)泥巖及煤線。煤層頂?shù)装宥几灿心鄮r,透氣性差,煤層瓦斯不易逸散,能夠?yàn)槊号c瓦斯突出創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。3.1.4李橋北井中煤與瓦斯突出地層的特征分析構(gòu)造煤具有低強(qiáng)度、低透氣性、高吸附性和高解吸性,是煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破碎甚至強(qiáng)烈的韌塑性變形和流變遷移的產(chǎn)物,是煤層經(jīng)受擠壓、剪切作用的結(jié)果。研究表明,所有發(fā)生煤與瓦斯突出的煤層都發(fā)育有一定厚度的構(gòu)造煤。李子埡北井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤層受到強(qiáng)烈的擠壓和剪切變形,煤體破壞嚴(yán)重,Ⅲ、Ⅳ類構(gòu)造煤普遍發(fā)育,厚度0.1～0.5m,局部成層發(fā)育。根據(jù)李子埡北井發(fā)生的多次煤與瓦斯突出經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為工作面的軟分層厚度<0.1m時(shí),沒有突出危險(xiǎn)性,0.1～0.3m時(shí)有一般突出危險(xiǎn),>0.3m時(shí)有嚴(yán)重突出危險(xiǎn)。由此可見,構(gòu)造煤的發(fā)育程度對(duì)煤與瓦斯突出也起著著重要的控制作用。3.2煤體力學(xué)特性李子埡北井田經(jīng)歷構(gòu)造改造作用,區(qū)內(nèi)斷層表現(xiàn)為擠壓、壓扭性,斷層帶及影響區(qū)地應(yīng)力比較集中,應(yīng)力性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)常發(fā)生變化,是導(dǎo)致突出的重要因素。此類應(yīng)力會(huì)使斷裂與裂隙閉合程度高,且會(huì)使煤體擠壓剪切嚴(yán)重破壞,并形成構(gòu)造軟煤,為突出創(chuàng)造必要條件,還有助于高壓瓦斯聚積。因此可以說,李子埡北井?dāng)鄬訕?gòu)造控制了發(fā)生煤與瓦斯突出的條件(瓦斯、軟分層,地應(yīng)力),也控制著煤與瓦斯突出的發(fā)生規(guī)律,是該礦突出的主要控制因素。4子克氏原螯蝦煤與瓦斯突出特征(1)華鎣山在大地構(gòu)造上屬上揚(yáng)子地臺(tái)的川中臺(tái)坳川東褶皺帶中部的華鎣山弧形褶皺帶。燕山運(yùn)動(dòng)使這一地帶發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺和斷裂,從而成為四川盆地東部褶皺帶。華鎣山礦區(qū)位于該弧形褶皺帶的西側(cè)中部,主體構(gòu)造為NNE、NE向斷裂褶皺,其次為NW-SE向,礦區(qū)總體為近南北向長條狀展布,以斷裂構(gòu)造為主。李子埡北井田經(jīng)歷次構(gòu)造改造,煤層強(qiáng)烈變形破壞,構(gòu)造應(yīng)力集中,屬構(gòu)造復(fù)雜地段,煤與瓦斯突出嚴(yán)重。(2)對(duì)李子埡北井76次煤與瓦斯突出實(shí)例進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)該礦突出具有以中小型傾出和壓出為主、突出為輔、突