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淺析烏蘭井田下二疊統(tǒng)三層煤瓦斯地質(zhì)特征
論文關(guān)鍵詞:瓦斯地質(zhì)特征 瓦斯涌出量 突出預(yù)測(cè) 災(zāi)害治理
論文摘要:根據(jù)構(gòu)造與煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征，將烏蘭井田三層煤區(qū)分為4個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。在瓦斯含量、瓦斯壓力、f值、△P等參數(shù)測(cè)試和瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)各瓦斯地質(zhì)單元的瓦斯地質(zhì)特征進(jìn)行了論述。
烏蘭井田地處內(nèi)蒙境內(nèi)，隸屬寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，下二疊統(tǒng)三層煤為井田范圍內(nèi)唯一的特厚煤層，厚度0.11一23.53m，平均9.22m，整個(gè)井田范圍內(nèi)具有南厚北薄、淺部厚深部薄的特點(diǎn)，是烏蘭礦的主采煤層。三層煤煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2一18層夾研，一般5一10層;上部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，距離頂板0.1-1.Om左右有一層相對(duì)穩(wěn)定的高嶺石夾研，厚度在0.5一0.gm左右。三層煤上部灰分含量在30%左右，下部在20%左右，平均灰分24.49%。6勘探線以南為焦煤(JM)，其中標(biāo)高+135om以上6一11線為l/3焦煤(l/3JM)，3一6線為氣煤(QM)，3勘探線以西+1350以下為肥煤(FM)。焦煤約占40%左右。
在進(jìn)行淺部開(kāi)采時(shí)，瓦斯涌出量較小，但隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是目前正在開(kāi)采的南2采區(qū)，瓦斯問(wèn)題嚴(yán)重制約著生產(chǎn)安全和進(jìn)度。本文系統(tǒng)探討了三層煤的瓦斯地質(zhì)特征，旨在為瓦斯災(zāi)害治理提供參考依據(jù)。
瓦斯地質(zhì)特征
1.1構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)
呼魯斯泰向斜的西北翼邊界發(fā)育一組逆斷層，以呼魯斯泰逆斷層(Fh)為代表。井田內(nèi)發(fā)育一組NW-SE向的正斷層，如F73、F;等;以及與之共生的正斷層，如F7。等(圖l)。由這些斷層的產(chǎn)狀以及小斷層走向玫瑰花圖可知，烏蘭井田經(jīng)歷了兩期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用。第一期為近SN向的擠壓應(yīng)力，這一期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形成于燕山期，在SN向擠壓的同時(shí)伴隨著東部抬升和西部下降，造成了地層西傾現(xiàn)象的產(chǎn)生。在這種構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生了F73、FS和F76斷層，為共扼關(guān)系。同時(shí)隨著北部的不斷抬升，發(fā)生了強(qiáng)烈的向西的重力滑動(dòng)，形成了與F76走向平行的一系列褶曲。喜山期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向發(fā)生變化，轉(zhuǎn)移為NW一SE向的擠壓。這一期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不僅對(duì)燕山期形成的構(gòu)造進(jìn)一步強(qiáng)化、改造，而且形成了以Fh為代表的逆斷層，同時(shí)使得呼魯斯泰向斜形成并定型。兩期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在煤層小斷層走向玫瑰花圖上可清晰地反映出來(lái)。
1.2瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨捌涮卣?/p>
根據(jù)三層煤的小斷層發(fā)育特征，將整個(gè)井田分為4個(gè)構(gòu)造分區(qū)(瓦斯地質(zhì)單元):北部區(qū)，4線以北;北中部區(qū)，4一9線之間;中部區(qū)，9一12線之間;南部區(qū)，12線以南:北部區(qū)包括呼魯斯泰向斜的軸部和傾角極陡的西翼，構(gòu)造比較復(fù)雜;北中部區(qū)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單;中部區(qū)以斷層發(fā)育為特征;南部區(qū)以層間滑動(dòng)為主圖2:4個(gè)區(qū)的特征簡(jiǎn)述如下。
1.2.1北部區(qū)
北部構(gòu)造分區(qū)位于4線以北呼魯斯泰向斜的軸部和西翼地帶，沒(méi)有生產(chǎn)階段資料可供利用。但從勘探階段的資料可知，該區(qū)的構(gòu)造比較復(fù)雜，西部井田邊界斷層一呼魯斯泰逆斷層(Fh)，落差達(dá)1000-2000m，由之派生一些中等規(guī)模的斷層，如FsZ、凡，等�？赡苓�有一系列煤層小斷層沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)�？碧诫A段的巖芯描述和測(cè)井解釋，表明該區(qū)三層煤煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)破碎，軟煤分層相對(duì)發(fā)育。如位于向斜軸部的3勘探線117孔，在煤層中上部一層較厚的夾研之下，煤層的視電阻率顯著增大，標(biāo)志著軟煤分層的出現(xiàn)，其厚度占整個(gè)煤厚的2/3以上。斷層附近幾乎全為軟煤。
1.2.2北中部區(qū)
北中部區(qū)位于4一9線之間，其構(gòu)造特征與中部和北部區(qū)沒(méi)有截然的界限，呈漸變過(guò)渡。該區(qū)以構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單為特征，僅發(fā)育一些斷頂不斷底或斷底不斷頂?shù)男鄬�，個(gè)別斷層切穿了整個(gè)煤層，斷層密度比較小。該區(qū)最典型的現(xiàn)象是煤層沖刷和頂板穿刺。三角洲分流河道環(huán)境形成的砂巖構(gòu)成了煤層的頂板(主要局限于7線以北)。同沉積期對(duì)煤層進(jìn)行沖刷，使煤厚減薄;差異壓實(shí)造成穿刺現(xiàn)象，使得頂板砂巖呈脈狀穿刺于煤層。該區(qū)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的主要原因與煤層的邊界條件有關(guān)，煤層的頂板為強(qiáng)度極大的中粗粒砂巖，它既不利于形成沿煤層頂板的層間滑動(dòng)，又保護(hù)了煤層免受構(gòu)造應(yīng)力的強(qiáng)烈破壞。
因此三層煤的煤體結(jié)構(gòu)在北中部區(qū)以碎裂煤為主，一些地方仍保存有原生結(jié)構(gòu)煤，碎粒煤和糜棱煤構(gòu)成的軟分層僅在斷層附近存在，部分地帶下部存在軟煤，但軟煤所占煤層總厚的百分比較低。井下觀測(cè)和測(cè)井解釋也證實(shí)了此點(diǎn)。該區(qū)煤f值較大，△P值偏小，瓦斯含量在6m3八左右。說(shuō)明煤體強(qiáng)度大，瓦斯放散速率小，為非突出煤的特征川。
1.2.3中部區(qū)
中部區(qū)位于9一12線之間，與北中部區(qū)和南部區(qū)呈漸變過(guò)渡。該區(qū)的構(gòu)造以斷裂為主，相對(duì)其它地區(qū)比較復(fù)雜，尤其在10一11線之間，煤層小斷層非常發(fā)育。中部區(qū)三層煤發(fā)育的小斷層大部分為正斷層，個(gè)別為逆斷層。小斷層的走向以NWW向?yàn)橹�，個(gè)別為近SN向和NE向，反映出兩期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。該區(qū)三層煤的煤體結(jié)構(gòu)類型齊全，以碎裂煤為主，其次是原生結(jié)構(gòu)煤;在斷層附近發(fā)育軟煤(碎粒煤和糜棱煤)，但波及范圍有限。向南部區(qū)過(guò)渡的11一12線之間，已具備南部區(qū)的某些特點(diǎn)，即煤層下部分層出現(xiàn)軟煤分層，但破碎程度不及南部區(qū)嚴(yán)重，多表現(xiàn)為碎粒煤。
1.2.4南部區(qū)
位于12線以南的南部區(qū)與其它區(qū)明顯不同，該區(qū)內(nèi)斷層不如中部區(qū)復(fù)雜，其發(fā)育程度與北中部區(qū)類似。但軟煤發(fā)育，厚度明顯大于其它區(qū)，主要分布在煤層的中下部。生產(chǎn)階段的揭露和測(cè)井解釋均證實(shí)了這一點(diǎn)。
1.3三層煤軟煤分布特征
由軟煤厚度等值線圖和軟煤百分比等值線圖可知，北部區(qū)與南部區(qū)軟煤最發(fā)育;北中部區(qū)軟煤所占比例最低;由北中部區(qū)向中部區(qū)至南部區(qū)構(gòu)造煤厚度依次增加，所占比例依次增高，該區(qū)煤的f值較低，△P值偏高，瓦斯含量在9砰八左右。
三層煤的軟煤在北部區(qū)和南部區(qū)比較發(fā)育。北部區(qū)顯然與褶曲形成過(guò)程中伴隨的剪切作用有關(guān)，即煤體變形、破壞是構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。中部區(qū)三層煤發(fā)育的小斷層主要形成于喜山期，沿兩個(gè)主要方向呈共扼形式共存，而南部區(qū)斷層稀少。說(shuō)明在喜山期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，在中南部區(qū)以發(fā)生斷裂形式來(lái)吸收應(yīng)力，而南部區(qū)則以層間滑動(dòng)形式來(lái)吸收。這種層間滑動(dòng)的力源于構(gòu)造應(yīng)力。層間滑動(dòng)波及了北中部區(qū)，使得該區(qū)也發(fā)育了一定厚度的軟煤。中部區(qū)軟煤一般局限于斷層附近。
2頂?shù)装濉A研巖性與瓦斯賦存的關(guān)系
2.1頂?shù)装鍘r性
三層煤頂板巖性存在3個(gè)分區(qū):砂巖區(qū)、粉砂巖一粉砂質(zhì)泥巖區(qū)、泥巖區(qū)。砂巖分布在井田的北部，大致在7線以北;粉砂巖一粉砂質(zhì)泥巖區(qū)分布在中北部區(qū)，大體位于7一9線之間;中東部為泥巖分布區(qū)。底板巖性也存在3個(gè)分區(qū):北部為粉砂質(zhì)泥巖一泥巖分布區(qū)，中部為砂巖分布區(qū)，南部偏東方向?yàn)槟鄮r分布區(qū)。
頂板巖性對(duì)三層煤瓦斯賦存和煤體變形影響極為嚴(yán)重。北部的砂巖分布區(qū)，目前揭露的如5331工作面，其瓦斯含量及涌出量都小于中、南部，煤體破壞程度在整個(gè)井田范圍內(nèi)最低。這是由于砂巖頂板導(dǎo)致了瓦斯的部分?jǐn)U散逸出，同時(shí)又保護(hù)了煤層免受構(gòu)造應(yīng)力或重力的強(qiáng)烈作用。頂?shù)装宥紴槟鄮r的中、南部區(qū)(9線以東)瓦斯含量和涌出量顯著增加。這是由于泥巖頂板限制了瓦斯逸散，同時(shí)在外力的作用下煤體結(jié)構(gòu)易于破壞，特別是易于順煤層剪切作用的發(fā)生�？梢�(jiàn)頂?shù)装鍘r性是造成三層煤瓦斯含量和涌出量由北向南(4線以南區(qū)域)逐漸增高的根本原因之一。
2.2夾殲特征
三層煤含有多層夾研，基本上為純度較高的高嶺石泥巖，以7線為中心厚度最大，向周?chē)饾u變薄。通過(guò)井下觀測(cè)和測(cè)井解釋，發(fā)現(xiàn)三層煤的夾研對(duì)軟煤的形成有一定影響。構(gòu)造煤比較發(fā)育的北部區(qū)(4線以北)和南部區(qū)(12線以南)，軟煤分層位于煤層中上部一層比較穩(wěn)定的夾研下，上部為原生結(jié)構(gòu)煤或碎裂煤�？梢�(jiàn)夾研與煤層之間的薄弱結(jié)構(gòu)面是層間滑動(dòng)的首選層面，沿該層面發(fā)生的層間滑動(dòng)造成中下部煤層的破壞。
3三層煤突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)
三層煤到目前為止還沒(méi)有發(fā)生煤與瓦斯突出，但根據(jù)三層煤的瓦斯含量、涌出量、瓦斯壓力和煤體結(jié)構(gòu)特征，隨著開(kāi)采深度的增加，突出危險(xiǎn)性在不斷增加，特別是南部區(qū)(12線以南)和北部區(qū)。但到目前三層煤沒(méi)有發(fā)生任何瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，根據(jù)以往的研究和與二層煤(突出煤層)的對(duì)比，將三層煤的突出特征概括如下:
①構(gòu)造特征。層間滑動(dòng)構(gòu)造發(fā)育地帶，特別是伴隨斷層發(fā)育的地帶，常發(fā)生瓦斯突出。
�、诿后w結(jié)構(gòu)特征。煤體因強(qiáng)烈的剪切作用而遭受?chē)?yán)重破壞，以軟煤(碎粒煤和糜棱煤)為主，占煤層總厚的70%以上。
�、勖簩雍穸�。煤厚突然加大的地帶，且這種增厚是后期改造的結(jié)果，非原始沉積所致。
④單項(xiàng)指標(biāo):f值小于等于0.5，△P大于等刊。
�、菥C合指標(biāo):K值大于等于15。
�、尥咚箟毫�:一般大于0.6MPa。
⑦相對(duì)瓦斯涌出量大于25m，八的區(qū)域(在滿足上述指標(biāo)的前提下，該指標(biāo)僅供參考采用)。此次研究根據(jù)烏蘭礦的具體條件，采用軟煤厚度所占百分比和相對(duì)瓦斯涌出量相結(jié)合的方法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，將三層煤區(qū)分為突出威脅區(qū)(軟煤比例大于70%，相對(duì)涌出量大于25m，八)和無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)《防突細(xì)則》，對(duì)于突出威脅區(qū)，在工作面推進(jìn)30一loom時(shí)，必須進(jìn)行瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)檢驗(yàn)，如果實(shí)測(cè)指標(biāo)達(dá)到了上述①一⑥項(xiàng)的突出危險(xiǎn)范圍，則該工作面升級(jí)為突出危險(xiǎn)面;連續(xù)2次檢驗(yàn)，突出指標(biāo)均不超限，則可降級(jí)為無(wú)突出危險(xiǎn)工作面。
參考文獻(xiàn):
[l]焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室.瓦斯地質(zhì)概論.北京:煤炭工業(yè)出版社，1990
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