陳金玉

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京 100013)

瓦斯涌出的地質(zhì)構(gòu)造控制因素分析

陳金玉

(煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京 100013)

通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制分析,煤巷掘進(jìn)工作面小斷層分布、斷層性質(zhì)、斷層落差調(diào)查研究,利用礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煤巷掘進(jìn)工作面迎頭CH4濃度適時(shí)跟蹤測(cè)定,著重分析研究了過(guò)斷層期間小斷層落差與迎頭瓦斯涌出的關(guān)系,確定了唐口煤業(yè)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出受小斷層影響的范圍和峰值出現(xiàn)的距離,為預(yù)測(cè)煤巷掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出奠定了基礎(chǔ),對(duì)安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

瓦斯涌出;地質(zhì)構(gòu)造;煤巷掘進(jìn);小斷層;落差

濟(jì)寧煤田位于華北地臺(tái)魯西地臺(tái)背斜的西南部,處于新華夏系第二沉降帶的復(fù)合端。唐口煤礦位于濟(jì)寧煤田濟(jì)寧地塹西側(cè)北部,東界為濟(jì)寧斷層,西界為嘉祥斷層,由其構(gòu)成的地塹構(gòu)造。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力 3.0Mt/a,采用豎井分區(qū)開(kāi)拓,中央并列式通風(fēng)?，F(xiàn)主要生產(chǎn)區(qū)域?yàn)?-990m水平西翼130采區(qū)、230采區(qū),北翼 430采區(qū),開(kāi)采二迭系山西組 3上煤層,煤厚 2.10～6.51m,平均 4.11m,煤質(zhì)屬氣煤。瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井,礦井開(kāi)拓開(kāi)采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)局部地點(diǎn)存在瓦斯異常涌出,給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。

1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制

由于區(qū)域構(gòu)造影響,該礦由南北向濟(jì)寧斷層和嘉祥斷層切割而形成一個(gè)走向近南北向的地塹,且中間存在一條貫穿南北的向斜,即南張向斜,井田西翼有煤層露頭風(fēng)化帶。因受孫氏店、濟(jì)寧及嘉祥等南北向區(qū)域性斷層的控制,次級(jí)構(gòu)造以南北向、北北東向斷層為主,局部因受南北二側(cè)東西向構(gòu)造帶控制,也存有少量東西向斷層。井田東、西邊界地帶受南北向濟(jì)寧斷層和嘉祥斷層控制形成較多的附生斷層。井田內(nèi)則以北東向斷層居多。后期的構(gòu)造演化又強(qiáng)烈地改造了該礦區(qū),產(chǎn)生了很多正斷層[1]。因此,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)井田瓦斯賦存影響很大。

1.1 不同的構(gòu)造期對(duì)瓦斯賦存的影響

該礦與魯西南諸煤田的構(gòu)造格局基本相似,石炭二迭紀(jì)煤系及其寒武奧陶基底與其上覆的晚侏羅統(tǒng)地層呈區(qū)域不整合接觸,不利于瓦斯的賦存,由于印支運(yùn)動(dòng)的影響,部分褶曲及斷裂只表現(xiàn)于煤系,而未及侏羅系地層,產(chǎn)生了局部的瓦斯異常帶,局部地區(qū)因印支運(yùn)動(dòng)是以垂直升降為主,使部分正向地層產(chǎn)生上隆并遭剝蝕,缺失了二迭系石千峰組至中侏羅統(tǒng)地層,使瓦斯賦存條件變差,因此,造成了瓦斯的大量逃逸。次級(jí)斷裂構(gòu)造也不甚發(fā)育,直至晚侏羅世及早第三紀(jì),發(fā)生了強(qiáng)烈的燕山運(yùn)動(dòng),使地殼產(chǎn)生了較大的褶曲與斷裂構(gòu)造,并伴有巖漿侵入,為煤層變質(zhì)提供了良好的熱源,產(chǎn)生了大量的瓦斯。燕山運(yùn)動(dòng)第一幕使本區(qū)域發(fā)生繼承性的褶皺及斷裂,同時(shí)由于應(yīng)力場(chǎng)的不均衡作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),造成了現(xiàn)存的北東～北東東向的繼承性構(gòu)造。而且這些構(gòu)造對(duì)煤田的存留都起著重要的控制作用,其向斜部位煤系都保留較好,而背斜部位則剝蝕強(qiáng)烈,因此,向斜附近瓦斯較高,兩翼出現(xiàn)了煤層風(fēng)化帶,瓦斯大量逃逸。直到上侏羅統(tǒng)沉積后,燕山運(yùn)動(dòng)第二幕使本區(qū)再次發(fā)生褶皺,使前期斷裂復(fù)活并產(chǎn)生新的次級(jí)斷裂,同時(shí)伴有巖漿巖侵入,至此時(shí)魯西南的構(gòu)造格局已基本形成;燕山運(yùn)動(dòng)第三幕不但使前期北東～北東東向的構(gòu)造以及近南北向正斷裂再次活動(dòng),而且產(chǎn)生了次一級(jí)的北西向斷裂,同時(shí)使侏羅系及侵入其中的輝長(zhǎng)巖連同古生界地層受到了新的改造。

綜上所述,本區(qū)域構(gòu)造的主峰是燕山運(yùn)動(dòng),燕山運(yùn)動(dòng)鑄成了本區(qū)域構(gòu)造的基本特征,至喜山期本區(qū)域的沉降繼續(xù)加深,從而使負(fù)向構(gòu)造地區(qū)沉積、覆蓋了第三系及第四系厚松散層?？傊?由于區(qū)域的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),使井田瓦斯賦存條件總體上變差,由于局部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了局部瓦斯異常帶[2-4]。

1.2 礦井構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制

礦井構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造有著密切的關(guān)系,區(qū)域的構(gòu)造作用及礦井在區(qū)域構(gòu)造中所處的位置,都直接控制著礦井構(gòu)造的展布規(guī)律。濟(jì)寧煤田內(nèi)的北東向褶曲表現(xiàn)較為明顯,在向斜的內(nèi)部,多發(fā)育了南北向的穿越向斜軸部的斷層,且直接穿過(guò)了本煤田東部和西部,構(gòu)成了煤田的瓦斯分帶的區(qū)域性邊界,加之該組斷層在煤田內(nèi)或近側(cè)較發(fā)育,距離較近,因而也直接控制著礦井的構(gòu)造形態(tài)。

該礦井全區(qū)呈寬緩褶曲構(gòu)造,自東向西大體劃分為十里鋪背斜、南張向斜、火頭灣背斜和漕井橋向斜,次一級(jí)褶曲發(fā)育,這對(duì)瓦斯保存有利。早期主要為北東～北東東向褶曲,后期受南北向濟(jì)寧斷裂和嘉祥斷裂控制,使其發(fā)生扭曲和改造,形成了南北向褶曲。各褶曲因受多次改造及斷層切割,形態(tài)不完整。但是后期的斷裂構(gòu)造則以南北向的正斷層組為主,并切割了東西向構(gòu)造的發(fā)育規(guī)律,破壞了瓦斯保存的有利條件。因此,造成了瓦斯賦存帶總體上以斷層構(gòu)造為主導(dǎo)因素,南北向分帶東西展布的特點(diǎn),后期的斷層影響由于其特點(diǎn)不同,使其對(duì)瓦斯賦存的影響也不同。

1.3 斷層導(dǎo)水性對(duì)瓦斯賦存的控制

礦井生產(chǎn)實(shí)際揭露資料表明,隔水層中的斷層不導(dǎo)水,斷層兩側(cè)含水層與含水層相對(duì)接時(shí),才有導(dǎo)水性。斷層一盤(pán)為富水性較強(qiáng)的含水層時(shí),靠近含水層處的斷層帶常表現(xiàn)為導(dǎo)水。

礦井勘探期間穿過(guò)斷層的鉆孔、斷層帶巖層較破碎,但多被泥質(zhì)物充填,鉆孔穿過(guò)斷層破碎帶時(shí)均未發(fā)現(xiàn)漏水和沖洗液明顯消耗,表明斷層帶富水性弱。但本礦井山西組地層中砂巖厚度較大,斷層兩盤(pán)易對(duì)口接觸,斷層帶以導(dǎo)水為主;石盒子組、太原組地層以隔水層為主,斷層兩盤(pán)含水層對(duì)口接觸幾率較少,斷層帶導(dǎo)水性弱,但太原組下部地層與奧灰間距小,因而與奧灰對(duì)口接觸處附近的斷層破碎帶以導(dǎo)水為主。

總之,從魯西南地區(qū)大的構(gòu)造來(lái)看,該井田處在網(wǎng)格狀張性斷裂構(gòu)造帶,瓦斯保存條件較差,屬低瓦斯區(qū)域。但是,由于唐口井田是個(gè)大的地塹構(gòu)造,且構(gòu)成地塹的斷層導(dǎo)水導(dǎo)氣性較弱,煤層埋深比周邊礦井要深得多,一般煤層埋深達(dá) 1000m,因此,唐口井田瓦斯涌出量比周邊礦井要大得多,且具有不均勻性,存在瓦斯涌出異常地帶。

2 斷裂構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

該礦近南北向正斷層主要分布在東西邊界,且次一級(jí)次生斷裂發(fā)育,形成復(fù)雜斷裂帶;近東西向正斷層只有北部 F4斷層。這些大斷層多為張性正斷層,不利煤層瓦斯保存,因此井田邊界瓦斯含量一般比井田中部小。F2,F3斷層之間為一復(fù)雜斷裂帶,其中的瓦斯分布也可能比較復(fù)雜。井田各煤層在斷層帶內(nèi)或斷層附近,瓦斯含量較低。

2.1 斷層附近瓦斯分布的一般規(guī)律

由于煤層的非均質(zhì)性和斷層在煤體中造成的殘余構(gòu)造應(yīng)力的不均衡性,斷層影響帶內(nèi)煤體破壞程度千差萬(wàn)別,勢(shì)必會(huì)造成煤層瓦斯壓力、瓦斯含量分布不均衡。煤巷掘進(jìn)在通過(guò)斷層帶時(shí),瓦斯涌出會(huì)出現(xiàn)明顯的差異,從而在斷層附近形成瓦斯涌出量的駝峰曲線。

不論斷層大小,瓦斯分布和變化模式基本相同,只是變化幅度不同而已。在斷裂過(guò)程中,形成2個(gè)應(yīng)力分布帶,即地應(yīng)力釋放帶和地應(yīng)力集中帶,而瓦斯的分布也出現(xiàn)相應(yīng)的分帶現(xiàn)象,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1。在斷層處,應(yīng)力釋放,壓力降低,瓦斯部分逸出,出現(xiàn)谷值;由此向外,應(yīng)力集中,壓力升高,瓦斯聚積,開(kāi)采時(shí)涌出量增大,出現(xiàn)峰值;再向外,壓力和瓦斯均趨于正常[5]。

表 1 斷層附近地應(yīng)力和瓦斯分布關(guān)系

在不同情況的小斷層附近,其瓦斯分布有所不同。在開(kāi)放性的斷層 (一般為張性正斷層)附近,其瓦斯涌出量變化為一谷兩峰 (圖 1a);如果兩條小斷層相距很近,且兩斷層之間連通關(guān)系不好時(shí),中間還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小峰 (圖 1b);如果相距很近且連通關(guān)系較好的兩條斷層,實(shí)際上可視為一個(gè)斷層帶 (圖 1c),瓦斯分布的曲線與圖 1a基本相同;在封閉的斷層附近,多數(shù)情況下谷值不明顯,只出現(xiàn)一個(gè)瓦斯增值帶 (圖 1d)。

圖 1 各種小斷層附近瓦斯分布

2.2 礦井主采煤層瓦斯涌出與小斷層的關(guān)系

由井田內(nèi)所揭露的小斷層及礦井勘探期間穿過(guò)斷層的鉆孔情況看,均為正斷層,斷層帶巖層較破碎,但多被泥質(zhì)物充填,鉆孔穿過(guò)斷層破碎帶時(shí)均未發(fā)現(xiàn)漏水和沖洗液明顯消耗。表明斷層帶富水性弱。因此,這小斷層構(gòu)造有的利于瓦斯賦存,有的則有利于瓦斯運(yùn)移,致使小斷層構(gòu)造對(duì)該礦井的瓦斯賦存和涌出規(guī)律有重要影響。

斷層作為構(gòu)造的一種形式,為瓦斯賦存提供 2種條件,即瓦斯貯存的屏障或瓦斯運(yùn)移的通道。煤層中發(fā)育有眾多的中小斷層,對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯涌出起著非常重要的控制作用。在分析斷層對(duì)煤層瓦斯的影響時(shí),常呈現(xiàn)比較復(fù)雜的關(guān)系,這是因?yàn)閿鄬訉?duì)瓦斯是起封閉還是起排放作用,既與斷層的力學(xué)性質(zhì)有關(guān),又與煤層的圍巖性質(zhì)和斷層上下盤(pán)與煤層接觸地點(diǎn)巖石的巖性以及與斷裂的充填情況等均有關(guān)系。本次選擇了 4條巷道,即 2306膠帶巷和 2306軌道巷、2308膠帶巷和 2308軌道巷,分析斷層與主采煤層瓦斯涌出量的關(guān)系。

以 2306膠帶巷為例,其掘進(jìn)期間共揭露 7條小斷層,分別為 F2306-9∠60°,H=0.8m;F2306-8∠60°,H=1.5m;F2306-7∠45°,H=1.5m;F2306-6∠38°,H=3.5m;F2306-5∠50°,H=3m;F2306-4∠60°,H=9m;F2306-3∠65°,H=1.0m。F2306-8斷層帶無(wú)充填物,斷層落差較小,無(wú)淋水滲水,無(wú)破碎帶,煤層頂板為灰白色的中砂巖。F2306-7,F2306-6在巷道掘進(jìn)處交匯,為一正斷層組,呈一地塹狀,無(wú)明顯破碎帶,斷層落差雖然不大,但是兩條斷層使得煤層中斷,被砂巖填充,煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r。F2306-4,F2306-5斷層帶落差較大,兩盤(pán)煤層相距較大,兩盤(pán)煤層與以砂巖和泥巖為主的巖層對(duì)接。

2306膠帶巷掘進(jìn)過(guò)程中,巷道瓦斯涌出量變化情況見(jiàn)圖 2。F2306-7,F2306-6斷層帶被砂巖填充,砂巖的透氣性較泥巖好,掘進(jìn)過(guò)程瓦斯涌出量增幅較小。F2306-8斷層帶無(wú)充填物,斷層落差較小,在揭露斷層前 20m處瓦斯涌出量最大,在斷層面處瓦斯涌出量卻較小,過(guò)斷層之后瓦斯涌出又出現(xiàn)一小峰,瓦斯涌出表現(xiàn)為一谷兩峰型。F2306-4,F2306-5斷層帶落差較大,斷層帶煤層較碎裂,掘進(jìn)過(guò)程中,巷道穿巖層掘進(jìn)到煤層,在掘進(jìn)到煤層時(shí),瓦斯涌出量迅速增加,增幅較大,主要是因?yàn)槟鄮r的透氣性差,封閉性較好,瓦斯逸散少,瓦斯涌出量最大段為斷層下盤(pán)。

圖 2 2306膠帶巷掘進(jìn)期間瓦斯涌出情況

2.3 小斷層落差與瓦斯涌出的數(shù)值分析

斷層落差是構(gòu)造應(yīng)力作用下兩盤(pán)發(fā)生相對(duì)位移的產(chǎn)物,體現(xiàn)了一定構(gòu)造應(yīng)力的強(qiáng)度與作用方式,改變了瓦斯賦存的邊界條件。一般情況,瓦斯涌出量在斷層周?chē)l(fā)生波動(dòng)變化。斷層落差越小,瓦斯涌出量的變化幅度也小,也越接近平穩(wěn),斷層落差增大,瓦斯涌出量變化幅度也增大。同時(shí),瓦斯涌出峰值出現(xiàn)的距離也與斷層落差相關(guān)。斷層落差小,峰值出現(xiàn)距斷層面亦近。

為了更好地研究斷層和瓦斯涌出量的關(guān)系,收集并統(tǒng)計(jì)了唐口煤業(yè)公司 4條掘進(jìn)巷道中具有明顯涌出特征的小斷層 (表 2),重點(diǎn)研究瓦斯涌出和斷層各參數(shù)之間的關(guān)系,預(yù)測(cè)斷層附近瓦斯涌出量的變化規(guī)律。

瓦斯涌出在斷層周?chē)幸欢ǖ姆秶?并且影響范圍與斷層的性質(zhì)有關(guān)。由于所統(tǒng)計(jì)的正斷層傾角大多大于 50°,與掘進(jìn)巷道的夾角在 40～60°,所以只研究瓦斯涌出與斷層落差的關(guān)系。在掘進(jìn)巷道過(guò)正斷層時(shí),上下盤(pán)的瓦斯涌出量有所不同,下盤(pán)瓦斯的涌出量是上盤(pán)的 1～2倍;瓦斯涌出的最高值往往出現(xiàn)在斷層的下盤(pán),過(guò)斷層后上盤(pán)的瓦斯涌出較弱。原因是斷層下盤(pán)的拖曳現(xiàn)象較上盤(pán)明顯,而在斷層下盤(pán)附近煤巖層中,發(fā)育有一系列開(kāi)放性的伴生微小斷裂或裂隙,既有利于瓦斯賦存,更有利于瓦斯運(yùn)移,形成高瓦斯聚積區(qū)。

表 2 唐口煤業(yè)斷層附近瓦斯涌出情況

(1)瓦斯涌出峰值出現(xiàn)的距離與斷層落差關(guān)系 根據(jù)該礦各斷層產(chǎn)狀和瓦斯涌出量,分析其分布特征,發(fā)現(xiàn) 230采區(qū)在掘進(jìn)過(guò)斷層時(shí),瓦斯涌出峰值距斷層的距離與斷層落差具有如下特征,如圖3所示。

圖 3 瓦斯涌出峰值距斷層的距離與斷層落差關(guān)系

經(jīng)回歸分析,瓦斯涌出峰值出現(xiàn)的距離 (X)具有隨斷層落差 (H)增加而增大的整體趨勢(shì),兩者之間有如下的線性規(guī)律。其回歸方程為:

式中,X為瓦斯涌出峰值距斷層的距離,m;H為斷層落差,m。

(2)瓦斯涌出影響范圍與斷層落差關(guān)系 在正常條件下,涌出量的大小與斷層的距離有關(guān),過(guò)斷層后又逐漸恢復(fù)正常值,稱之為瓦斯涌出影響范圍,即斷層對(duì)瓦斯涌出的影響范圍,其具體特征如圖 4所示。

圖 4 瓦斯涌出影響范圍與斷層落差關(guān)系

由圖 4可以看出,瓦斯涌出影響范圍具有隨斷層落差增加而增大的整體趨勢(shì)。兩者之間有如下的線性規(guī)律。其回歸方程為:

式中,L為斷層影響瓦斯涌出范圍,m;H為斷層落差,m。

通過(guò)上述分析可知,斷層附近的瓦斯涌出量峰值出現(xiàn)的位置、瓦斯涌出的影響范圍與斷層落差的關(guān)系如式 (1)和式 (2),因此,在礦井開(kāi)采的過(guò)程中,首先通過(guò)物探等手段確定未采區(qū)的斷層產(chǎn)狀,再利用上述方程確定過(guò)斷層時(shí)瓦斯涌出的影響范圍和峰值,對(duì)于做好采掘工作面通風(fēng)、進(jìn)行瓦斯抽放,指導(dǎo)安全生產(chǎn),具有一定的實(shí)踐意義。

3 結(jié)論

(1)不同構(gòu)造期的區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使井田瓦斯賦存條件總體上變差,由于局部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了局部瓦斯異常帶。

(2)礦井呈寬緩褶曲構(gòu)造,后期受南北向濟(jì)寧斷裂和嘉祥斷裂控制,造成了瓦斯賦存帶總體上以斷層構(gòu)造為主導(dǎo)因素,南北向分帶東西展布的特點(diǎn),后期的斷層影響由于其特點(diǎn)不同,使其對(duì)瓦斯賦存的影響也不同。

(3)煤層的頂?shù)装迥鄮r構(gòu)成了良好的隔水層,使瓦斯幾乎不受地下水流動(dòng)的影響,斷層封閉性較好,導(dǎo)水性較差,因此,正常的水文地質(zhì)條件對(duì)礦井瓦斯賦存影響較小。

(4)井田內(nèi)瓦斯含量分布受控于地質(zhì)構(gòu)造,尤其是南北展布的斷層 (F2,F3斷層)對(duì)該礦瓦斯影響較大。該井田內(nèi)瓦斯分布影響主導(dǎo)因素是斷層,其次是埋深和煤層厚度。

(5)小斷層對(duì)采掘工作面瓦斯涌出量影響較大。瓦斯涌出峰值距離隨小斷層落差增加而增大,瓦斯涌出影響范圍也隨小斷層落差增加而增大。

[1]山東中煤物探測(cè)量總公司 .唐口煤礦建井地質(zhì)報(bào)告 [R].濟(jì)寧,2005.

[2]陳金玉 .唐口煤礦瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試及治理方案研究報(bào)告[R].北京,2006.

[3]張子敏 .瓦斯地質(zhì)學(xué) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[4]陳金玉 .深井煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)侓研究報(bào)告[R].北京,2009.

[5]王大曾 .瓦斯地質(zhì) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992.

Analysis of Geological Tecton ic Factors ofM ethane Gushing

CHEN Jin-yu
(Mine Safety Technology Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

W ith real-time methane densitymonitoring data,this paper analyzed the relationship of small fault throw and methane gushing during roadway driving through fault based on the analysisof geological tectonic controllingmethane occurrence and statistic of s mall faults.It confirmed range ofmethane gushing influenced by s mall fault and gushingpeak distance.The resultprovided base for the prediction ofmethane gushing in coal roadway driving.

methane gushing;geological tectonic;coal roadway driving;s mall fault;throw

TD712.2

A

1006-6225(2010)03-0102-04

2009-12-24

陳金玉 (1962-),男,安徽安慶人,高級(jí)工程師,注冊(cè)安全工程師,一級(jí)安全評(píng)價(jià)師,一直從事煤礦安全方面的科研工作。

[責(zé)任編輯鄒正立]