低瓦斯礦井瓦斯異常帶地質(zhì)特征識別

彭小東 王建國 王海鳳

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司五礦,河南 467091;2.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北 430074;3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十一礦,河南 467047)

據(jù)統(tǒng)計(jì),瓦斯事故是我國煤礦事故的主要類型,其中又以瓦斯爆炸的發(fā)生次數(shù)和傷亡人數(shù)最多。不僅僅高瓦斯礦井發(fā)生瓦斯爆炸事故,低瓦斯礦井的瓦斯異常帶也時(shí)有瓦斯爆炸事故發(fā)生。

地質(zhì)條件的差異控制了瓦斯賦存狀況的不均衡,使高瓦斯礦井中存在相對低瓦斯帶,低瓦斯礦井中存在相對高瓦斯帶,并可能形成瓦斯異常帶。瓦斯異常帶是指低瓦斯礦井中由地質(zhì)條件控制的瓦斯相對富集帶,在采掘應(yīng)力影響下極易引發(fā)瓦斯異常涌出及煤與瓦斯突出。本文擬通過研究形成瓦斯異常帶的地質(zhì)條件,并依據(jù)礦井生產(chǎn)過程中揭露獲得的地質(zhì)資料,不斷校正瓦斯異常涌出易發(fā)地段和突出危險(xiǎn)區(qū)帶的預(yù)測成果,為瓦斯事故防范提供地質(zhì)保障。

1 影響瓦斯異常的地質(zhì)因素

低瓦斯礦井發(fā)生瓦斯事故的根本原因是人們對瓦斯異常帶的客觀存在還沒有充分的認(rèn)識,因而未能及時(shí)采取相應(yīng)防治措施。

兗州東灘煤礦為低瓦斯礦井,但在建井和生產(chǎn)過程中曾先后在局部地段發(fā)生過20次瓦斯異常涌出和局部積聚事件,其瓦斯異常帶主要出現(xiàn)在：底板巖巷通過次級向斜軸及煤巖通過次級背斜軸附近、中型斷層下盤、小斷層及節(jié)理發(fā)育地帶、煤層厚度、結(jié)構(gòu)變化較大和煤層分岔合并地帶等。

潘一礦1993年“1.20”瓦斯爆炸事故的直接原因是由于1662(3)下順槽掘進(jìn)工作面揭露地質(zhì)構(gòu)造引起瓦斯異常涌出。根據(jù)事故現(xiàn)場勘察,工作面煤層及偽頂?shù)牧严对黾?底部煤質(zhì)變軟,采樣測定堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.64,工作面靠頂部上幫出現(xiàn)2m長的拱形裂縫。潘三礦1997年“11.13”瓦斯爆炸事故的直接原因是由于1772(3)軌道順槽在放炮過程中遇斷層,短時(shí)間內(nèi)大量瓦斯涌出,超過工作面的通風(fēng)能力,造成巷道瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

研究異常區(qū)域的瓦斯賦存特征的目的在于判斷異常區(qū)域內(nèi)瓦斯賦存的狀況,煤吸附瓦斯的特性變化情況。造成煤層瓦斯賦存狀況局部變化的主要地質(zhì)條件一般有：相應(yīng)地段內(nèi)中、小型構(gòu)造及其組合,構(gòu)造及與之伴生的節(jié)理系,煤層產(chǎn)狀,煤層厚度、結(jié)構(gòu),煤層分岔與合并,煤體結(jié)構(gòu)及軟煤分層的分布,頂、底板巖性組合及其變化等。雖然目前非接觸性準(zhǔn)確探測局部地質(zhì)條件變化的手段尚未成熟,但只要加強(qiáng)相應(yīng)地段具體地質(zhì)條件的具體分析,這些地質(zhì)條件在采掘工作面通過的相應(yīng)地段是客觀存在的,且在小范圍內(nèi)是有規(guī)律可循的。大量事實(shí)表明,瓦斯異常帶通常為地質(zhì)異常帶。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

(1)斷層

斷層對于煤層瓦斯保存的影響比較復(fù)雜。一方面要看斷層的封閉性,另一方面還要看與斷層接觸的對盤巖層透氣性。開放性斷層易引起煤層在斷層附近瓦斯含量降低,當(dāng)與煤層接觸的對盤巖層透氣性大時(shí)更是如此。封閉性斷層,一般是壓性、壓扭性、不導(dǎo)水、現(xiàn)在仍受擠壓而處于封閉狀態(tài),當(dāng)煤層對盤巖層透氣性低時(shí),可以阻止煤層瓦斯的排放。如果斷層規(guī)模很大,距離很長時(shí),由于煤層對盤巖層密封的權(quán)率往住會(huì)減少,所以在斷層處一般會(huì)出現(xiàn)一定寬度的瓦斯含量降低區(qū),而稍遠(yuǎn)離斷層,由于斷層應(yīng)力集中帶的影響,地應(yīng)力增加,透氣性變差,故出現(xiàn)瓦斯含量增高區(qū)。與煤層走向和主要褶皺軸向一致的斷裂構(gòu)造,大部分是封閉型的,是富集瓦斯的地點(diǎn)。斷層組合對瓦斯的賦存也有一定的影響,由兩條封閉斷層與致密巖層圈閉的地塹或地壘往往形成瓦斯含量增高區(qū),特別是地塹,由于深部瓦斯補(bǔ)給,瓦斯含量會(huì)明顯增大。

(2)褶皺

褶皺類型和褶皺復(fù)雜程度對瓦斯賦存均有影響。如果背斜軸部破壞微弱,或由致密巖層覆蓋時(shí),背斜軸部常常是瓦斯的主要積聚地帶。向斜構(gòu)造一般是軸部的瓦斯含量比翼部高,這是由于軸部巖層受到強(qiáng)力擠壓,強(qiáng)烈的擠壓使頂部煤巖層的透氣性變小,有利于封閉煤層瓦斯。復(fù)式褶皺和緊閉褶皺,蓋層封閉良好時(shí),有利于造成瓦斯分布的不均衡和相對富集。

1.2 煤體結(jié)構(gòu)

在構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞,微孔隙、節(jié)理、裂隙發(fā)育,為瓦斯提供了賴以賦存的空間,易于瓦斯富集。煤體破壞程度增高,煤的粒度減小,比表面積增大,致使煤的孔隙率變大,吸附性能增強(qiáng);而煤體中裂隙寬度變小,透氣性減小,能保持更高的瓦斯壓力。并且,煤體破壞程度越高,瓦斯放散能力也越強(qiáng)。這些都為瓦斯異常涌出和煤與瓦斯突出創(chuàng)造了有利條件。

1.3 煤層

通常煤層分岔與合并處,瓦斯含量增大。煤層含有夾矸時(shí),在構(gòu)造應(yīng)力的作用下,煤層發(fā)生揉皺變形,由于夾矸較煤層的硬度大,加劇了煤體結(jié)構(gòu)的破壞程度,增大瓦斯賦存空間。由于構(gòu)造作用的影響,形成煤層局部變厚的大型煤包,也會(huì)出現(xiàn)瓦斯含量增高現(xiàn)象。這是因?yàn)?煤包周圍在構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤層被壓薄,形成對煤包的圈閉條件,使其生成的瓦斯難于排放。

煤層傾角對瓦斯的賦存也有影響。一般地,在相同的條件下,煤層傾角越小,煤層瓦斯越易于保存。這是因?yàn)閹r層的透氣性一般比煤層低,瓦斯沿層運(yùn)移的路程隨傾角變小而增加的緣故。

1.4 巖漿及地下水活動(dòng)

由于局部地段巖漿侵入,高溫高壓的巖漿攜帶一些熱液氣體,促使煤層變質(zhì)程度加深,產(chǎn)氣量增加,當(dāng)巖漿使煤層局部被覆蓋封閉,阻止了氣體逸散,易形成瓦斯富集區(qū)。另外,巖漿侵入使煤層受力,揉搓粉碎,造成煤體結(jié)構(gòu)破壞,形成軟煤分層;使局部煤系地層處于不均衡的應(yīng)力緊張狀態(tài),積蓄了彈性潛能。這些都是有利于瓦斯生成和賦存的良好條件,也是突出發(fā)生的基礎(chǔ)。

地下水活動(dòng)對瓦斯賦存的影響,一是地下水進(jìn)入煤層中并吸附在各類空隙的表面,降低了煤對瓦斯的吸附能力;二是巖層的孔隙和裂隙不僅是地下水活動(dòng)的場所,也是煤層瓦斯運(yùn)移的通道。所以,水文地質(zhì)條件越簡單,瓦斯就越容易富集;水文地質(zhì)條件越復(fù)雜,瓦斯就越易于逸散。

2 實(shí)例分析

2.1 潘西礦后五塊段概況

塊段內(nèi)19#煤層厚2.3m,夾矸厚0.24m。煤體松散易碎,為高硫低灰的肥煤。煤層傾角約為26°。煤層頂面向上依次為砂質(zhì)泥巖 (8.1m)、細(xì)砂巖(15.0m);底面向下依次為泥巖 (5.0m)、粉細(xì)砂巖 (20.0m)。塊段內(nèi)煤層瓦斯含量最高為1.225mL/g,工作面絕對瓦斯涌出量一般為0.16m3/min。

2.2 工作面瓦斯涌出狀況

后五回風(fēng)巷從1193主巷繞道開門,掘進(jìn)230m巖巷過F7斷層后揭19#煤層,又掘進(jìn)了160m煤巷后見F7的分支斷層F7-1,掘38m巖巷穿過F7-1斷層后見煤,掘煤巷30m后發(fā)現(xiàn)工作面炮眼內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到100%,放炮后風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超限,最高達(dá)3%,瞬間瓦斯絕對涌出量達(dá)到7m3/min左右 (見表1)。

由表1可見,工作面位于F7-1斷層上盤期間,瓦斯涌出量雖較一般值大,但并不構(gòu)成瓦斯異常涌出,接近斷層瓦斯涌出量進(jìn)一步增大,應(yīng)視為異常涌出。特別是工作面進(jìn)入F7-1斷層下盤煤巷后,在距斷層下盤交面線20～150m范圍內(nèi),涌出量明顯增大,工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛容^高,且經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)超限。

表1 潘西礦后五回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面瓦斯檢測結(jié)果

2.3 引發(fā)瓦斯異常涌出的地質(zhì)條件分析

(1)在F7及F7-1斷層影響帶,尤其是在兩斷層分岔合并、構(gòu)造應(yīng)力相對集中的范圍內(nèi),相關(guān)節(jié)理發(fā)育,煤體硬度明顯變小,煤層及其頂?shù)装鍘r層的孔隙度增大,易破碎,炮后多呈粉煤,塊煤極少,反映了原始煤體的比表面積較大。同時(shí),煤體的構(gòu)造應(yīng)變使其對瓦斯的吸附和放散性能有所改善,加之煤層頂?shù)装鍨榉忾]性較好的砂質(zhì)泥巖和泥巖,使后五塊段、特別是斷層影響帶的煤層瓦斯保存條件較好,煤層瓦斯含量相對高。

(2)F7斷層上盤斷塊的煤層,其上部是后一采空區(qū),下部受阻于F7斷層,缺乏本煤層瓦斯補(bǔ)給,涌出量較低;F7與F7-1斷層之間斷塊的煤層,雖然斷層及節(jié)理形成了煤層瓦斯縱向運(yùn)移的通道,使斷層旁側(cè)煤層瓦斯有一定的逸散,總體上瓦斯保存條件較好,涌出量也較高;F7-1下盤斷塊的煤層,除煤層瓦斯保存條件較好外,其上部受阻于F7-1斷層,下部又有深部本煤層瓦斯補(bǔ)給,致使瓦斯涌出量相對最高,發(fā)生異常涌出的次數(shù)也最多。

3 結(jié)論

(1)低瓦斯礦井的瓦斯事故往往發(fā)生在由地質(zhì)條件控制的瓦斯異常帶。有利于瓦斯異常帶分布的地質(zhì)特征一般有：對盤巖層透氣性差的封閉斷層、大型封閉斷層的應(yīng)力集中帶、與煤層走向和主要褶皺軸向一致的斷裂構(gòu)造、兩條封閉斷層與致密巖層圈閉的地塹或地壘、破壞微弱的背斜及簡單向斜軸部、蓋層封閉良好的復(fù)式褶皺和緊閉褶皺、煤體結(jié)構(gòu)破碎、構(gòu)造作用形成的大型煤包、煤層分岔合并處、巖漿侵入使煤層局部封閉。

(2)在影響煤層瓦斯分布的諸多因素中,地質(zhì)構(gòu)造對其他各因素具有不同程度的控制作用,所以分析礦井的地質(zhì)構(gòu)造形式及其組合特征、構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài),找出不同條件下瓦斯異常帶分布的主控因素,是進(jìn)行礦井瓦斯異常帶超前判識的關(guān)鍵。

(3)通過對井田瓦斯地質(zhì)資料的綜合分析,采用物探手段探測確定工作面前方地質(zhì)構(gòu)造位置及煤厚突變點(diǎn),并根據(jù)實(shí)際揭露時(shí)的瓦斯參數(shù),進(jìn)行瓦斯異常帶預(yù)測、預(yù)報(bào),應(yīng)成為低瓦斯礦井瓦斯治理的必要環(huán)節(jié)。

[1] 發(fā)改委能源局,低瓦斯礦井也要裝備瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng).2006.3.

[2] 焦作礦業(yè)學(xué)院瓦斯地質(zhì)研究室.瓦斯地質(zhì)概論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1991：32-82.

[3] 湯友誼,程昭斌,彭立世,等.東灘煤礦瓦斯異常涌出的研究 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2001,28(5)：8-10.

[4] 柏發(fā)松.礦井瓦斯異常涌出現(xiàn)象的類別及防治[J].煤礦安全.2002,33(10)：8-10.

[5] 董明松.蛇形山井煤與瓦斯突出的地質(zhì)因素分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2001,28(3)：23-24.

[6] 朱興珊,徐鳳銀,李權(quán)一.南桐礦區(qū)破壞煤發(fā)育特征及其影響因素 [J].煤田地質(zhì)與勘探,1996,24(2)：28.

[7] 朱興珊.特大型煤和瓦斯突出的地質(zhì)條件及其成因[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),1997,7(6)：18-24.

[8] 譚西德,黃向紅,龍新良.馬鞍山煤礦煤與瓦斯突出的地質(zhì)因素 [J].煤炭技術(shù).2001,20(11)：60-61.

[9] 俞啟香.礦井瓦斯防治 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992：11-14.

[10] 王省身.礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1986：8-18.

[11] 湯友誼,程昭斌,呂德寶.潘西礦后五塊段瓦斯異常涌出分析 [J].煤礦安全,2001(10)：34-35.