小型正斷層對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出的影響分析

何旬旬,曲 方,辛學(xué)鵬

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

小型正斷層對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出的影響分析

何旬旬1,曲 方1,辛學(xué)鵬2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

基于地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于瓦斯賦存的控制作用,分析了山西潞安礦區(qū)常村以及五陽(yáng)井田小型斷層的特征，并且結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程中掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)分析瓦斯涌出量變化與斷層的落差和傾角之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系,得出了瓦斯涌出量的異常增長(zhǎng)與斷層落差之間具有一定的相關(guān)性.這一結(jié)論對(duì)于掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)以及煤與瓦斯突出預(yù)防具有一定的指導(dǎo)作用.

小型斷層;瓦斯涌出;正斷層;掘進(jìn)工作面

采掘工作面瓦斯涌出量大小及其涌出形式取決于煤層瓦斯賦存狀態(tài),而地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于煤層瓦斯的賦存狀態(tài)往往起著決定性的作用[1-3],所以對(duì)于煤層地質(zhì)構(gòu)造及其控制特征的研究是治理瓦斯災(zāi)害的基礎(chǔ),同時(shí)也是防止煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)[4].生產(chǎn)實(shí)踐證明礦區(qū)(煤田)、礦井、采掘工作面煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性、瓦斯?jié)B透性等具有明顯的不均衡性,在空間的分布上具有明顯的分帶性和顯著的分區(qū)性,這種不均衡性和分區(qū)性受地質(zhì)條件的控制,并且呈現(xiàn)逐級(jí)控制的特征[5].研究表明，影響瓦斯賦存、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的地質(zhì)條件,均與不同級(jí)別地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)[6].運(yùn)用瓦斯賦存構(gòu)造逐級(jí)控制理論,可以通過(guò)不同級(jí)別的地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯賦存地質(zhì)條件的控制關(guān)系，揭示不同級(jí)別范圍的瓦斯地質(zhì)規(guī)律,如礦區(qū)、礦井、采區(qū)、采面等瓦斯地質(zhì)規(guī)律.通過(guò)整理建礦后揭露的大量瓦斯地質(zhì)資料,可建立瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型[7],從而進(jìn)行瓦斯預(yù)測(cè)和對(duì)瓦斯災(zāi)害的防治進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo).

常村和五陽(yáng)兩礦位于山西省潞安礦區(qū),隨著開(kāi)采的深入,越來(lái)越多的小型斷層被揭露,瓦斯異常涌出經(jīng)常隨之出現(xiàn)并對(duì)正常生產(chǎn)工作產(chǎn)生了極大的影響.大量的井下實(shí)測(cè)和研究結(jié)果表明小型斷層對(duì)局部地區(qū)的瓦斯涌出異常有顯著的影響[8-10],需要我們對(duì)其中的控制作用進(jìn)行定性和定量的深入研究.

1 礦井概況

1.1 常村煤礦

常村煤礦開(kāi)拓方式為立井多水平盤(pán)區(qū)式開(kāi)拓,分兩個(gè)水平開(kāi)采3號(hào)煤層.礦井采用混合式通風(fēng)方式,機(jī)械抽出式通風(fēng)方法.回采工作面采用一進(jìn)二回的通風(fēng)方式,掘進(jìn)工作面采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng).常村煤礦3號(hào)煤層瓦斯含量與其它高瓦斯礦井相比雖不高,但采煤時(shí)落煤強(qiáng)度大,而且煤層厚,工作面瓦斯涌出量較大.2012年鑒定結(jié)果絕對(duì)涌出量高達(dá)114.64 m3·min-1,相對(duì)涌出量為8.51 m3·t-1,屬于高瓦斯礦井.

1.2 五陽(yáng)煤礦

五陽(yáng)礦井采用主斜-副立井混合開(kāi)拓方式.井田沿傾斜布置上、下山,采區(qū)采用前進(jìn)式開(kāi)采順序.礦井采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法,放頂煤一次采全高.礦井通風(fēng)方式為分區(qū)對(duì)角混合抽出式.根據(jù)2011年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果,礦井瓦斯絕對(duì)涌出量為137.81 m3·min-1,相對(duì)涌出量為22.37 m3·t-1,屬于高瓦斯礦井.

2 礦井構(gòu)造特征及斷層發(fā)育情況

潞安礦區(qū)位于沁水煤田東部中段,處于華北斷塊區(qū)呂梁—太行斷塊沁水塊岰東部次級(jí)構(gòu)造單元的沾尚—武鄉(xiāng)—陽(yáng)城北北東向褶曲帶中段,晉獲斷裂帶西側(cè).礦區(qū)主體部分為新生代疊加的長(zhǎng)治新裂陷,礦區(qū)井田地層劃分屬華北地層山西地層分區(qū)長(zhǎng)治小區(qū).

2.1 常村煤礦斷層特征

常村井田位于潞安礦區(qū)中部,構(gòu)造以褶曲為主,地層走向近南北,向西傾斜,傾角3°～6°.常村井田內(nèi)大致以姬村向斜軸部為界,其以東井田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,形成了一系列的地塹、地壘及階梯斷塊構(gòu)造.

常村井田除北部文王山南斷層和東南邊界安昌、中華兩斷層及西南邊界藕澤斷層較大構(gòu)成常村井田自然邊界外,井田范圍內(nèi)還發(fā)育有四條落差20～30 m的中型斷層,其余斷層較小,都在10 m以內(nèi).常村井田內(nèi)小斷層較發(fā)育,井下共發(fā)現(xiàn)小型斷層170條,其中正斷層129條,逆斷層41條,多數(shù)斷距較小,平均斷距3.5 m,密度12.5條/km2.常村煤礦斷層以正斷層為主,力學(xué)性質(zhì)以張剪性為主,剪壓性次之.

2.2 五陽(yáng)煤礦斷層特征

常村井田北部與之相鄰的五陽(yáng)井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,以較開(kāi)闊的褶皺,伴有密集的大、中型正斷層,小斷層發(fā)育,煤層底板波狀起伏,煤層受沖刷及陷落破壞.煤層傾角4°～24°,平均10°,屬緩傾斜煤層,井田內(nèi)各采區(qū)煤層產(chǎn)狀變化較大.煤層近東西走向,向西端傾覆.

斷層在褶曲形成過(guò)程中,由于背斜軸部張引力的作用發(fā)育有高角度正斷層,構(gòu)成地壘、地塹構(gòu)造,它們是五陽(yáng)井田常見(jiàn)的斷層組合形式,直接控制和影響含煤巖系的分布發(fā)育規(guī)律和煤層開(kāi)采.統(tǒng)計(jì)得五陽(yáng)井田內(nèi)具有區(qū)域控制作用的落差大于50 m的斷層11條,落差10～50 m的中型斷層17條;落差小于10 m的微小斷層共有170條;5～10 m的斷層27條,密度為0.34條/km2;落差1～5 m的斷層81條,密度為1.03條/km2;落差不足1 m的斷層62條;總計(jì)198條.所有斷層中正斷層195條且大部分為高角度正斷層,斷層傾角65°～85°,逆斷層僅有3條.

3 小型正斷層與瓦斯涌出的關(guān)系

由于兩礦在實(shí)際生產(chǎn)中掘進(jìn)工作面揭露的逆斷層極少,本文所收集的小型斷層均為正斷層,除五陽(yáng)煤礦78-1#斷層外落差均在5 m以內(nèi).傾角從20°到75°,大于50°的傾角占大多數(shù).所研究的斷層規(guī)模小不足以切割煤層,根本無(wú)法導(dǎo)通鄰近含水層,加之頂?shù)装鍨橥笟庑圆畹哪鄮r,造成對(duì)煤層瓦斯含量的影響不會(huì)特別大,但是從觀測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看,掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量有明顯規(guī)律,只是變化幅度不同.

3.1 典型斷層分析

以五陽(yáng)煤礦7522回風(fēng)巷掘進(jìn)至416 m處揭露的7522-1#斷層為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知7522-1#斷層為正斷層,落差5 m,傾角70°.掘進(jìn)過(guò)程中揭露的7522-1#斷層前后的絕對(duì)瓦斯涌出量情況如圖1,其中Q為絕對(duì)瓦斯涌出量,S為斷層揭露前后距離.

圖1 7522-1#斷層揭露前后距離與工作面瓦斯涌出量關(guān)系圖Figure 1 Relation between gas emission in dig working face and distance before and after small normal faults exposed

從瓦斯涌出量曲線可以看出在距離揭露斷層50 m左右之前,瓦斯涌出量比較平穩(wěn),大致在2～3 m3·min-1之間,因此可以選取此段區(qū)間瓦斯涌出量的平均值為Qa.在距離斷層50 m以內(nèi)后,瓦斯涌出量開(kāi)始逐漸上升,并且在距離斷層13 m左右出現(xiàn)了極大值6 m3·min-1,在揭露斷層后瓦斯涌出量開(kāi)始下降,并且在揭露斷層后的60 m左右時(shí)出現(xiàn)了瓦斯涌出量極小值,只有不足1 m3·min-1,此后瓦斯涌出量上升,穩(wěn)定在2 m3·min-1左右.掘進(jìn)方向是從該斷層上盤(pán)通向下盤(pán),揭露斷層前的瓦斯涌出量上升反映了在上盤(pán)一側(cè)斷層對(duì)瓦斯的封閉作用,下盤(pán)一側(cè)瓦斯涌出量的降低反映了斷層對(duì)瓦斯的開(kāi)放逸散作用.

究其原因,落差較小的斷層,雖使煤層斷裂錯(cuò)開(kāi),但仍可看到對(duì)接層為透氣性較差的泥巖、砂質(zhì)泥巖,雖然其對(duì)煤層瓦斯含量變化影響不大,但靠近此類斷層地帶,應(yīng)力集中,阻隔了煤層中瓦斯運(yùn)移,瓦斯含量較高.在采掘過(guò)程中則表現(xiàn)為在揭露斷層前,由于應(yīng)力釋放,煤層瓦斯的相對(duì)平衡狀態(tài)被破壞,容易產(chǎn)生瓦斯涌出量的增大,但其強(qiáng)度較小,經(jīng)過(guò)斷層后會(huì)有一個(gè)瓦斯涌出量較低的階段,甚至低于斷層兩側(cè)未受斷層影響的階段的瓦斯涌出量.

3.2 瓦斯涌出變化規(guī)律分析

為了定量分析小型正斷層與工作面瓦斯涌出量之間的關(guān)系,本文首次采用增長(zhǎng)幅度F來(lái)表示瓦斯涌出量的異常變化程度.增長(zhǎng)幅度的數(shù)學(xué)計(jì)算式

F=(Qe-Qa)/Qa×100%.

(1)

其中:Qe—瓦斯異常涌出量的極值,該值為每日測(cè)量均值;Qa—小型斷層揭露前未受斷層影響的瓦斯涌出量的平均值.

采用增長(zhǎng)幅度F的原因有:

其一,在生產(chǎn)過(guò)程中由于瓦斯異常升高的危害很大,最值得關(guān)注.

其二,每條斷層所在的礦井、煤層都不盡相同,不同斷層周?chē)耐咚箖?chǔ)存量可能存在很大差異,而本文研究的是掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出異常,用瓦斯涌出量的增長(zhǎng)值或極值顯然不科學(xué).

通過(guò)對(duì)2011年至2013年間揭露的常村和五陽(yáng)礦井9條巷道的18條小型正斷層揭露前后的瓦斯絕對(duì)涌出量作統(tǒng)計(jì)分析,其結(jié)果見(jiàn)表1.

在所有的18條小型正斷層中,增長(zhǎng)幅度在50%以下的有3條,可認(rèn)為其對(duì)瓦斯涌出量的增長(zhǎng)影響不大;對(duì)瓦斯涌出量影響較明顯的增長(zhǎng)幅度在50%和100%之間的有9條達(dá)到了一半的比例;對(duì)瓦斯涌出量影響十分顯著的增長(zhǎng)幅度在100%以上的有6條,其中最大增長(zhǎng)幅度達(dá)到245.03%.由此可見(jiàn)，小型正斷層對(duì)瓦斯賦存具有明顯的控制作用.

3.3 斷層落差與瓦斯涌出的數(shù)值分析

由前文分析可知小型正斷層對(duì)工作面瓦斯涌出作用明顯,作為斷層重要特征的落差和傾角與瓦斯涌出量有著怎樣的關(guān)系.斷層落差是煤層巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下兩盤(pán)發(fā)生相對(duì)位移的產(chǎn)物.

表1 小型正斷層揭露前后瓦斯涌出情況

本文選取斷層在巷道揭露點(diǎn)測(cè)得的落差H為橫坐標(biāo),瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度F為縱坐標(biāo)(圖2),經(jīng)回歸分析可得知兩者之間存在良好的相關(guān)性.瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度隨落差的增大而增大,它們的線性規(guī)律是F=0.344 8H+0.240 6,線性相關(guān)性R2為0.741 7.

圖2 瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度與斷層落差Figure 2 Relation between the growth rate of gas emission and fault throw

3.4 斷層傾角與瓦斯涌出的數(shù)值分析

傾角是斷層的又一重要特征,取斷層在巷道揭露點(diǎn)測(cè)得的傾角X為橫坐標(biāo),瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度F為縱坐標(biāo)(圖3),經(jīng)回歸分析可知:斷層傾角與瓦斯涌出量之間存在較差的相關(guān)性,線性相關(guān)性R2僅為0.359 9.

圖3 瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度與斷層傾角Figure 3 Relation between the growth rate of gas emission and fault dip

4 結(jié) 語(yǔ)

1)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響很大,一方面造成了瓦斯分布的不均衡,另一方面形成了瓦斯儲(chǔ)存或排放的有利條件.而本文研究的小型正斷層明顯屬于抑制瓦斯排放的封閉型斷層,因此在斷層附近的瓦斯涌出存在異常升高的現(xiàn)象.

2)由本文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)知83.3%的小型正斷層附近的工作面瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度在50%以上,可見(jiàn)五陽(yáng)、常村兩礦的小型正斷層對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量有明顯的控制作用.

3)瓦斯涌出量的異常增長(zhǎng)受斷層落差的控制作用明顯,瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度與小型斷層的斷距之間有較高的線性正相關(guān)性.而小型正斷層傾角與之的關(guān)系比較模糊.這一結(jié)論是基于五陽(yáng)、常村兩礦的數(shù)據(jù)得到的,是否適應(yīng)于其他礦區(qū)還有待進(jìn)一步研究,但對(duì)于同屬潞安礦區(qū)的其他煤礦有很大的參考價(jià)值.

4)隨著等三維地震技術(shù)在小型斷層勘探識(shí)別方面的發(fā)展,小型斷層在未揭露前便能被準(zhǔn)確探得其位置和斷層落差,結(jié)合瓦斯涌出量與斷層落差的數(shù)學(xué)關(guān)系可對(duì)小型斷層影響的掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè),從而采取合適的預(yù)防措施以減少煤與瓦斯突出事故的發(fā)生.

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Research on the impact of small normal faults on abnormal gas gush in the dig working face of coal mines

HE Xunxun1, QU Fang1, XIN Xuepeng2

(1. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Faculty of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

Based on the effect of the geological structure on gas deposits, we analyzed the features of small faults of Changcun coal mines and Wuyang coal mines in the Lu’an mining area of Shanxi Province in China. Based on the dig working face gas gush amount data in the production process, it was found that there was a linear relationship between the abnormal growth of gas gush amount and the fault throw. This conclusion has guiding significance for gas emission prediction in dig working faces and the prevention of coal and gas outbursts.

small fault; gas gush; normal fault; dig working face

1004-1540(2015)01-0065-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.01.012

2014-10-17 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TD712.52

A