九里山礦馬坊泉斷層對(duì)煤與瓦斯突出的影響

王　飛

(中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院)

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九里山礦馬坊泉斷層對(duì)煤與瓦斯突出的影響

王飛

(中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院)

摘要為了研究斷層構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的影響，以九里山礦馬坊泉斷層為例，選取了距離斷層不同位置的6個(gè)煤樣進(jìn)行了瓦斯含量、瓦斯壓力的現(xiàn)場測(cè)定及工業(yè)分析、吸附常數(shù)、瓦斯放散初速度、真密度、視密度、堅(jiān)固性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。結(jié)果顯示，隨著與斷層的靠近，6個(gè)煤樣的變質(zhì)程度和水分逐漸降低，而灰分卻先急劇升高后逐漸降低，此外，斷層構(gòu)造導(dǎo)致煤樣堅(jiān)固性系數(shù)的變化無規(guī)律且幅度大；6個(gè)煤樣的真密度和視密度均是先急劇增加后逐漸減小，且與灰分表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，同時(shí)孔隙率也表現(xiàn)出了相同的規(guī)律；斷層構(gòu)造附近瓦斯壓力和含量并不太大且無規(guī)律性，但朗格繆爾體積和瓦斯放散初速度卻比較大，也無規(guī)律性。結(jié)果表明，馬坊泉斷層是一個(gè)開放性斷層，釋放了煤層瓦斯，但是斷層構(gòu)造改變了煤體成分，造成了部分煤體強(qiáng)度降低以及地應(yīng)力非均勻分布，總體上增加了區(qū)域煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

關(guān)鍵詞斷層瓦斯壓力瓦斯含量朗格繆爾體積堅(jiān)固性系數(shù)孔隙率工業(yè)分析

我國的煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤礦生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出等災(zāi)害，多數(shù)災(zāi)害的發(fā)生與地質(zhì)條件有著直接或間接的關(guān)系，其中斷層構(gòu)造是對(duì)煤礦安全生產(chǎn)影響最為顯著的地質(zhì)條件之一[1-7]。斷層構(gòu)造不僅破壞了煤層的連續(xù)性和完整性，還會(huì)造成斷層帶煤巖破碎，煤體強(qiáng)度降低，改變煤體特性，而且在局部位置會(huì)引起煤巖應(yīng)力集中，瓦斯聚集，從而增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性[8-11]。

一般認(rèn)為斷層的產(chǎn)生是地應(yīng)力釋放的過程，因而在一定程度上減少了突出的危險(xiǎn)性，但在很多時(shí)候由于斷層對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)的破壞和應(yīng)力分布的非均勻性，斷層附近反而又成為煤與瓦斯突出的多發(fā)區(qū)域[8,12-14]。不同性質(zhì)的斷層對(duì)突出的作用及影響截然不同，通常壓性或壓扭性斷層為封閉性構(gòu)造，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，突出危險(xiǎn)性也大；張性斷層屬開放性構(gòu)造，突出危險(xiǎn)性小。在封閉的邊界條件下，小斷層密集發(fā)育的地帶特別是低級(jí)別壓扭性斷裂發(fā)育地段、壓性或壓扭性結(jié)構(gòu)面間所夾的塊段、地塹式構(gòu)造的中間塊斷等均易發(fā)生突出。斷層構(gòu)造復(fù)合、組合部位屬應(yīng)力集中地帶，易造成封閉條件，導(dǎo)致瓦斯富集[3,15-16]。為了研究斷層構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的影響，本文以九里山礦馬坊泉斷層為例，從煤體的工業(yè)分析、堅(jiān)固性系數(shù)、密度、孔隙率和瓦斯賦存規(guī)律等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1礦井概況

九里山礦位于河南省焦作市，井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，主要含煤地層總厚158.96 m，煤層總厚7.67 m，含煤系數(shù)為4.83%。其中二疊系山西組的二1煤普遍發(fā)育，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，為主要可采煤層。此外，九里山礦井田內(nèi)斷層發(fā)育，其中馬坊泉斷層是最大的斷層，位于井田中部，橫貫全區(qū)，向西北延出井田，逐漸尖滅，向東南延出井田，被北碑村斷層切割錯(cuò)開;走向N45°E～N55°E，傾向NW，南盤上升，北盤下降，為高角度正斷層;井田內(nèi)落差為45～165 m，由東向西落差逐漸減少。2011年10月27日在馬坊泉斷層附近發(fā)生一起煤與瓦斯突出事故，18人死亡。由于斷層構(gòu)造破壞了煤層結(jié)構(gòu)，在局部位置引起了煤體應(yīng)力集中和瓦斯富集，在采動(dòng)的影響下，發(fā)生了這起煤與瓦斯突出事故。

2實(shí)驗(yàn)方案

為了研究馬坊泉斷層對(duì)本次事故的具體影響，在事故地點(diǎn)附近依據(jù)到斷層不同的距離選取了6個(gè)位置(圖1)，施工穿層鉆孔，進(jìn)行煤層瓦斯壓力和瓦斯含量的現(xiàn)場測(cè)定，并帶回相應(yīng)的煤樣進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。6個(gè)煤樣均取自新鮮裸露鉆孔，為防止煤樣氧化，直接將煤樣裝入密封罐中保存，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所有煤樣在真空條件下，以60 ℃干燥24 h，然后被篩分成6種粒徑：<0.2 mm、0.074～0.2 mm、0.18～0.25 mm、0.2～0.25 mm、10～13 mm和20～30 mm，以同樣的方式再次進(jìn)行干燥處理。6個(gè)煤樣分別進(jìn)行了工業(yè)分析、吸附常數(shù)、瓦斯放散初速度、真密度、視密度和堅(jiān)固性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)分析，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及儀器見表1。

圖1　取樣地點(diǎn)位置

試驗(yàn)種類標(biāo)準(zhǔn)儀器及材料煤樣粒徑/mm工業(yè)分析GB/T212—20085E-MAG6600全自動(dòng)工業(yè)分析儀<0.2吸附常數(shù)GB/T19560—2008HCA高壓吸附容量法0.18～0.25瓦斯放散初速度AQ1080—2009WT-I瓦斯擴(kuò)散速度測(cè)定儀0.2～0.25真密度GB/T217—2008UltraPYC1200e密度分析儀<0.2視密度GB/T6949—2010石蠟、UltraPYC1200e密度分析儀10～13堅(jiān)固性系數(shù)GB/T23561.12—2010搗碎筒、計(jì)量筒、天平20～30瓦斯壓力AQ1047—2007壓力表、測(cè)壓管、注漿泵-瓦斯含量GB/T23250—2009真空脫氣裝置、井下和常壓解吸裝置-

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1斷層構(gòu)造對(duì)煤體特性的影響

在漫長的地質(zhì)年代中，斷層構(gòu)造的不斷演化往往會(huì)造成煤體結(jié)構(gòu)的破壞，繼而在周圍巖體和地下水甚至地?zé)岬纫蛩赜绊懴逻M(jìn)入一個(gè)不同的演化路徑，從而形成了不同的煤體特性。從圖2(a)中可以看出6個(gè)煤樣的揮發(fā)分均在7%左右，且隨著與斷層的靠近，整體上逐漸遞增，即變質(zhì)程度是逐漸降低的，但變化幅度不大，同時(shí)6組煤樣隨著與斷層的靠近，水分含量卻逐漸減少，這或許是由于靠近斷層位置，空氣流通相對(duì)順暢，帶走了部分水分；此外，從圖2(b)中可以看出6個(gè)煤樣的灰分隨著與斷層的靠近，先急速增加，后逐漸降低，這應(yīng)該與斷層形成的過程及強(qiáng)度有關(guān)，在形成的過程中，大量的礦物質(zhì)會(huì)隨著地下水流動(dòng)進(jìn)入煤體內(nèi)部，從而導(dǎo)致煤體灰分的增加，此外6個(gè)煤樣的固定碳含量與灰分含量表現(xiàn)出相反的規(guī)律，說明其變化應(yīng)該是由于灰分含量的變化造成的。

煤層是含煤巖系中的相對(duì)軟弱層，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤層比周圍巖石更容易遭到破壞。首先原生煤產(chǎn)生密集的裂隙，使煤體破裂；隨后進(jìn)一步破碎，碎粒在構(gòu)造過程中由于粒間的摩擦、擠壓和揉搓，使煤體形成更小的碎粒和細(xì)粉。從表2可以看出，隨著與斷層的靠近，6個(gè)煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)變化并不規(guī)律且變化幅度大，這說明在斷層構(gòu)造形成過程中，其應(yīng)力的分布并不規(guī)律，從而對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的破壞也不規(guī)律，而煤的堅(jiān)固性系數(shù)反映了煤體的破壞類型，這顯示了斷層構(gòu)造導(dǎo)致煤體破壞類型的非均質(zhì)性，因此，斷層構(gòu)造大大增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

圖2　煤樣的工業(yè)分析結(jié)果

3.2斷層構(gòu)造對(duì)煤體密度和孔隙的影響

作為一種復(fù)雜的多孔性有機(jī)巖石，煤體具有天然的裂隙系統(tǒng)，包含有各種孔隙范圍的孔和裂隙?？紫逗土严稑?gòu)成了煤層中氣體吸附和儲(chǔ)存的空間以及擴(kuò)散和滲透的通道，決定著煤層中氣體的儲(chǔ)存與運(yùn)移[17-19]。斷層構(gòu)造導(dǎo)致大量的原生煤演變成構(gòu)造煤，同時(shí)往往也會(huì)改變煤體的孔隙特征，從而對(duì)煤層氣的開發(fā)和煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響。從表3、圖3、圖4中可以看出6個(gè)煤樣的真密度和視密度隨著與斷層的靠近先急劇增加，后逐漸減小，且與煤體內(nèi)灰分的含量具有明顯的正相關(guān)性，同時(shí)孔隙率也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，這應(yīng)該跟地應(yīng)力的分布有關(guān)，5#煤樣應(yīng)該是處于地應(yīng)力最小的，且隨著與斷層距離的靠近，地應(yīng)力逐漸增加，這也就造成了5#煤樣的位置所受應(yīng)力較小，壓縮較小，孔隙率也就越大，礦物質(zhì)的流動(dòng)也就越密集，沉淀在5#煤樣位置的礦物質(zhì)也就越多，從而增加了其灰分以及真密度和視密度。

表2　煤樣的工業(yè)分析和堅(jiān)固性系數(shù)結(jié)果

表3　煤樣的密度和孔隙率結(jié)果

圖3　密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3斷層構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

斷層對(duì)瓦斯賦存的影響比較復(fù)雜，一方面要看斷層(帶)的封閉性，另一方面還要看與煤層接觸的對(duì)盤巖層的透氣性。不論張性、張扭性或?qū)乳_放性斷層是否與地表直接相通，都會(huì)引起斷層附近的煤層瓦斯含量降低，當(dāng)與煤層接觸的對(duì)盤巖層透氣性大時(shí)，瓦斯含量降低的幅度更大。壓性、壓扭性、不導(dǎo)水等封閉性斷層并且與煤層接觸的對(duì)盤巖層透氣性低時(shí)，會(huì)阻止煤層瓦斯的排放，在這種條件下，煤層具有較高的瓦斯含量和瓦斯壓力。由于大斷層的規(guī)模很大，斷距很長，一般與煤層接觸的對(duì)盤密不透氣的概率較小，所以大斷層往往會(huì)存在一定寬度的低瓦斯帶[20]。

圖4　孔隙率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以看6個(gè)煤樣的朗格繆爾體積和瓦斯放散初速度分別為26～56 m3/t和19～44 mmHg，變化幅度較大，且遠(yuǎn)超煤與瓦斯突出的臨界值，說明該區(qū)域煤體對(duì)甲烷的吸附解吸能力很強(qiáng)；同時(shí)其瓦斯含量和壓力分別為3～9 m3/t和0.2～0.9 MPa，說明該區(qū)域瓦斯并不太多，這是由于斷層構(gòu)造形成了大量裂隙，為瓦斯氣體的流動(dòng)提供了通道，排出瓦斯氣體。此外，以上參數(shù)隨著與斷層距離的靠近，表現(xiàn)出無規(guī)律性，說明斷層構(gòu)造導(dǎo)致了該區(qū)域煤體性質(zhì)和瓦斯賦存的非均質(zhì)性，為斷層附近煤體煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)增加了難度。雖然該區(qū)域煤體瓦斯含量和瓦斯壓力不是太大，但是其吸附解吸能力很強(qiáng)，同時(shí)考慮到斷層構(gòu)造引起的非均質(zhì)性，在局部位置會(huì)形成應(yīng)力集中和瓦斯積聚，因此，斷層構(gòu)造還是增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

表4　煤層瓦斯參數(shù)結(jié)果

此外，在斷層附近通常會(huì)出現(xiàn)煤層厚度突變，一些正斷層由于引張拖拽作用導(dǎo)致斷層附近煤層變薄，而一些逆斷層兩側(cè)可能出現(xiàn)煤層的重疊和聚集而導(dǎo)致煤層變厚，而煤與瓦斯突出通常發(fā)生于煤層厚度大或者煤厚突變的位置。

4結(jié)論

(1)隨著與斷層的靠近，煤樣的變質(zhì)程度逐漸降低，同時(shí)斷層構(gòu)造形成了大量裂隙，為煤巖中水分的揮發(fā)和礦物質(zhì)的流動(dòng)提供了通道，但由于其形成的過程不同，最終導(dǎo)致6個(gè)煤樣的水分隨著與斷層距離的靠近，逐漸減少；而灰分卻先急劇增加,后逐漸減少。此外，6個(gè)煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)卻毫無規(guī)律，這也反映了在斷層構(gòu)造的形成過程中應(yīng)力分布的非均質(zhì)性，最終造成了煤體破壞程度的非均質(zhì)性。

(2)6個(gè)煤樣的真密度和視密度與灰分具有明顯的正相關(guān)性，均是先急劇增加，后逐漸減小，同時(shí)孔隙率也表現(xiàn)出了相同的規(guī)律，這跟地應(yīng)力的分布有關(guān)，5#煤樣應(yīng)該處在地應(yīng)力最小的位置，其所受到的應(yīng)力最小，壓縮也就最小。

(3)斷層構(gòu)造形成了大量的裂隙，為瓦斯氣體的流動(dòng)提供了通道，所以該區(qū)域煤體瓦斯含量和壓力并不太大且無規(guī)律，同時(shí)該區(qū)域煤樣的朗格繆爾體積和瓦斯放散初速度變化幅度大，且超過煤與瓦斯突出的臨界值，說明該區(qū)域煤體對(duì)甲烷的吸附解吸能力很強(qiáng)，同時(shí)考慮到斷層構(gòu)造區(qū)域瓦斯和應(yīng)力分布的非均質(zhì)性，因此，斷層構(gòu)造增加煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

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(收稿日期2016-02-29)

王飛(1989—)，男，博士研究生，221116 江蘇省徐州市。