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    甘肅窯街礦區(qū)CO2氣體突出災(zāi)害的成因及防治研究

    2017-11-17 01:10:26高小明沈建林
    中國(guó)煤炭地質(zhì) 2017年10期
    關(guān)鍵詞:大理巖運(yùn)移成因

    高小明,沈建林

    (甘肅煤田地質(zhì)局,蘭州 730000)

    甘肅窯街礦區(qū)CO2氣體突出災(zāi)害的成因及防治研究

    高小明,沈建林

    (甘肅煤田地質(zhì)局,蘭州 730000)

    CO2氣體突出是煤礦井下的重大自然災(zāi)害之一,嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。甘肅窯街礦區(qū)的CO2氣體突出規(guī)模最大,造成的損失也最嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)窯街礦區(qū)CO2氣體突出災(zāi)害進(jìn)行分析,認(rèn)為突出的CO2氣體為無(wú)機(jī)成因,斷裂構(gòu)造是CO2氣體的主要運(yùn)移通道,煤2層和破碎斷裂帶是CO2氣體的主要儲(chǔ)層。CO2氣體突出災(zāi)害不但與斷裂構(gòu)造有關(guān),還與盆地沉積基底的大理巖密不可分,按照"先探后掘、先抽后采"的原則,可預(yù)防CO2氣體突出災(zāi)害的發(fā)生。

    窯街礦區(qū);CO2突出;災(zāi)害成因;儲(chǔ)運(yùn)特征;防治措施

    0 CO2氣體突出災(zāi)害概述

    瓦斯是煤系中的各種氣體通稱,成分極其復(fù)雜,主要以甲烷、二氧化碳、氮?dú)鉃橹?。瓦斯氣體的突出是煤礦井下重大的自然災(zāi)害之一,大多數(shù)煤礦突出的瓦斯氣體成分以甲烷為主,少數(shù)煤礦瓦斯突出的氣體成分以二氧化碳為主。首次二氧化碳突出發(fā)生于1984年的波蘭下西里西亞煤礦,突出次數(shù)達(dá)1650次之多,下西里西亞煤礦是全世界最嚴(yán)重的二氧化碳突出煤礦,生命財(cái)產(chǎn)也由此遭受了巨大的損失[1]。澳大利亞、法國(guó)、加拿大、捷克斯洛伐克等國(guó)的一些煤礦也發(fā)生過(guò)二氧化碳突出災(zāi)害。

    國(guó)內(nèi)僅有甘肅窯街、吉林營(yíng)城、和龍等礦區(qū)發(fā)生過(guò)二氧化碳突出災(zāi)害。其中,甘肅窯街礦區(qū)的二氧化碳突出規(guī)模為最大,造成的損失也最為嚴(yán)重。以甘肅窯街礦區(qū)的二氧化碳?xì)怏w突出災(zāi)害為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)二氧化碳?xì)怏w的生儲(chǔ)運(yùn)特征分析,提出一些防治措施。

    1 礦區(qū)地質(zhì)概況

    窯街礦區(qū)位于蘭州市境內(nèi),為甘肅省重點(diǎn)煤炭基地之一,被列為全國(guó)瓦斯突出的45個(gè)礦區(qū)之一。礦區(qū)由南向北現(xiàn)分布有海石灣、金河、三礦(原皮帶斜井與原四號(hào)井整合后由三礦管理)、炭洞溝煤礦,獐兒溝煤礦2010年合并由三礦管理。

    1.1 區(qū)域地質(zhì)與構(gòu)造

    窯街礦區(qū)位于民和盆地西北部,沉積基地為中元古界長(zhǎng)城系湟源群,巖性為千枚巖、片巖及大理巖等。民和盆地在晚三疊世基本沒(méi)有接受沉積,早侏羅世盆地沉降緩慢,主要表現(xiàn)為“填平補(bǔ)齊”式的沉積,中侏羅世接受了煤系的沉積。含煤盆地形成之后,由于地殼運(yùn)動(dòng),地應(yīng)力急劇變化,在盆地內(nèi)形成斷裂與褶皺構(gòu)造。其中礦區(qū)東部邊界有一條主干壓鈕性、多期活動(dòng)性大型斷裂構(gòu)造F19, 并發(fā)育一系列次級(jí)斷裂構(gòu)造,在F19斷裂的西側(cè)由南向北依次分布有喇嘛溝背斜、馬家?guī)X向斜、程家窯背斜、塌山向斜、羊場(chǎng)背斜、機(jī)廠向斜等一系列褶曲(圖1)。

    窯街礦區(qū)的地層主要有長(zhǎng)城系湟源群,侏羅系炭洞溝組、窯街組、享堂組,白堊系河口群、民和組,古近系西寧群和第四系(圖2)。

    圖1 窯街礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖Figure 1 A sketch geological structure map of Yaojie mine area

    圖2 窯街礦區(qū)地層柱狀Figure 2 Yaojie mine area stratigraphic column

    1.2 煤層

    煤系為中侏羅統(tǒng)窯街組,區(qū)內(nèi)共含煤5層,自下而上為煤3、煤2、煤B、煤1、煤A層,其中可采煤層三層,煤1、煤2及煤3層,煤1與煤2層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層,在礦區(qū)東部邊界F19斷層處煤層最厚,兩層主要可采煤層累計(jì)真厚達(dá)70余米,煤3層為局部可采煤層。煤1層厚0~11.79m,平均厚4.14m;煤2層厚0.7~59.28m,平均厚19.61m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜;煤3層厚度0.34~3.72m,平均厚2.27m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

    2 窯街礦區(qū)CO2氣體突出[2]

    2.1 三礦CO2氣體突出事故

    “77·2·3”事故:1977年2月3日,正在擴(kuò)砌的巷道發(fā)生了冒頂,造成3人窒息死亡,噴出氣體組分中CO2占98%以上,噴出煤、巖583.2 t,突出點(diǎn)位于F605斷層附近,距地表垂深307 m。

    “77·5·24”事故:從“77·2·3”事故點(diǎn)后退104 m,將巷道布置在距煤2層(主采煤層)50~80 m的底板巖石中, 5月24日又發(fā)生了特大型CO2突出災(zāi)害事故,致90人死亡,噴出的氣體組分中CO2占95.9%~96.6%,累計(jì)突出煤巖1 030.32 t。該突出點(diǎn)發(fā)生在斷裂構(gòu)造(F605、F604、F14和F15)附近,突出點(diǎn)距離地表垂深284.2 m,距離“77·2·3”事故點(diǎn)水平距離101.56 m。

    2.2 獐兒溝礦CO2氣體突出事故

    截止2000年10月,該礦共發(fā)生5次較大規(guī)模的CO2突出災(zāi)害,即“93·9·30”、“98·2·11”、“99·2·8”、“99·5·8”和“2000·10·11”等,特別是“2000·10·11”突出,造成25人死亡。本礦位于礦區(qū)東北部與三礦(原皮帶斜井)毗鄰, CO2突出點(diǎn)均分布在F604斷層上下盤煤巖交界處,斷層所控制的區(qū)段內(nèi)。

    2.3 三礦CO2氣體異?,F(xiàn)象

    三礦五采區(qū)中西部施工的石門中,揭穿F501和F2逆斷層的煤系基底變質(zhì)巖中的大理巖時(shí)出現(xiàn)大量的CO2氣體。如:1994年五采區(qū)1550東部回風(fēng)石門揭穿大理巖時(shí),涌出的CO2濃度達(dá)95%以上;1996年1550材料運(yùn)輸石門揭穿變質(zhì)巖中的大理巖時(shí),出現(xiàn)一空洞涌出大量CO2氣體;1998年施工1450皮帶巷時(shí),由F2上盤煤層頂板進(jìn)入煤體,煤層中煤爆聲較大,CO2濃度高,穿過(guò)F2逆斷層后便揭露到大理巖。這些事例說(shuō)明,CO2異?,F(xiàn)象不但與F501和F2逆斷層有直接的關(guān)系,還與大理巖密不可分。

    3 CO2氣體的生儲(chǔ)運(yùn)特征分析

    3.1 CO2氣體產(chǎn)生的來(lái)源

    關(guān)于CO2氣體的成因類型,戚厚發(fā)等人據(jù)國(guó)內(nèi)已知的CO2氣藏劃分為巖石化學(xué)成因、煤系成因和火山源三種類型,國(guó)外一般分為有機(jī)源和無(wú)機(jī)源兩大類[3]。依據(jù)窯街礦區(qū)突出氣體的CO2含量、穩(wěn)定碳同位素、稀有氣體3He與4He原子數(shù)的比值等測(cè)試結(jié)果,筆者認(rèn)為窯街礦區(qū)突出的CO2氣體屬于無(wú)機(jī)成因,來(lái)源于地殼,主要是由接觸變質(zhì)作用和動(dòng)力變質(zhì)作用下熱解碳酸鹽巖地層形成CO2氣體。從窯街礦區(qū)CO2氣體產(chǎn)出的地質(zhì)背景、分布特征分析,F(xiàn)19深大斷裂長(zhǎng)期活動(dòng)引起動(dòng)力作用,變質(zhì)熱解沉積基地中元古界湟源群大理巖形成CO2。

    第一,依據(jù)同位素劃分界限:δ13C重于-8×10-3為無(wú)機(jī)成因,δ13C輕于-8×10-3為有機(jī)成因。窯街礦區(qū)各煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)井下不同位置采集氣樣,對(duì)CO2中碳同位素偏差值(δ13C)進(jìn)行了測(cè)試,根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果,δ13C為-0.55×10-3~-6.51×10-3,δ13C均重于-8×10-3,屬于無(wú)機(jī)成因。另外,只有無(wú)機(jī)成因生成的CO2才可能形成高濃度、高含量的氣藏[4]。

    第二,礦區(qū)內(nèi)不同采樣地點(diǎn),3He與4He的原子數(shù)比值為0.6×10-8~25.9×10-8(表1),結(jié)果很相近,大部分在3.8×10-8以下,說(shuō)明它們之間有內(nèi)在的同一性,高純CO2是在基本相同的地質(zhì)條件和地質(zhì)作用下聚集起來(lái)的。依據(jù)氦同位素比值,判定CO2氣體成因來(lái)源[5],典型殼源、幔源流體和大氣中3He/4He值分別為2×10-8、1.1×10-5、1.4×10-6,該礦區(qū)3He/4He測(cè)定值均為10-8數(shù)量級(jí),屬于典型殼源無(wú)機(jī)成因。

    第三,窯街煤田沉積基底為中元古界湟源群,為熱解該套地層中的大理巖產(chǎn)生無(wú)機(jī)CO2氣體提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。熱解碳酸鹽巖地層產(chǎn)生無(wú)機(jī)CO2氣體觀點(diǎn),也解釋了三礦五采區(qū)中西部施工1550東部回風(fēng)石門與1550材料運(yùn)輸石門揭穿煤系基底中的大理巖時(shí),出現(xiàn)空洞并涌出大量CO2氣體的現(xiàn)象。

    第四,1980年,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所對(duì)礦區(qū)巖漿巖采用K-Ar法測(cè)定結(jié)果(表2):享堂峽湟源群中侵入的超基性巖角閃石同位素年齡為323.42Ma,屬華力西期以前的產(chǎn)物。沿F19斷裂帶有兩期超基性巖, 第一期超基性巖也屬華力西期以前的產(chǎn)物;另外在獐兒溝出露的蛇紋巖面積很小,綠泥石同位素年齡為15.8 Ma,屬于第二期超基性巖,應(yīng)為新近紀(jì)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。因此, 第一期巖漿活動(dòng)明顯早于中生代的侏羅紀(jì)煤系沉積,第二期巖漿活動(dòng)只在F19斷裂帶北段局部經(jīng)歷了一次熱液事件,規(guī)模和強(qiáng)度均不足以使碳酸鹽巖熱解生成大量的CO2氣體,從而可以排除通過(guò)接觸變質(zhì)作用熱解碳酸鹽巖產(chǎn)生CO2。

    表1 窯街礦區(qū)瓦斯CO2氣體主要組分及氦同位素比值

    表2 窯街礦區(qū)巖漿巖同位素年齡測(cè)定值[6]

    第五,窯街礦區(qū)東部邊界F19深大斷裂為動(dòng)力變質(zhì)作用熱解碳酸鹽巖產(chǎn)生CO2提供了依據(jù)。該斷層何時(shí)開始發(fā)育雖沒(méi)有定論,但由于切割了侏羅系及白堊系,斷距最大達(dá)1 000 m以上,可以肯定F19斷裂在燕山運(yùn)動(dòng)晚期還在活動(dòng),終止于新近紀(jì)末期。因?yàn)樗拈L(zhǎng)期發(fā)育、多期活動(dòng)呈現(xiàn)出的張性、壓性和壓扭性等多種力學(xué)性質(zhì)組合,引起地層強(qiáng)烈錯(cuò)動(dòng),產(chǎn)生高溫或伴有溶液的活動(dòng)熱解碳酸鹽巖產(chǎn)生CO2,從而使CO2氣體在F19斷裂附近高壓聚集并發(fā)生突出事故。

    3.2 CO2氣體的運(yùn)移、儲(chǔ)存特征[7]

    3.2.1 斷裂構(gòu)造是CO2氣體運(yùn)移的主要通道

    斷裂構(gòu)造對(duì)窯街礦區(qū)高純CO2氣體的分布起了重要的控制作用。其控制作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是F19深大斷裂既是CO2氣體的儲(chǔ)存空間,又是CO2氣體的運(yùn)移通道。通過(guò)F19大斷裂從地下深處運(yùn)移上來(lái)的CO2氣體,又經(jīng)過(guò)其他次級(jí)斷裂(F15、F14、F607、F17等)或由F19斷裂構(gòu)造派生的分支斷層進(jìn)一步運(yùn)移,它們又通過(guò)碎裂煤密集的裂隙、節(jié)理和孔隙,將CO2氣體直接輸送到含煤地層中,且越靠近F19斷裂CO2含量越高。當(dāng)采掘活動(dòng)臨近或揭穿這些承壓CO2氣體斷裂構(gòu)造時(shí),則易發(fā)生CO2突出事故;二是壓性斷裂對(duì)CO2氣體的儲(chǔ)集起到密封作用。如F604、F605等逆斷層和某些扭性斷層,它們的斷距一般不大,為十幾米或幾十米,這類斷層常與煤層頂?shù)装宓涂紫抖鹊挠晚?yè)巖和致密砂巖相配合,組成很好的側(cè)向封閉條件,對(duì)CO2氣體的運(yùn)移起遮擋和增壓的作用。三礦“77·2·3”和“78·5·24”煤巖與CO2突出點(diǎn)發(fā)生在F604和F605斷層的西南側(cè)就是佐證。

    3.2.2 煤2層是CO2氣體的主要儲(chǔ)層

    窯街礦區(qū)CO2氣體的儲(chǔ)層是煤層、疏松圍巖及斷裂構(gòu)造帶,主采煤層煤2層是CO2氣體最主要的的儲(chǔ)層。CO2氣體突出災(zāi)害事故表明,煤2層的厚度越大CO2氣體的含量越高,且離F19深大斷裂帶的碎裂煤越近CO2氣體的含量越高。

    煤1層是水體較深、多低等植物繁殖淺湖沼澤環(huán)境中形成的腐泥煤,較致密,孔隙度小,平均5%,外來(lái)氣體不易滲入,且煤層較薄,造成其儲(chǔ)集CO2氣體的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤2層。

    煤2層是在沖擊扇向湖泊發(fā)育過(guò)程中,物源豐富,高等植物死亡后堆積在濱湖沼澤環(huán)境下形成的特厚腐植煤,這種沉積環(huán)境使原始植物遭受的凝膠化作用程度低,胞腔保存較好,并在煤變質(zhì)過(guò)程中又產(chǎn)生了大量裂隙、節(jié)理和氣孔,孔隙度為9.63%,為儲(chǔ)集自生及外來(lái)的氣體提供了空間。另外,靠近F19深大斷裂帶附近形成了一個(gè)影響范圍較寬的構(gòu)造碎裂煤帶,碎裂煤帶的煤層內(nèi)節(jié)理、裂隙和孔隙十分發(fā)育,“77·2·3”和“78·5·24”突出點(diǎn)大塊煤的孔隙度分別達(dá)19.1%和18.32%,所以靠近斷層附近的煤2層碎裂煤帶是良好的儲(chǔ)層。除此之外,煤2層頂板及其以上巖層較致密,孔隙度低,成為CO2氣藏蓋層(圖3)。

    圖3 窯街礦區(qū)F19斷層剖面Figure 3 Yaojie mine area fault F19 section

    4 CO2氣體突出災(zāi)害的防治措施

    CO2氣體突出災(zāi)害是一種比較復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象,掌握與認(rèn)識(shí)它的發(fā)生規(guī)律,采取一定措施,對(duì)CO2氣體突出災(zāi)害可有效預(yù)防。根據(jù)CO2氣體的產(chǎn)生、運(yùn)移和儲(chǔ)存特征,結(jié)合以往防治經(jīng)驗(yàn),提出了以下防治措施。

    4.1 開采解放層,充分卸壓

    開采解放層是防止煤和瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)措施。煤1層與煤2層的平均間距為14.18 m,煤1層CO2含量低,屬于不突出煤層,為解放層;反之,煤2層CO2含量高,屬于突出煤層,為被解放層。在開采主采煤2層之前,必須先開采煤1層,使下部煤2層中的部分CO2氣體自然排放到煤一層采空區(qū)而卸壓,必要時(shí)可由煤1層向煤2層施工鉆孔抽放,使之降壓,從而降低CO2氣體突出災(zāi)害的危險(xiǎn)。

    4.2 巷道掘進(jìn)避開大理巖層

    由于盆地基地變質(zhì)巖系中的大理巖既是生氣層又是儲(chǔ)氣庫(kù),巷道一旦揭穿脆性大理巖和承壓的CO2時(shí),會(huì)發(fā)生CO2突出的現(xiàn)象,故在設(shè)計(jì)石門時(shí)躲開大理巖。如三礦五采區(qū)1550東部回風(fēng)石門、1550材料運(yùn)輸石門及1500東大巷等巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭穿大理巖時(shí),均突出了大量的CO2氣體,CO2濃度含量達(dá)95%以上。

    窯街礦區(qū)以往勘查工作中,對(duì)大理巖的厚度及分布狀況掌握不全,揭露資料較少,建議在今后的工作中,查明大理巖的厚度及分布情況,為在巷道掘進(jìn)中有效避開大理巖層奠定基礎(chǔ),防止CO2氣體突出災(zāi)害發(fā)生。

    4.3 避堵結(jié)合,留設(shè)斷層隔離煤柱

    F19及其它貫通沉積基底的次級(jí)斷裂(F15、F14、F607、F17等),具有儲(chǔ)集和運(yùn)移CO2氣體的雙重作用,易發(fā)生CO2氣體突出災(zāi)害,應(yīng)將該類斷裂構(gòu)造附近作為CO2氣體突出的重點(diǎn)防范區(qū)。當(dāng)采掘活動(dòng)臨近或揭穿這類斷裂構(gòu)造時(shí),一方面留設(shè)斷裂隔離煤柱,避開CO2氣體儲(chǔ)集和運(yùn)移通道;另一方面對(duì)F19深大斷裂帶隔離煤柱高壓注漿,充填碎裂煤的孔隙。

    4.4 遵循先探后掘、先抽后采的防突措施

    目前,在巷道掘進(jìn)過(guò)程中,通常采用超前探鉆孔(也稱為瓦斯抽防孔)方法來(lái)防治CO2氣體突出。前探孔是最直接、有效和可行的方法之一,其作用是引起煤體應(yīng)力重新分布,排放鉆孔周圍煤體的CO2氣體,在超前探孔所控制的范圍內(nèi)形成一個(gè)人為的卸壓帶。這一方法在鉆進(jìn)過(guò)程前,需研究確定超前探孔孔深與掘進(jìn)進(jìn)尺之間預(yù)留的巖體厚度,確保留有足夠的保安巖體,防止爆破誤穿斷層或煤層。當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆孔氣體正常時(shí),利用瓦斯抽放管路進(jìn)行及時(shí)抽放,充分釋放煤體中的瓦斯,為采煤巷道安全揭煤和安全回采創(chuàng)造條件。當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆孔氣體異常,可根據(jù)氣體壓力和流量制定進(jìn)一步防治措施和方案,預(yù)防CO2氣體突出災(zāi)害事故的發(fā)生,防止造成作業(yè)人員傷亡和國(guó)家財(cái)產(chǎn)遭受重大損失。

    5 結(jié)論

    (1)二氧化碳?xì)怏w突出災(zāi)害是煤礦井下重大的自然災(zāi)害之一,在我國(guó),甘肅窯街礦區(qū)的二氧化碳?xì)怏w突出規(guī)模為最大,發(fā)生的頻數(shù)最多,造成的損失也最為嚴(yán)重。

    (2)窯街礦區(qū)CO2氣體為無(wú)機(jī)成因,主要由接觸變質(zhì)作用和動(dòng)力變質(zhì)作用熱解碳酸鹽巖地層形成CO2氣體。

    (3)斷裂構(gòu)造是CO2氣體的主要運(yùn)移通道,煤2層和破碎斷裂帶是CO2氣體的主要儲(chǔ)層,CO2氣體突出與斷裂帶和盆地沉積基底的大理巖有直接關(guān)系。

    (4)CO2氣體突出災(zāi)害是一種比較復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象,生產(chǎn)實(shí)踐表明,掌握與認(rèn)識(shí)它的發(fā)生規(guī)律,采取卸、避、堵、探等措施,對(duì)CO2氣體突出災(zāi)害的發(fā)生可有效預(yù)防。

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    [8]高小明,權(quán)有,張德仲,等.甘肅省永登縣散馬池—上吳家煤炭資源預(yù)查總結(jié)[R].蘭州:甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊(duì),2009.

    StudyonCO2OutburstHazardCausationandControlinYaojie,Gansu

    Gao Xiaoming, Shen Jianlin

    (Gansu Bureau of Coal Geological Exploration, Lanzhou, 730000)

    The CO2outburst is one of major natural disasters in the coalmine underground, seriously threatening safety in coal production. CO2outburst scale in the Yaojie mine area is the largest and had caused worst loss in the country. Through the analysis of the hazard in the mine area has considered that the outburst CO2is inorganic origin. The faulted structures are the main migration channels of the outburst, while the coal No.2 and fragmentized faulted zones are the main CO2reservoirs. The CO2outburst hazard is not only related to faulted structures, but also has inseparable relation with marble in the basin sedimentary basement. Carrying out the principle of “exploring first then advancing; drainage first then extraction” can prevent the CO2outburst hazard from happening.

    Yaojie mine area; CO2outburst; hazard causation; reserve and migration features; control measures

    10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.03

    1674-1803(2017)10-0018-05

    A

    高小明(1969—),男,甘肅會(huì)寧人,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事于礦產(chǎn)資源勘查與研究工作。

    2017-07-14

    責(zé)任編輯:宋博輦

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