火燒鋪煤礦地質(zhì)構(gòu)造特征及其對(duì)礦井生產(chǎn)的影響

朱玉英,王海軍

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077)

礦井地質(zhì)構(gòu)造特征及其復(fù)雜程度直接決定礦井勘探類型及勘查工程部署網(wǎng)度,地質(zhì)構(gòu)造影響礦井工作面的布置、瓦斯富集分布、日常預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),對(duì)于礦井安全、高效、綠色、智能化開(kāi)采具有重要的意義[1-5]。貴州盤(pán)江礦區(qū)是我國(guó)重要的焦煤生產(chǎn)基地,以礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層瓦斯含量高為突出特點(diǎn),這也是目前制約礦區(qū)巷道高效掘進(jìn)、工作面智能開(kāi)采的主要地質(zhì)因素?；馃伱旱V自礦井建設(shè)以來(lái)經(jīng)過(guò)30多年的地面、井下地質(zhì)勘查、巷道探測(cè)、積累了豐富的地質(zhì)構(gòu)造資料和礦井安全生產(chǎn)等方面的資料,對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造及其相關(guān)的災(zāi)害有一定的認(rèn)識(shí),但是,這種認(rèn)識(shí)系統(tǒng)性不夠,尤其是對(duì)地質(zhì)構(gòu)造與礦井瓦斯、頂板等災(zāi)害隱蔽致災(zāi)因素的相關(guān)性等認(rèn)識(shí)不清,導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造影響礦井工作面的部署、接續(xù)工作面瓦斯抽采工作量大、礦井災(zāi)害治理速度嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn),形成了目前采掘緊張的被動(dòng)局面[6-11]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黔西構(gòu)造屬性[1-2]、應(yīng)力場(chǎng)[3-4]、構(gòu)造演化特征[5-6]等進(jìn)行了研究,從20世紀(jì)50年代盤(pán)西煤田地質(zhì)勘查開(kāi)始,中煤科工西安研究院開(kāi)展了對(duì)該區(qū)煤層對(duì)比、煤巖煤質(zhì)、煤的加工利用,煤層氣的評(píng)價(jià)優(yōu)選等工作[12-15]。近年來(lái),隨著煤田勘探程度的提高和礦井煤炭資源的開(kāi)發(fā),貴州煤田地質(zhì)局、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)先后開(kāi)展了煤田內(nèi)多個(gè)礦井地質(zhì)調(diào)查、補(bǔ)充勘探、礦井瓦斯防治、煤層氣測(cè)試等[16-18]工作。隨著盤(pán)關(guān)向斜煤田地質(zhì)勘探程度的提高以及礦井生產(chǎn)揭露,對(duì)煤田的構(gòu)造認(rèn)識(shí)逐漸深入,上述研究成果是此次研究的基礎(chǔ)。

為了從根本上解決這一問(wèn)題,從影響和制約礦井安全高效生產(chǎn)的最關(guān)鍵的地質(zhì)構(gòu)造因素入手,通過(guò)對(duì)勘探資料分析、結(jié)合地面和礦井地質(zhì)調(diào)查、地面三維地震勘探、地質(zhì)鉆探、礦井建設(shè)井筒、巷道揭露斷層以及生產(chǎn)階段巷道、工作面揭露的構(gòu)造資料進(jìn)行系統(tǒng)的整理、詳細(xì)分析,采用探采對(duì)比的方法,開(kāi)展火燒鋪煤礦地質(zhì)構(gòu)造特征研究。在此基礎(chǔ)上,采用統(tǒng)計(jì)分析法分析礦井地質(zhì)構(gòu)造對(duì)礦井生產(chǎn)中煤質(zhì)、資源量、頂板支護(hù)管理、巷道掘進(jìn)等的影響,進(jìn)而為礦井深部第三水平開(kāi)拓布置、井下斷層的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、識(shí)別與分析提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

火燒鋪煤礦位于盤(pán)縣煤田內(nèi),地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái),上揚(yáng)子臺(tái)褶皺帶,黔西南迭陷褶斷束的西部盤(pán)縣聚煤盆地內(nèi)。盆地內(nèi)的大型構(gòu)造大致分北西向和北東向兩組,盤(pán)縣盆地是黔西滇東地區(qū)的一個(gè)主要的煤層氣聚集區(qū),盆地面積共1 227 km2(圖1),盆地有4個(gè)向斜:土城向斜、照子河向斜、舊普安向斜和盤(pán)關(guān)向斜,并分別處于2個(gè)構(gòu)造帶和黔西南旋扭構(gòu)造帶之中,即“一盆兩地”的復(fù)式向斜。其中盤(pán)關(guān)向斜是其中的北東向構(gòu)造之一,是盆地內(nèi)面積最大的構(gòu)造單元,向斜軸通過(guò)亦資、紅果等地,軸線長(zhǎng)約45 km,向斜寬5～20 km,火燒鋪井田處于盤(pán)關(guān)向斜西翼南段。

圖1 區(qū)域構(gòu)造圖及其地層綜合柱狀Fig.1 Regional structural map and its stratigraphic comprehensive histogram

火燒鋪煤礦由火燒鋪井田、濫泥箐井田和羊場(chǎng)坡井田組成,含煤地層為二疊系龍?zhí)督M,巖性以泥巖、粉砂巖、煤層為主,含煤地層厚147.00～269.47 m,平均厚245.25 m,含煤層20～60層,煤層編號(hào)為1—30號(hào),可采煤層14～18層(圖1),煤層厚度以薄—中厚煤層為主,有分叉、合并、尖滅等現(xiàn)象。煤層屬于較穩(wěn)定—穩(wěn)定煤層,全區(qū)可采—大部分可采煤層。煤類淺部氣煤為主,向下部、深部變?yōu)榉拭簽橹?出現(xiàn)焦煤、1/3焦煤,在深部和構(gòu)造轉(zhuǎn)折端的羊場(chǎng)坡井田局部區(qū)域出現(xiàn)低變質(zhì)的無(wú)煙煤。

2 井田構(gòu)造特征

火燒鋪煤礦總體為大致向東傾斜的單斜構(gòu)造,地層傾角18°～40°,已有成果和礦井揭露表明,褶皺不發(fā)育,斷層較發(fā)育,層間滑動(dòng)較強(qiáng)烈,煤系內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿侵入體和巖溶陷落柱。

2.1 褶皺

區(qū)內(nèi)褶曲不發(fā)育,多在較大斷層邊緣局部發(fā)育小褶曲。根據(jù)以往地質(zhì)成果,相對(duì)較大的是火6斷層北側(cè)的一個(gè)背斜和一個(gè)向斜,二者相伴而行,走向北東15°～20°,與火6斷層大致平行展布,軸面近于直立。其中背斜兩翼地層傾角為40°左右,波幅為40～70 m。向斜兩翼不對(duì)稱,兩翼傾角18°～22°,波幅約20 m。褶曲影響寬度150 m左右。該背、向斜被濫2斷層切斷,因靠近火6斷層,致使背、向斜與火6斷層之間各煤層難以開(kāi)采。

2.2 斷層

經(jīng)對(duì)歷次地質(zhì)勘探、三維地震勘探(圖2)和礦井生產(chǎn)揭露統(tǒng)計(jì),井田內(nèi)已查明斷層1 643條,其中斷距大于30 m的斷層12條;斷距20～30 m的9條,斷距10～20 m的33條,斷距2～10 m的757條,斷距小于2 m的832條。區(qū)內(nèi)斷層以走向北東,傾向南東為主。斷層性質(zhì)以正斷層為主,占比78.1%,逆斷層占比21.3%,走滑斷層僅4條,占比0.6%(圖3(a))。斷距大于30 m的斷層基本為正斷層,多數(shù)為井田或采區(qū)的邊界斷層。各煤層斷距0.5 m以上的斷距密度0.23～13.14條/萬(wàn)m2,以14煤層最高(表1、圖4)。斷層總體以NEE—SWW(50°～90°)為主;傾向以南東方向?yàn)橹?頻度70%,東向次之,頻度20%,北東向頻度10%(圖3(c));傾角以40°～60°為主,其中正斷層傾角以50°～60°的高角度為主,而逆斷層傾角以30°～40°的低角度或順地層的為主(圖3(d))。

表1 各煤層斷層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical of fault data of each coal seam

圖2 三維地震勘探斷層特征Fig.2 Fault characteristics of 3D seismic exploration

圖3 礦井典型構(gòu)造特征Fig.3 Typical structural characteristics of mines

圖4 各煤層斷層發(fā)育密度對(duì)比Fig.4 Comparison of fault development density of each coal seam

已查明斷層最多切割煤層6層,多為切割1層;生產(chǎn)中揭露的隱伏斷層占比較大,勘探階段發(fā)現(xiàn)的斷層占比較小,給礦井日常生產(chǎn)地質(zhì)工作、特別是地質(zhì)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作帶來(lái)了一定的難度,同時(shí)也為煤炭資源的采出、井巷支護(hù)以及煤層灰分等帶來(lái)一定的影響。

2.3 層間滑動(dòng)

從已動(dòng)用的煤層看,層間滑動(dòng)較強(qiáng)烈,其滑動(dòng)方向大致呈東西向?；瑒?dòng)的強(qiáng)弱與煤層的軟硬成正比,煤層軟則強(qiáng),反之則弱。區(qū)內(nèi)17煤層間滑動(dòng)現(xiàn)象最為突出,這點(diǎn)可作為17煤的對(duì)比標(biāo)志之一。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)見(jiàn),中上煤組的沉積是比較穩(wěn)定的,部分煤層在近距離范圍內(nèi)突然變薄或變厚,均屬煤層層間滑動(dòng)所致,致使煤層開(kāi)采的難度變大。

3 斷裂構(gòu)造對(duì)生產(chǎn)礦井的影響

3.1 對(duì)資源的影響

大型斷層和褶皺對(duì)生產(chǎn)影響不大,因在勘探階段,大都已經(jīng)查明,在采區(qū)的劃分和采區(qū)內(nèi)巷道的布置上均已經(jīng)考慮。但小斷層和其他小構(gòu)造很難預(yù)測(cè),只有通過(guò)井下工作面及其巷道進(jìn)行探查,對(duì)生產(chǎn)的影響較大。38年來(lái)井下巷道和工作面斷層揭露統(tǒng)計(jì)表明,斷層主要造成地質(zhì)及水文地質(zhì)損失增加,累計(jì)已達(dá)534.80萬(wàn)t,實(shí)際地質(zhì)及水文地質(zhì)損失系數(shù)為0.193(表2)。

表2 斷層導(dǎo)致資源損失統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of resource losses caused by faults

3.2 對(duì)井巷掘進(jìn)的影響

根據(jù)礦井回采結(jié)束的196個(gè)回采工作面統(tǒng)計(jì),回采工作面巷道總進(jìn)尺243 149.10 m,其中為處理斷層而增加的無(wú)效進(jìn)尺59 951.1 m,占工程總量的29.7%。

由對(duì)比分析可知,隨著3次采煤工藝中機(jī)械化程度的提高(1981—1985年為普通炮采;1985—2008年為半綜合機(jī)械化采煤;2008—2018年為綜合機(jī)械化采煤),地質(zhì)損失量和損失率逐漸提高;隨著煤層開(kāi)采深度的增加,大型斷裂發(fā)育、構(gòu)造轉(zhuǎn)折端構(gòu)造斷裂發(fā)育程度與地質(zhì)損失呈正相關(guān)性。

3.3 對(duì)煤質(zhì)灰分的影響

30多年生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,由于斷層的發(fā)育導(dǎo)致綜采工作面灰分增加(表3)10%左右。

表3 斷層導(dǎo)致開(kāi)采煤層灰分變化統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of changes in coal seam ash content caused by faults during mining

3.4 對(duì)煤層頂板支護(hù)控制的影響

因?qū)娱g滑動(dòng)的影響,10、14、17煤層的底板發(fā)生1 m左右波幅的小褶曲,煤層頂板與煤層呈角度接觸,甚至插入煤層之中,頂板非常破碎,對(duì)安全生產(chǎn)不利。

由于構(gòu)造作用導(dǎo)致在中組煤層的12—17煤層間整體上為構(gòu)造滑動(dòng)層,形成構(gòu)造破碎段,尤其是在17煤的頂板泥巖發(fā)育區(qū)域內(nèi),破碎帶的存在嚴(yán)重制約了礦井巷道的快速高效掘進(jìn)和工作面回采,在工作面回采過(guò)程中導(dǎo)致控頂難度大,頻繁發(fā)生架前漏頂、架間漏矸、造成咬架、漏底等。

3.5 礦井生產(chǎn)對(duì)斷層的利用

在礦井總體設(shè)計(jì)、采區(qū)設(shè)計(jì)和礦井生產(chǎn)時(shí),應(yīng)對(duì)探查獲得的斷裂構(gòu)造的特征進(jìn)行整體考慮和利用。

(1)礦井主要運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道可以選擇在二疊系堅(jiān)硬的峨眉山玄武巖層內(nèi),巖體完整性較好,整體抗壓強(qiáng)度高,多年的生產(chǎn)實(shí)踐也已證明了其穩(wěn)定性,是大巷層位選擇的良好層位。

(2)大型斷裂構(gòu)造如火5、火6等作為井田邊界劃分的依據(jù),保護(hù)煤柱留設(shè)至少150 m,而小型斷裂構(gòu)造可以作為采區(qū)或工作面劃分的邊界。

(3)火6斷層的斷距減小了火6斷層下盤(pán)距茅口組灰?guī)r的距離,礦方選擇在火6斷層的下盤(pán)實(shí)施取水巷道,以較小的工程量完成了從下部茅口組灰?guī)r取水任務(wù),解決井下生產(chǎn)、消防等用水需求。

4 結(jié)論

(1)火燒鋪井田構(gòu)造特征中等,斷裂構(gòu)造發(fā)育,其中以正斷層為主,逆斷層次之,局部發(fā)育走滑、層間滑動(dòng)斷層;斷層的傾角40°～60°,走向以北東為主;各煤層中斷層發(fā)育的密度,14、10煤層最發(fā)育,7煤層最小。

(2)礦井地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育給礦井安全生產(chǎn)、地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、煤炭資源的采出率、灰分、頂板控制、巷道支護(hù)等帶來(lái)了巨大的困難。

(3)鑒于淺部開(kāi)采水平礦井揭露的斷層特征,向深部的向斜構(gòu)造的軸部以及盤(pán)關(guān)向斜西翼南段近轉(zhuǎn)折端區(qū),構(gòu)造勢(shì)必會(huì)更加發(fā)育。在深部采區(qū)布置時(shí),火6斷層可以作為26采區(qū)與23采區(qū)的采區(qū)邊界,濫2斷層可作采面劃分的邊界,保留煤柱,其中火6斷層兩側(cè)至少保留150 m的保護(hù)煤柱;同時(shí)在201611、20164、20163鉆孔12煤層與18煤層間發(fā)育落差20 m左右的斷層,做好探查。

(4)以往勘探及礦井生產(chǎn)中未發(fā)現(xiàn)斷層的導(dǎo)水性,為了安全起見(jiàn),在濫2斷層上部采空區(qū)與下部采區(qū)之間保留好一定厚度的防隔水煤巖柱,這樣既可以隔離淺部采空區(qū)與深部采區(qū)導(dǎo)通,又能預(yù)防濫2正斷層在采動(dòng)條件下通過(guò)斷層將下部采區(qū)與采空區(qū)積水導(dǎo)通。