轩岗矿区焦家寨煤矿5号煤层瓦斯地质规律研究
(飞禽走兽老虎机:煤炭工业厅资源地质局,山西 太原 030045)
摘 要:基于瓦斯赋存构造逐级控制理论,研究了轩岗矿区区域构造演化及控制特征,总结了焦家寨矿构造分布特征及对瓦斯赋存的控制作用。分析了地质构造、上覆基岩厚度、煤层厚度等对瓦斯赋存的影响,确定影响瓦斯赋存的主控因素,并进行了瓦斯含量预测;结合井田构造特点,进行煤与瓦斯区域突出危险性预测。研究结果表明:井田内正断层发育使得瓦斯大量逸散,上覆基岩厚度是瓦斯赋存的主控因素。矿区断裂构造发育,落掉山旋扭构造使本矿井断层呈扫帚状展布,5号煤层构造煤发育,控制了井田煤与瓦斯突出的危险。研究方法对类似地质条件的煤矿瓦斯预测及防治具有借鉴意义。
关键词:构造;瓦斯赋存;主控因素;煤与瓦斯突出
0引言
查明瓦斯赋存的地质主控因素,是制定瓦斯治理措施、保障煤矿安全生产的基础。瓦斯是复杂的气体地质体,生于煤层、储存于煤层,受地质因素的影响,煤层瓦斯分布是不均衡的,高瓦斯矿井中存在低瓦斯区域,同样,低瓦斯矿井中也有瓦斯较高的区域[1-3]。井田范围内发育开放性正断层,利于瓦斯运移、释放。井田范围内存在局部高瓦斯区,尤其在构造复合部位,构造煤发育区,易发生煤与瓦斯突出,是安全生产的重点。因此,研究构造、瓦斯赋存因素对矿井的安全生产和安全管理起着至关重要的作用[4]。
1 轩岗矿区构造演化及控制特征
轩岗矿区位于飞禽走兽老虎机:宁武向斜东北部仰起端,总体构造形态呈走向北东,倾向北西的单斜,以轩岗为中心,南部各井田均受以落掉山断裂为主形成的帚状构造的控制。各断裂区域走向NE30°~60°,为北西侧滑落的走向平移断裂。落掉山大断裂从落掉山主峰起开始分叉成几条弧形的断裂构造。向六亩地等井田撒开,构成了落掉山帚状构造。水平砥柱在南参食背斜处,其北侧落掉山为其收敛部分。在落掉山大断裂东侧,产生与此大断裂斜交的中小型断裂。这些断裂大部分为东南侧下降的正断层,与大断裂形成帚状构造。因此,上述几个井田内的断层,一组为北西侧滑落的弧形断层;一组为南东侧下降的正断层。同时,各井田内的大部分断层面多呈弧形。地面倾角大,向深部变缓,以至消失。这可能是由于地表附近所受的旋扭力比较大,向深部水平扭运动逐渐变弱,并且伴生垂直旋扭运动的结果。轩岗矿区后期受新华夏构造体系控制,动力来源于SE70°向水平压力,属燕山运动初幕的产物,一个巨型的多字型构造体系。由于多字型地块相对运动中产生了云中山旋扭性的帚状构造,为断陷槽地所形成,显示出东北部浅、南西深,即由北北东,向南南西方向下陷移动,而轩岗矿区位于云中山旋钮性帚状构造的北中部[5-6]。
轩岗矿区北部各井田系受黄甲堡大断裂、段家堡大断裂及其分叉的官地断层的控制。黄甲堡井田受黄甲堡大断层与其平行的后口断层的相对扭动,井田内出现两组规模较小的扭断层,断距在0.5米至8.5米。其中一组为NW50°,另一组为NE40°,互相交切成X形,组成一对共扼裂面。几条断层为北东走向,北西侧下降,构成阶梯式断层构造,制约着井田构造的发展,整体上矿区正断层发育,为张性断层,利于瓦斯逸散,区内主要断层如下:黄甲堡断层、段家堡断层、牛食尧断层、后口断层,本矿区地层总体呈一单斜构造,走向NE,倾向NW,倾角8~20°,局部达32°,浅部倾角较陡,深部倾角变缓。
图1 轩岗矿区构造纲要图[5]
2 矿井构造分布特征
焦家寨井田位于轩岗矿区西南部,经地面勘查及井下揭露,本井田地质构造复杂程度为中等~复杂,以轩石铁路为界,南部为复杂构造,北部为中等构造。受区域构造的控制,井田内地层走向NE、倾向NW,呈单斜。地层倾角10~15°,平均12°左右,为缓倾斜地层。井田内断裂构造较发育,尤其是层间小断层十分发育,直接影响矿井生产。本井田褶曲不发育,在西北部有一宽缓褶曲,在511采区1140和1160m煤层底板等高线构成马鞍形构造。井田内未发现陷落柱,无岩浆岩体侵入。
焦家寨井田共发现落差3m以上的大中型断层有68条,该矿采掘工程共揭露落差小于3m的小型断层260余条,均为正断层。大中型断层均为高角度正断层,小型断层多为层间断层。除个别断层的走向近SN向以外,大部分断层走向NE,倾角48~75°,近平行排列,往往组合成地堑或地垒。部分成组出现,形成断裂带。大型断层旁侧常常发育小型断层,呈“入”字形排列,对煤层切割破坏较为严重。
图2 焦家寨井田构造纲要图
层间断层只发育在某层段之间,在5号煤层中较为发育,由于层间滑动,使5号煤层发生塑性流动,煤层减薄或增厚。煤层直接底板砂岩或砂质泥岩也受滑动挤压影响,厚度变化较大,造成底板高低起伏。5号煤层顶底板脆性岩层因滑动断裂,形成层间断层,顶断底不断或底断顶不断。顶底板脆性岩层插入煤层中,形成一些空间展布不规则的岩体,成为本区5号煤层中层间断层的一种特殊形式-穿刺构造,一般以底板穿刺为主。
3 煤层瓦斯赋存影响因素分析
3.1 地质构造
矿井整体属于帚状扭性构造区,勘探及实际揭露的地质情况表明,区域内全部为正断层,在断层层面处,断层交叉部位,是瓦斯逸散的优良通道,瓦斯含量普遍偏低,生产实践中很好的验证了这一结论。临近刘家梁煤矿发现历次奥陶系岩溶突水点、地质构造薄弱,断层、裂隙发育处,瓦斯逸散明显,伴有大量的瓦斯涌出。
3.2 上覆基岩厚度
随着煤层理藏深度的增加,地应力增高,围岩的透气性降低,瓦斯向地表运移的距离相应也增大,这种变化有利于封存瓦斯、不利于放散瓦斯。在瓦斯带内,瓦斯含量、涌出量及瓦斯压力主要随煤层理藏深度增加而变大。
根据焦家寨煤矿的钻孔资料、瓦斯含量和地质资料,对主采的5号煤层上覆基岩厚度与瓦斯含量进行了线性回归分析,如图3所示。
由图可知,5号煤层瓦斯含量随上覆基岩厚度增加而增加,线性规律明显,其中瓦斯含量与上覆基岩的定量关系式为:
W=0.0086H+2.243 (1)
式中,W为瓦斯含量,m3/t;H为上覆基岩厚度,m;相关性系数R=0.91,为较高的相关性,瓦斯含量梯度为0.86m3/hm,目前开采深度范围内,瓦斯含量范围应该在3~6.5m3/t,实测结果很好的验证了这一结论。
图3 上覆基岩厚度与瓦斯含量关系图
由图可知,5号煤层瓦斯含量受上覆基岩厚度控制,对瓦斯含量8、10m3/t等值线的控制程度可达到80%,受其他因素影响的摆动幅度一般不大于20%。结合生产测点、地勘瓦斯含量数据,上覆基岩厚度对瓦斯含量5m3/t等值线的控制程度达到85%以上。
利用实测瓦斯含量、煤的工业分析,反演了瓦斯压力,5号煤层瓦斯压力在0.7~0.95,大部分区域大于0.74MPa,具有煤与瓦斯突出危险性[7];实测瓦斯压力介于0.6~0.91MPa,与推算的瓦斯压力基本吻合,由于井下实测数据丰富,可以认为预测结果符合实际。
3.3 煤层厚度
研究表明,煤层厚度增大,瓦斯含量一般也增大,二者成正相关关系。煤厚增大瓦斯含量增大的主要原因在于,煤层相对围岩透气性差,对于厚煤层来说,靠近煤层顶底板的分层相对中间分层起到了阻止瓦斯逸散的作用,因此,煤层中部瓦斯含量较高,厚煤层可以形成瓦斯分层。对薄煤层来说,煤层瓦斯直接向围岩逸散,全层瓦斯含量降低,以致煤层不具备发生煤与瓦斯突出的基木瓦斯条件[8-9]。
煤层厚度5.10~22.15m,平均12.34m,为稳定厚~特厚煤层,全区可采,层位稳定,厚度变化较大,减薄区多分布在大中型断层下盘,与断层走向基本平行。利用焦家寨煤矿钻孔资料、瓦斯含量和地质资料,对主采的5号煤层煤厚与瓦斯含进行了回归分析,得到
W=0.4974H-1.9111 (2)
式中,W为瓦斯含量,m3/t;H为煤层厚度,m;相关性系数R=0.84,为较高的相关性。
图5 煤层厚度与瓦斯含量关系图
在生产中,在232、259、227钻孔对应开采区域瓦斯涌出量普遍低于正常值,在下一步生产中遇到厚煤层区域应加强瓦斯预测。
3.4 顶、底板岩性
煤层与顶板砂岩局部直接接触,成煤初期煤层被冲刷、初期瓦斯逸散;在漫长的地质成煤变质作用、地质构造搓动、煤层瓦斯不断扩散,根据临近刘家梁煤矿煤层瓦斯含量测定结果分析,煤层瓦斯含量与其顶板砂岩分布有关,顶板为砂岩时的煤层瓦斯含量低于顶板泥岩煤层瓦斯含量0.5m3/t。
煤层含夹石0~7层,多数为2~3层,单层夹石厚度一般为0.1~0.6m。在煤层底部含有较多的黄铁矿结核,形状一般为椭圆状、不规则球状等,最大直径10~15cm。煤层直接顶板一般为砂质页岩,平均厚度6.87m,底板为中粒砂岩,平均厚度1.47m。在轩岗矿区,5号煤层受构造应力作用产生塑性流变,使煤层和夹石发生了破碎、揉皱、滑动等变形,导致煤层时薄时厚,夹石时断时续,给回采带来一定的影响。
煤层顶底板为孔隙率大的砂岩或节理裂隙发育时,瓦斯有扩散的条件,煤层瓦斯含量可能降低。如:79年四横贯进风轨道石门掘进遇煤线瓦斯涌出量增大,从底板上水中冒气泡。
4 瓦斯赋存分布规律
由上述分析可知,本井田瓦斯赋存的主控因素为上覆基岩厚度,并建立了上覆基岩厚度与瓦斯含量的相关关系,依次预测,井田由南向北,瓦斯含量逐级增大,北部瓦斯含量最大达到13m3/t。
矿区断裂构造发育,落掉山旋扭构造使本井田断层呈扫帚状展布。经多期次构造运动影响,在西北部形成马鞍形构造。同时由于层间滑动,使5号煤层发生塑性流动,煤层变薄或增厚,该煤层构造煤发育。此外,该煤层瓦斯含量高,瓦斯压力大(最大实测值为0.91 MPa),预测5号煤层具有煤与瓦斯突出危险性,在有利于瓦斯封闭的构造复合区是煤与瓦斯突出发生的部位。
5 结论
(1)焦家寨井田构造中等,井田范围内全部为正断层,断层对区域内瓦斯逸散有利。
(2)上覆基岩厚度是瓦斯赋存的主控因素,并建立了上覆基岩厚度与瓦斯含量的相关关系。经预测,井田由南向北,瓦斯含量逐级增大,北部瓦斯含量最大达到13m3/t。
(3)矿区断裂构造发育,落掉山旋扭构造使本井田断层呈扫帚状展布。5号煤层构造煤发育,预测5号煤层具有煤与瓦斯突出危险性,在有利于瓦斯封闭的构造复合区是煤与瓦斯突出发生的部位。
参考文献
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作者简介:宋志刚,男,生于1982年,2009年毕业于河南理工大学,安全技术及工程专业,获硕士学位,电话:0351-2389335,Emali:zgsong507@126.com。