低瓦斯矿井瓦斯异常带地质特征识别

彭小东 王建国 王海凤

(1.平顶山天安煤业股份有限公司五矿,河南 467091;2.中国地质大学资源学院,湖北 430074;3.平顶山天安煤业股份有限公司十一矿,河南 467047)

据统计,瓦斯事故是我国煤矿事故的主要类型,其中又以瓦斯爆炸的发生次数和伤亡人数最多。不仅仅高瓦斯矿井发生瓦斯爆炸事故,低瓦斯矿井的瓦斯异常带也时有瓦斯爆炸事故发生。

地质条件的差异控制了瓦斯赋存状况的不均衡,使高瓦斯矿井中存在相对低瓦斯带,低瓦斯矿井中存在相对高瓦斯带,并可能形成瓦斯异常带。瓦斯异常带是指低瓦斯矿井中由地质条件控制的瓦斯相对富集带,在采掘应力影响下极易引发瓦斯异常涌出及煤与瓦斯突出。本文拟通过研究形成瓦斯异常带的地质条件,并依据矿井生产过程中揭露获得的地质资料,不断校正瓦斯异常涌出易发地段和突出危险区带的预测成果,为瓦斯事故防范提供地质保障。

1 影响瓦斯异常的地质因素

低瓦斯矿井发生瓦斯事故的根本原因是人们对瓦斯异常带的客观存在还没有充分的认识,因而未能及时采取相应防治措施。

兖州东滩煤矿为低瓦斯矿井,但在建井和生产过程中曾先后在局部地段发生过20次瓦斯异常涌出和局部积聚事件,其瓦斯异常带主要出现在：底板岩巷通过次级向斜轴及煤岩通过次级背斜轴附近、中型断层下盘、小断层及节理发育地带、煤层厚度、结构变化较大和煤层分岔合并地带等。

潘一矿1993年“1.20”瓦斯爆炸事故的直接原因是由于1662(3)下顺槽掘进工作面揭露地质构造引起瓦斯异常涌出。根据事故现场勘察,工作面煤层及伪顶的裂隙增加,底部煤质变软,采样测定坚固性系数f值为0.64,工作面靠顶部上帮出现2m长的拱形裂缝。潘三矿1997年“11.13”瓦斯爆炸事故的直接原因是由于1772(3)轨道顺槽在放炮过程中遇断层,短时间内大量瓦斯涌出,超过工作面的通风能力,造成巷道瓦斯浓度超限。

研究异常区域的瓦斯赋存特征的目的在于判断异常区域内瓦斯赋存的状况,煤吸附瓦斯的特性变化情况。造成煤层瓦斯赋存状况局部变化的主要地质条件一般有：相应地段内中、小型构造及其组合,构造及与之伴生的节理系,煤层产状,煤层厚度、结构,煤层分岔与合并,煤体结构及软煤分层的分布,顶、底板岩性组合及其变化等。虽然目前非接触性准确探测局部地质条件变化的手段尚未成熟,但只要加强相应地段具体地质条件的具体分析,这些地质条件在采掘工作面通过的相应地段是客观存在的,且在小范围内是有规律可循的。大量事实表明,瓦斯异常带通常为地质异常带。

1.1 地质构造

(1)断层

断层对于煤层瓦斯保存的影响比较复杂。一方面要看断层的封闭性,另一方面还要看与断层接触的对盘岩层透气性。开放性断层易引起煤层在断层附近瓦斯含量降低,当与煤层接触的对盘岩层透气性大时更是如此。封闭性断层,一般是压性、压扭性、不导水、现在仍受挤压而处于封闭状态,当煤层对盘岩层透气性低时,可以阻止煤层瓦斯的排放。如果断层规模很大,距离很长时,由于煤层对盘岩层密封的权率往住会减少,所以在断层处一般会出现一定宽度的瓦斯含量降低区,而稍远离断层,由于断层应力集中带的影响,地应力增加,透气性变差,故出现瓦斯含量增高区。与煤层走向和主要褶皱轴向一致的断裂构造,大部分是封闭型的,是富集瓦斯的地点。断层组合对瓦斯的赋存也有一定的影响,由两条封闭断层与致密岩层圈闭的地堑或地垒往往形成瓦斯含量增高区,特别是地堑,由于深部瓦斯补给,瓦斯含量会明显增大。

(2)褶皱

褶皱类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响。如果背斜轴部破坏微弱,或由致密岩层覆盖时,背斜轴部常常是瓦斯的主要积聚地带。向斜构造一般是轴部的瓦斯含量比翼部高,这是由于轴部岩层受到强力挤压,强烈的挤压使顶部煤岩层的透气性变小,有利于封闭煤层瓦斯。复式褶皱和紧闭褶皱,盖层封闭良好时,有利于造成瓦斯分布的不均衡和相对富集。

1.2 煤体结构

在构造应力作用下,煤体结构遭受破坏,微孔隙、节理、裂隙发育,为瓦斯提供了赖以赋存的空间,易于瓦斯富集。煤体破坏程度增高,煤的粒度减小,比表面积增大,致使煤的孔隙率变大,吸附性能增强;而煤体中裂隙宽度变小,透气性减小,能保持更高的瓦斯压力。并且,煤体破坏程度越高,瓦斯放散能力也越强。这些都为瓦斯异常涌出和煤与瓦斯突出创造了有利条件。

1.3 煤层

通常煤层分岔与合并处,瓦斯含量增大。煤层含有夹矸时,在构造应力的作用下,煤层发生揉皱变形,由于夹矸较煤层的硬度大,加剧了煤体结构的破坏程度,增大瓦斯赋存空间。由于构造作用的影响,形成煤层局部变厚的大型煤包,也会出现瓦斯含量增高现象。这是因为,煤包周围在构造应力作用下,煤层被压薄,形成对煤包的圈闭条件,使其生成的瓦斯难于排放。

煤层倾角对瓦斯的赋存也有影响。一般地,在相同的条件下,煤层倾角越小,煤层瓦斯越易于保存。这是因为岩层的透气性一般比煤层低,瓦斯沿层运移的路程随倾角变小而增加的缘故。

1.4 岩浆及地下水活动

由于局部地段岩浆侵入,高温高压的岩浆携带一些热液气体,促使煤层变质程度加深,产气量增加,当岩浆使煤层局部被覆盖封闭,阻止了气体逸散,易形成瓦斯富集区。另外,岩浆侵入使煤层受力,揉搓粉碎,造成煤体结构破坏,形成软煤分层;使局部煤系地层处于不均衡的应力紧张状态,积蓄了弹性潜能。这些都是有利于瓦斯生成和赋存的良好条件,也是突出发生的基础。

地下水活动对瓦斯赋存的影响,一是地下水进入煤层中并吸附在各类空隙的表面,降低了煤对瓦斯的吸附能力;二是岩层的孔隙和裂隙不仅是地下水活动的场所,也是煤层瓦斯运移的通道。所以,水文地质条件越简单,瓦斯就越容易富集;水文地质条件越复杂,瓦斯就越易于逸散。

2 实例分析

2.1 潘西矿后五块段概况

块段内19#煤层厚2.3m,夹矸厚0.24m。煤体松散易碎,为高硫低灰的肥煤。煤层倾角约为26°。煤层顶面向上依次为砂质泥岩 (8.1m)、细砂岩(15.0m);底面向下依次为泥岩 (5.0m)、粉细砂岩 (20.0m)。块段内煤层瓦斯含量最高为1.225mL/g,工作面绝对瓦斯涌出量一般为0.16m3/min。

2.2 工作面瓦斯涌出状况

后五回风巷从1193主巷绕道开门,掘进230m岩巷过F7断层后揭19#煤层,又掘进了160m煤巷后见F7的分支断层F7-1,掘38m岩巷穿过F7-1断层后见煤,掘煤巷30m后发现工作面炮眼内瓦斯浓度达到100%,放炮后风流中瓦斯浓度经常超限,最高达3%,瞬间瓦斯绝对涌出量达到7m3/min左右 (见表1)。

由表1可见,工作面位于F7-1断层上盘期间,瓦斯涌出量虽较一般值大,但并不构成瓦斯异常涌出,接近断层瓦斯涌出量进一步增大,应视为异常涌出。特别是工作面进入F7-1断层下盘煤巷后,在距断层下盘交面线20～150m范围内,涌出量明显增大,工作面风流中瓦斯浓度较高,且经常出现短时超限。

表1 潘西矿后五回风巷掘进工作面瓦斯检测结果

2.3 引发瓦斯异常涌出的地质条件分析

(1)在F7及F7-1断层影响带,尤其是在两断层分岔合并、构造应力相对集中的范围内,相关节理发育,煤体硬度明显变小,煤层及其顶底板岩层的孔隙度增大,易破碎,炮后多呈粉煤,块煤极少,反映了原始煤体的比表面积较大。同时,煤体的构造应变使其对瓦斯的吸附和放散性能有所改善,加之煤层顶底板为封闭性较好的砂质泥岩和泥岩,使后五块段、特别是断层影响带的煤层瓦斯保存条件较好,煤层瓦斯含量相对高。

(2)F7断层上盘断块的煤层,其上部是后一采空区,下部受阻于F7断层,缺乏本煤层瓦斯补给,涌出量较低;F7与F7-1断层之间断块的煤层,虽然断层及节理形成了煤层瓦斯纵向运移的通道,使断层旁侧煤层瓦斯有一定的逸散,总体上瓦斯保存条件较好,涌出量也较高;F7-1下盘断块的煤层,除煤层瓦斯保存条件较好外,其上部受阻于F7-1断层,下部又有深部本煤层瓦斯补给,致使瓦斯涌出量相对最高,发生异常涌出的次数也最多。

3 结论

(1)低瓦斯矿井的瓦斯事故往往发生在由地质条件控制的瓦斯异常带。有利于瓦斯异常带分布的地质特征一般有：对盘岩层透气性差的封闭断层、大型封闭断层的应力集中带、与煤层走向和主要褶皱轴向一致的断裂构造、两条封闭断层与致密岩层圈闭的地堑或地垒、破坏微弱的背斜及简单向斜轴部、盖层封闭良好的复式褶皱和紧闭褶皱、煤体结构破碎、构造作用形成的大型煤包、煤层分岔合并处、岩浆侵入使煤层局部封闭。

(2)在影响煤层瓦斯分布的诸多因素中,地质构造对其他各因素具有不同程度的控制作用,所以分析矿井的地质构造形式及其组合特征、构造应力状态,找出不同条件下瓦斯异常带分布的主控因素,是进行矿井瓦斯异常带超前判识的关键。

(3)通过对井田瓦斯地质资料的综合分析,采用物探手段探测确定工作面前方地质构造位置及煤厚突变点,并根据实际揭露时的瓦斯参数,进行瓦斯异常带预测、预报,应成为低瓦斯矿井瓦斯治理的必要环节。

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