陈金玉

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013)

瓦斯涌出的地质构造控制因素分析

陈金玉

(煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013)

通过地质构造对瓦斯赋存的控制分析,煤巷掘进工作面小断层分布、断层性质、断层落差调查研究,利用矿井安全监测监控系统对煤巷掘进工作面迎头CH4浓度适时跟踪测定,着重分析研究了过断层期间小断层落差与迎头瓦斯涌出的关系,确定了唐口煤业掘进工作面瓦斯涌出受小断层影响的范围和峰值出现的距离,为预测煤巷掘进工作面的瓦斯涌出奠定了基础,对安全生产具有重要指导意义。

瓦斯涌出;地质构造;煤巷掘进;小断层;落差

济宁煤田位于华北地台鲁西地台背斜的西南部,处于新华夏系第二沉降带的复合端。唐口煤矿位于济宁煤田济宁地堑西侧北部,东界为济宁断层,西界为嘉祥断层,由其构成的地堑构造。矿井设计生产能力 3.0Mt/a,采用竖井分区开拓,中央并列式通风。现主要生产区域为 -990m水平西翼130采区、230采区,北翼 430采区,开采二迭系山西组 3上煤层,煤厚 2.10～6.51m,平均 4.11m,煤质属气煤。瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井,矿井开拓开采过程中发现局部地点存在瓦斯异常涌出,给矿井安全生产带来了严重威胁。

1 地质构造对瓦斯赋存的控制

由于区域构造影响,该矿由南北向济宁断层和嘉祥断层切割而形成一个走向近南北向的地堑,且中间存在一条贯穿南北的向斜,即南张向斜,井田西翼有煤层露头风化带。因受孙氏店、济宁及嘉祥等南北向区域性断层的控制,次级构造以南北向、北北东向断层为主,局部因受南北二侧东西向构造带控制,也存有少量东西向断层。井田东、西边界地带受南北向济宁断层和嘉祥断层控制形成较多的附生断层。井田内则以北东向断层居多。后期的构造演化又强烈地改造了该矿区,产生了很多正断层[1]。因此,地质构造对井田瓦斯赋存影响很大。

1.1 不同的构造期对瓦斯赋存的影响

该矿与鲁西南诸煤田的构造格局基本相似,石炭二迭纪煤系及其寒武奥陶基底与其上覆的晚侏罗统地层呈区域不整合接触,不利于瓦斯的赋存,由于印支运动的影响,部分褶曲及断裂只表现于煤系,而未及侏罗系地层,产生了局部的瓦斯异常带,局部地区因印支运动是以垂直升降为主,使部分正向地层产生上隆并遭剥蚀,缺失了二迭系石千峰组至中侏罗统地层,使瓦斯赋存条件变差,因此,造成了瓦斯的大量逃逸。次级断裂构造也不甚发育,直至晚侏罗世及早第三纪,发生了强烈的燕山运动,使地壳产生了较大的褶曲与断裂构造,并伴有岩浆侵入,为煤层变质提供了良好的热源,产生了大量的瓦斯。燕山运动第一幕使本区域发生继承性的褶皱及断裂,同时由于应力场的不均衡作用而产生扭转,造成了现存的北东～北东东向的继承性构造。而且这些构造对煤田的存留都起着重要的控制作用,其向斜部位煤系都保留较好,而背斜部位则剥蚀强烈,因此,向斜附近瓦斯较高,两翼出现了煤层风化带,瓦斯大量逃逸。直到上侏罗统沉积后,燕山运动第二幕使本区再次发生褶皱,使前期断裂复活并产生新的次级断裂,同时伴有岩浆岩侵入,至此时鲁西南的构造格局已基本形成;燕山运动第三幕不但使前期北东～北东东向的构造以及近南北向正断裂再次活动,而且产生了次一级的北西向断裂,同时使侏罗系及侵入其中的辉长岩连同古生界地层受到了新的改造。

综上所述,本区域构造的主峰是燕山运动,燕山运动铸成了本区域构造的基本特征,至喜山期本区域的沉降继续加深,从而使负向构造地区沉积、覆盖了第三系及第四系厚松散层。总之,由于区域的构造运动,使井田瓦斯赋存条件总体上变差,由于局部的构造运动产生了局部瓦斯异常带[2-4]。

1.2 矿井构造对瓦斯赋存的控制

矿井构造与区域构造有着密切的关系,区域的构造作用及矿井在区域构造中所处的位置,都直接控制着矿井构造的展布规律。济宁煤田内的北东向褶曲表现较为明显,在向斜的内部,多发育了南北向的穿越向斜轴部的断层,且直接穿过了本煤田东部和西部,构成了煤田的瓦斯分带的区域性边界,加之该组断层在煤田内或近侧较发育,距离较近,因而也直接控制着矿井的构造形态。

该矿井全区呈宽缓褶曲构造,自东向西大体划分为十里铺背斜、南张向斜、火头湾背斜和漕井桥向斜,次一级褶曲发育,这对瓦斯保存有利。早期主要为北东～北东东向褶曲,后期受南北向济宁断裂和嘉祥断裂控制,使其发生扭曲和改造,形成了南北向褶曲。各褶曲因受多次改造及断层切割,形态不完整。但是后期的断裂构造则以南北向的正断层组为主,并切割了东西向构造的发育规律,破坏了瓦斯保存的有利条件。因此,造成了瓦斯赋存带总体上以断层构造为主导因素,南北向分带东西展布的特点,后期的断层影响由于其特点不同,使其对瓦斯赋存的影响也不同。

1.3 断层导水性对瓦斯赋存的控制

矿井生产实际揭露资料表明,隔水层中的断层不导水,断层两侧含水层与含水层相对接时,才有导水性。断层一盘为富水性较强的含水层时,靠近含水层处的断层带常表现为导水。

矿井勘探期间穿过断层的钻孔、断层带岩层较破碎,但多被泥质物充填,钻孔穿过断层破碎带时均未发现漏水和冲洗液明显消耗,表明断层带富水性弱。但本矿井山西组地层中砂岩厚度较大,断层两盘易对口接触,断层带以导水为主;石盒子组、太原组地层以隔水层为主,断层两盘含水层对口接触几率较少,断层带导水性弱,但太原组下部地层与奥灰间距小,因而与奥灰对口接触处附近的断层破碎带以导水为主。

总之,从鲁西南地区大的构造来看,该井田处在网格状张性断裂构造带,瓦斯保存条件较差,属低瓦斯区域。但是,由于唐口井田是个大的地堑构造,且构成地堑的断层导水导气性较弱,煤层埋深比周边矿井要深得多,一般煤层埋深达 1000m,因此,唐口井田瓦斯涌出量比周边矿井要大得多,且具有不均匀性,存在瓦斯涌出异常地带。

2 断裂构造对瓦斯赋存的影响

该矿近南北向正断层主要分布在东西边界,且次一级次生断裂发育,形成复杂断裂带;近东西向正断层只有北部 F4断层。这些大断层多为张性正断层,不利煤层瓦斯保存,因此井田边界瓦斯含量一般比井田中部小。F2,F3断层之间为一复杂断裂带,其中的瓦斯分布也可能比较复杂。井田各煤层在断层带内或断层附近,瓦斯含量较低。

2.1 断层附近瓦斯分布的一般规律

由于煤层的非均质性和断层在煤体中造成的残余构造应力的不均衡性,断层影响带内煤体破坏程度千差万别,势必会造成煤层瓦斯压力、瓦斯含量分布不均衡。煤巷掘进在通过断层带时,瓦斯涌出会出现明显的差异,从而在断层附近形成瓦斯涌出量的驼峰曲线。

不论断层大小,瓦斯分布和变化模式基本相同,只是变化幅度不同而已。在断裂过程中,形成2个应力分布带,即地应力释放带和地应力集中带,而瓦斯的分布也出现相应的分带现象,其对应关系如表 1。在断层处,应力释放,压力降低,瓦斯部分逸出,出现谷值;由此向外,应力集中,压力升高,瓦斯聚积,开采时涌出量增大,出现峰值;再向外,压力和瓦斯均趋于正常[5]。

表 1 断层附近地应力和瓦斯分布关系

在不同情况的小断层附近,其瓦斯分布有所不同。在开放性的断层 (一般为张性正断层)附近,其瓦斯涌出量变化为一谷两峰 (图 1a);如果两条小断层相距很近,且两断层之间连通关系不好时,中间还会出现一个小峰 (图 1b);如果相距很近且连通关系较好的两条断层,实际上可视为一个断层带 (图 1c),瓦斯分布的曲线与图 1a基本相同;在封闭的断层附近,多数情况下谷值不明显,只出现一个瓦斯增值带 (图 1d)。

图 1 各种小断层附近瓦斯分布

2.2 矿井主采煤层瓦斯涌出与小断层的关系

由井田内所揭露的小断层及矿井勘探期间穿过断层的钻孔情况看,均为正断层,断层带岩层较破碎,但多被泥质物充填,钻孔穿过断层破碎带时均未发现漏水和冲洗液明显消耗。表明断层带富水性弱。因此,这小断层构造有的利于瓦斯赋存,有的则有利于瓦斯运移,致使小断层构造对该矿井的瓦斯赋存和涌出规律有重要影响。

断层作为构造的一种形式,为瓦斯赋存提供 2种条件,即瓦斯贮存的屏障或瓦斯运移的通道。煤层中发育有众多的中小断层,对煤层开采过程中的瓦斯涌出起着非常重要的控制作用。在分析断层对煤层瓦斯的影响时,常呈现比较复杂的关系,这是因为断层对瓦斯是起封闭还是起排放作用,既与断层的力学性质有关,又与煤层的围岩性质和断层上下盘与煤层接触地点岩石的岩性以及与断裂的充填情况等均有关系。本次选择了 4条巷道,即 2306胶带巷和 2306轨道巷、2308胶带巷和 2308轨道巷,分析断层与主采煤层瓦斯涌出量的关系。

以 2306胶带巷为例,其掘进期间共揭露 7条小断层,分别为 F2306-9∠60°,H=0.8m;F2306-8∠60°,H=1.5m;F2306-7∠45°,H=1.5m;F2306-6∠38°,H=3.5m;F2306-5∠50°,H=3m;F2306-4∠60°,H=9m;F2306-3∠65°,H=1.0m。F2306-8断层带无充填物,断层落差较小,无淋水渗水,无破碎带,煤层顶板为灰白色的中砂岩。F2306-7,F2306-6在巷道掘进处交汇,为一正断层组,呈一地堑状,无明显破碎带,断层落差虽然不大,但是两条断层使得煤层中断,被砂岩填充,煤层顶底板均为泥岩。F2306-4,F2306-5断层带落差较大,两盘煤层相距较大,两盘煤层与以砂岩和泥岩为主的岩层对接。

2306胶带巷掘进过程中,巷道瓦斯涌出量变化情况见图 2。F2306-7,F2306-6断层带被砂岩填充,砂岩的透气性较泥岩好,掘进过程瓦斯涌出量增幅较小。F2306-8断层带无充填物,断层落差较小,在揭露断层前 20m处瓦斯涌出量最大,在断层面处瓦斯涌出量却较小,过断层之后瓦斯涌出又出现一小峰,瓦斯涌出表现为一谷两峰型。F2306-4,F2306-5断层带落差较大,断层带煤层较碎裂,掘进过程中,巷道穿岩层掘进到煤层,在掘进到煤层时,瓦斯涌出量迅速增加,增幅较大,主要是因为泥岩的透气性差,封闭性较好,瓦斯逸散少,瓦斯涌出量最大段为断层下盘。

图 2 2306胶带巷掘进期间瓦斯涌出情况

2.3 小断层落差与瓦斯涌出的数值分析

断层落差是构造应力作用下两盘发生相对位移的产物,体现了一定构造应力的强度与作用方式,改变了瓦斯赋存的边界条件。一般情况,瓦斯涌出量在断层周围发生波动变化。断层落差越小,瓦斯涌出量的变化幅度也小,也越接近平稳,断层落差增大,瓦斯涌出量变化幅度也增大。同时,瓦斯涌出峰值出现的距离也与断层落差相关。断层落差小,峰值出现距断层面亦近。

为了更好地研究断层和瓦斯涌出量的关系,收集并统计了唐口煤业公司 4条掘进巷道中具有明显涌出特征的小断层 (表 2),重点研究瓦斯涌出和断层各参数之间的关系,预测断层附近瓦斯涌出量的变化规律。

瓦斯涌出在断层周围有一定的范围,并且影响范围与断层的性质有关。由于所统计的正断层倾角大多大于 50°,与掘进巷道的夹角在 40～60°,所以只研究瓦斯涌出与断层落差的关系。在掘进巷道过正断层时,上下盘的瓦斯涌出量有所不同,下盘瓦斯的涌出量是上盘的 1～2倍;瓦斯涌出的最高值往往出现在断层的下盘,过断层后上盘的瓦斯涌出较弱。原因是断层下盘的拖曳现象较上盘明显,而在断层下盘附近煤岩层中,发育有一系列开放性的伴生微小断裂或裂隙,既有利于瓦斯赋存,更有利于瓦斯运移,形成高瓦斯聚积区。

表 2 唐口煤业断层附近瓦斯涌出情况

(1)瓦斯涌出峰值出现的距离与断层落差关系 根据该矿各断层产状和瓦斯涌出量,分析其分布特征,发现 230采区在掘进过断层时,瓦斯涌出峰值距断层的距离与断层落差具有如下特征,如图3所示。

图 3 瓦斯涌出峰值距断层的距离与断层落差关系

经回归分析,瓦斯涌出峰值出现的距离 (X)具有随断层落差 (H)增加而增大的整体趋势,两者之间有如下的线性规律。其回归方程为:

式中,X为瓦斯涌出峰值距断层的距离,m;H为断层落差,m。

(2)瓦斯涌出影响范围与断层落差关系 在正常条件下,涌出量的大小与断层的距离有关,过断层后又逐渐恢复正常值,称之为瓦斯涌出影响范围,即断层对瓦斯涌出的影响范围,其具体特征如图 4所示。

图 4 瓦斯涌出影响范围与断层落差关系

由图 4可以看出,瓦斯涌出影响范围具有随断层落差增加而增大的整体趋势。两者之间有如下的线性规律。其回归方程为:

式中,L为断层影响瓦斯涌出范围,m;H为断层落差,m。

通过上述分析可知,断层附近的瓦斯涌出量峰值出现的位置、瓦斯涌出的影响范围与断层落差的关系如式 (1)和式 (2),因此,在矿井开采的过程中,首先通过物探等手段确定未采区的断层产状,再利用上述方程确定过断层时瓦斯涌出的影响范围和峰值,对于做好采掘工作面通风、进行瓦斯抽放,指导安全生产,具有一定的实践意义。

3 结论

(1)不同构造期的区域构造运动使井田瓦斯赋存条件总体上变差,由于局部的构造运动产生了局部瓦斯异常带。

(2)矿井呈宽缓褶曲构造,后期受南北向济宁断裂和嘉祥断裂控制,造成了瓦斯赋存带总体上以断层构造为主导因素,南北向分带东西展布的特点,后期的断层影响由于其特点不同,使其对瓦斯赋存的影响也不同。

(3)煤层的顶底板泥岩构成了良好的隔水层,使瓦斯几乎不受地下水流动的影响,断层封闭性较好,导水性较差,因此,正常的水文地质条件对矿井瓦斯赋存影响较小。

(4)井田内瓦斯含量分布受控于地质构造,尤其是南北展布的断层 (F2,F3断层)对该矿瓦斯影响较大。该井田内瓦斯分布影响主导因素是断层,其次是埋深和煤层厚度。

(5)小断层对采掘工作面瓦斯涌出量影响较大。瓦斯涌出峰值距离随小断层落差增加而增大,瓦斯涌出影响范围也随小断层落差增加而增大。

[1]山东中煤物探测量总公司 .唐口煤矿建井地质报告 [R].济宁,2005.

[2]陈金玉 .唐口煤矿瓦斯基础参数测试及治理方案研究报告[R].北京,2006.

[3]张子敏 .瓦斯地质学 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[4]陈金玉 .深井煤层瓦斯地质规侓研究报告[R].北京,2009.

[5]王大曾 .瓦斯地质 [M].北京:煤炭工业出版社,1992.

Analysis of Geological Tecton ic Factors ofM ethane Gushing

CHEN Jin-yu
(Mine Safety Technology Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

W ith real-time methane densitymonitoring data,this paper analyzed the relationship of small fault throw and methane gushing during roadway driving through fault based on the analysisof geological tectonic controllingmethane occurrence and statistic of s mall faults.It confirmed range ofmethane gushing influenced by s mall fault and gushingpeak distance.The resultprovided base for the prediction ofmethane gushing in coal roadway driving.

methane gushing;geological tectonic;coal roadway driving;s mall fault;throw

TD712.2

A

1006-6225(2010)03-0102-04

2009-12-24

陈金玉 (1962-),男,安徽安庆人,高级工程师,注册安全工程师,一级安全评价师,一直从事煤矿安全方面的科研工作。

[责任编辑邹正立]