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淺析烏蘭井田下二疊統(tǒng)三層煤瓦斯地質特征
論文關鍵詞:瓦斯地質特征 瓦斯涌出量 突出預測 災害治理
論文摘要:根據構造與煤體結構發(fā)育特征，將烏蘭井田三層煤區(qū)分為4個瓦斯地質單元。在瓦斯含量、瓦斯壓力、f值、△P等參數測試和瓦斯涌出量統(tǒng)計的基礎上，對各瓦斯地質單元的瓦斯地質特征進行了論述。
烏蘭井田地處內蒙境內，隸屬寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，下二疊統(tǒng)三層煤為井田范圍內唯一的特厚煤層，厚度0.11一23.53m，平均9.22m，整個井田范圍內具有南厚北薄、淺部厚深部薄的特點，是烏蘭礦的主采煤層。三層煤煤層結構復雜，含2一18層夾研，一般5一10層;上部結構相對復雜，距離頂板0.1-1.Om左右有一層相對穩(wěn)定的高嶺石夾研，厚度在0.5一0.gm左右。三層煤上部灰分含量在30%左右，下部在20%左右，平均灰分24.49%。6勘探線以南為焦煤(JM)，其中標高+135om以上6一11線為l/3焦煤(l/3JM)，3一6線為氣煤(QM)，3勘探線以西+1350以下為肥煤(FM)。焦煤約占40%左右。
在進行淺部開采時，瓦斯涌出量較小，但隨著開采深度的增加，瓦斯問題越來越嚴重，尤其是目前正在開采的南2采區(qū)，瓦斯問題嚴重制約著生產安全和進度。本文系統(tǒng)探討了三層煤的瓦斯地質特征，旨在為瓦斯災害治理提供參考依據。
瓦斯地質特征
1.1構造應力場
呼魯斯泰向斜的西北翼邊界發(fā)育一組逆斷層，以呼魯斯泰逆斷層(Fh)為代表。井田內發(fā)育一組NW-SE向的正斷層，如F73、F;等;以及與之共生的正斷層，如F7。等(圖l)。由這些斷層的產狀以及小斷層走向玫瑰花圖可知，烏蘭井田經歷了兩期構造應力場的作用。第一期為近SN向的擠壓應力，這一期構造應力場形成于燕山期，在SN向擠壓的同時伴隨著東部抬升和西部下降，造成了地層西傾現象的產生。在這種構造應力場的作用下，產生了F73、FS和F76斷層，為共扼關系。同時隨著北部的不斷抬升，發(fā)生了強烈的向西的重力滑動，形成了與F76走向平行的一系列褶曲。喜山期構造應力場的方向發(fā)生變化，轉移為NW一SE向的擠壓。這一期構造應力場不僅對燕山期形成的構造進一步強化、改造，而且形成了以Fh為代表的逆斷層，同時使得呼魯斯泰向斜形成并定型。兩期構造應力場在煤層小斷層走向玫瑰花圖上可清晰地反映出來。
1.2瓦斯地質單元劃分及其特征
根據三層煤的小斷層發(fā)育特征，將整個井田分為4個構造分區(qū)(瓦斯地質單元):北部區(qū)，4線以北;北中部區(qū)，4一9線之間;中部區(qū)，9一12線之間;南部區(qū)，12線以南:北部區(qū)包括呼魯斯泰向斜的軸部和傾角極陡的西翼，構造比較復雜;北中部區(qū)構造相對簡單;中部區(qū)以斷層發(fā)育為特征;南部區(qū)以層間滑動為主圖2:4個區(qū)的特征簡述如下。
1.2.1北部區(qū)
北部構造分區(qū)位于4線以北呼魯斯泰向斜的軸部和西翼地帶，沒有生產階段資料可供利用。但從勘探階段的資料可知，該區(qū)的構造比較復雜，西部井田邊界斷層一呼魯斯泰逆斷層(Fh)，落差達1000-2000m，由之派生一些中等規(guī)模的斷層，如FsZ、凡，等�？赡苓�有一系列煤層小斷層沒有被發(fā)現�？碧诫A段的巖芯描述和測井解釋，表明該區(qū)三層煤煤體結構相對破碎，軟煤分層相對發(fā)育。如位于向斜軸部的3勘探線117孔，在煤層中上部一層較厚的夾研之下，煤層的視電阻率顯著增大，標志著軟煤分層的出現，其厚度占整個煤厚的2/3以上。斷層附近幾乎全為軟煤。
1.2.2北中部區(qū)
北中部區(qū)位于4一9線之間，其構造特征與中部和北部區(qū)沒有截然的界限，呈漸變過渡。該區(qū)以構造相對簡單為特征，僅發(fā)育一些斷頂不斷底或斷底不斷頂的小斷層，個別斷層切穿了整個煤層，斷層密度比較小。該區(qū)最典型的現象是煤層沖刷和頂板穿刺。三角洲分流河道環(huán)境形成的砂巖構成了煤層的頂板(主要局限于7線以北)。同沉積期對煤層進行沖刷，使煤厚減薄;差異壓實造成穿刺現象，使得頂板砂巖呈脈狀穿刺于煤層。該區(qū)構造相對簡單的主要原因與煤層的邊界條件有關，煤層的頂板為強度極大的中粗粒砂巖，它既不利于形成沿煤層頂板的層間滑動，又保護了煤層免受構造應力的強烈破壞。
因此三層煤的煤體結構在北中部區(qū)以碎裂煤為主，一些地方仍保存有原生結構煤，碎粒煤和糜棱煤構成的軟分層僅在斷層附近存在，部分地帶下部存在軟煤，但軟煤所占煤層總厚的百分比較低。井下觀測和測井解釋也證實了此點。該區(qū)煤f值較大，△P值偏小，瓦斯含量在6m3八左右。說明煤體強度大，瓦斯放散速率小，為非突出煤的特征川。
1.2.3中部區(qū)
中部區(qū)位于9一12線之間，與北中部區(qū)和南部區(qū)呈漸變過渡。該區(qū)的構造以斷裂為主，相對其它地區(qū)比較復雜，尤其在10一11線之間，煤層小斷層非常發(fā)育。中部區(qū)三層煤發(fā)育的小斷層大部分為正斷層，個別為逆斷層。小斷層的走向以NWW向為主，個別為近SN向和NE向，反映出兩期構造應力場作用的結果。該區(qū)三層煤的煤體結構類型齊全，以碎裂煤為主，其次是原生結構煤;在斷層附近發(fā)育軟煤(碎粒煤和糜棱煤)，但波及范圍有限。向南部區(qū)過渡的11一12線之間，已具備南部區(qū)的某些特點，即煤層下部分層出現軟煤分層，但破碎程度不及南部區(qū)嚴重，多表現為碎粒煤。
1.2.4南部區(qū)
位于12線以南的南部區(qū)與其它區(qū)明顯不同，該區(qū)內斷層不如中部區(qū)復雜，其發(fā)育程度與北中部區(qū)類似。但軟煤發(fā)育，厚度明顯大于其它區(qū)，主要分布在煤層的中下部。生產階段的揭露和測井解釋均證實了這一點。
1.3三層煤軟煤分布特征
由軟煤厚度等值線圖和軟煤百分比等值線圖可知，北部區(qū)與南部區(qū)軟煤最發(fā)育;北中部區(qū)軟煤所占比例最低;由北中部區(qū)向中部區(qū)至南部區(qū)構造煤厚度依次增加，所占比例依次增高，該區(qū)煤的f值較低，△P值偏高，瓦斯含量在9砰八左右。
三層煤的軟煤在北部區(qū)和南部區(qū)比較發(fā)育。北部區(qū)顯然與褶曲形成過程中伴隨的剪切作用有關，即煤體變形、破壞是構造應力作用的結果。中部區(qū)三層煤發(fā)育的小斷層主要形成于喜山期，沿兩個主要方向呈共扼形式共存，而南部區(qū)斷層稀少。說明在喜山期構造應力場作用下，在中南部區(qū)以發(fā)生斷裂形式來吸收應力，而南部區(qū)則以層間滑動形式來吸收。這種層間滑動的力源于構造應力。層間滑動波及了北中部區(qū)，使得該區(qū)也發(fā)育了一定厚度的軟煤。中部區(qū)軟煤一般局限于斷層附近。
2頂底板、夾研巖性與瓦斯賦存的關系
2.1頂底板巖性
三層煤頂板巖性存在3個分區(qū):砂巖區(qū)、粉砂巖一粉砂質泥巖區(qū)、泥巖區(qū)。砂巖分布在井田的北部，大致在7線以北;粉砂巖一粉砂質泥巖區(qū)分布在中北部區(qū)，大體位于7一9線之間;中東部為泥巖分布區(qū)。底板巖性也存在3個分區(qū):北部為粉砂質泥巖一泥巖分布區(qū)，中部為砂巖分布區(qū)，南部偏東方向為泥巖分布區(qū)。
頂板巖性對三層煤瓦斯賦存和煤體變形影響極為嚴重。北部的砂巖分布區(qū)，目前揭露的如5331工作面，其瓦斯含量及涌出量都小于中、南部，煤體破壞程度在整個井田范圍內最低。這是由于砂巖頂板導致了瓦斯的部分擴散逸出，同時又保護了煤層免受構造應力或重力的強烈作用。頂底板都為泥巖的中、南部區(qū)(9線以東)瓦斯含量和涌出量顯著增加。這是由于泥巖頂板限制了瓦斯逸散，同時在外力的作用下煤體結構易于破壞，特別是易于順煤層剪切作用的發(fā)生。可見頂底板巖性是造成三層煤瓦斯含量和涌出量由北向南(4線以南區(qū)域)逐漸增高的根本原因之一。
2.2夾殲特征
三層煤含有多層夾研，基本上為純度較高的高嶺石泥巖，以7線為中心厚度最大，向周圍逐漸變薄。通過井下觀測和測井解釋，發(fā)現三層煤的夾研對軟煤的形成有一定影響。構造煤比較發(fā)育的北部區(qū)(4線以北)和南部區(qū)(12線以南)，軟煤分層位于煤層中上部一層比較穩(wěn)定的夾研下，上部為原生結構煤或碎裂煤�？梢妸A研與煤層之間的薄弱結構面是層間滑動的首選層面，沿該層面發(fā)生的層間滑動造成中下部煤層的破壞。
3三層煤突出危險性預測
三層煤到目前為止還沒有發(fā)生煤與瓦斯突出，但根據三層煤的瓦斯含量、涌出量、瓦斯壓力和煤體結構特征，隨著開采深度的增加，突出危險性在不斷增加，特別是南部區(qū)(12線以南)和北部區(qū)。但到目前三層煤沒有發(fā)生任何瓦斯動力現象，根據以往的研究和與二層煤(突出煤層)的對比，將三層煤的突出特征概括如下:
①構造特征。層間滑動構造發(fā)育地帶，特別是伴隨斷層發(fā)育的地帶，常發(fā)生瓦斯突出。
�、诿后w結構特征。煤體因強烈的剪切作用而遭受嚴重破壞，以軟煤(碎粒煤和糜棱煤)為主，占煤層總厚的70%以上。
③煤層厚度。煤厚突然加大的地帶，且這種增厚是后期改造的結果，非原始沉積所致。
④單項指標:f值小于等于0.5，△P大于等刊。
�、菥C合指標:K值大于等于15。
⑥瓦斯壓力:一般大于0.6MPa。
⑦相對瓦斯涌出量大于25m，八的區(qū)域(在滿足上述指標的前提下，該指標僅供參考采用)。此次研究根據烏蘭礦的具體條件，采用軟煤厚度所占百分比和相對瓦斯涌出量相結合的方法進行突出危險性預測，將三層煤區(qū)分為突出威脅區(qū)(軟煤比例大于70%，相對涌出量大于25m，八)和無突出危險區(qū)。根據《防突細則》，對于突出威脅區(qū)，在工作面推進30一loom時，必須進行瓦斯突出危險性預測檢驗，如果實測指標達到了上述①一⑥項的突出危險范圍，則該工作面升級為突出危險面;連續(xù)2次檢驗，突出指標均不超限，則可降級為無突出危險工作面。
參考文獻:
[l]焦作礦業(yè)學院瓦斯地質研究室.瓦斯地質概論.北京:煤炭工業(yè)出版社，1990
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