地質(zhì)構(gòu)造和開(kāi)采對(duì)瓦斯涌出的影響
1 井田概況
張新煤礦井田位于雞西煤盆地南部條帶中部的主背斜的南翼。含煤地層為中生界上侏羅紀(jì)雞西群城子河含煤組。城子河含煤組共有30個(gè)煤層,在張新礦井田內(nèi),可采煤層自上而下依次是8#、7#、7#下、6D上、6D下、6C、6B、6A、3#、2#、1#共11層可采煤層,底板間距在200~240m之間,是主要含煤段,其間以中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、煤組成;含有泥巖及凝灰?guī)r夾層。
井田呈東西走向傾向南,屬緩傾斜的單斜煤層,北有平陽(yáng)一麻山逆斷層,東有落差為500m北東向F49斷層,井田內(nèi)除平陽(yáng)一麻山逆斷層外,共有大中型斷支75條,性質(zhì)均為正斷層,無(wú)褶曲。在煤層走向剖面上,地塹、地壘相間排列。斷層走向北東落差大于北西落差,從斷層的力學(xué)性質(zhì)分析都屬于張性和張扭性,斷層面傾角60°~80°密度為24。1條/km2,展布長(zhǎng)度7 361.5m/ km2 。
井田內(nèi)主采煤層有8#、6D、6C、6A、3#、2#,共6層。煤層厚度由西向東逐漸變薄,3#層由西三的2.4m,到東西只有0.9m。其余各層在東四都大部有可采。
井田內(nèi)煤層大都是弱粘結(jié)煤,各煤層的煤塵都具有爆炸性,煤塵爆炸指數(shù)均在30%以上。
2 礦井生產(chǎn)情況
張新煤礦立井是多水平開(kāi)拓,一水平是一對(duì)立井和分區(qū)斜井聯(lián)合開(kāi)拓,二水平為暗斜井延深。井田內(nèi)按斷層自然劃分為7個(gè)采區(qū),即西三、西二、西一、東一、東二、東三、東四。立井地面標(biāo)高為+220m,一水平標(biāo)高±0m,開(kāi)采深度170m,二標(biāo)高-300m,垂深300m。
立井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力及核定能力為45萬(wàn)t/a,1992年實(shí)際生產(chǎn)能力創(chuàng)歷史最高為58萬(wàn)t,左右。巷道掘進(jìn)均采用鉆爆法,采煤工作面都是走向長(zhǎng)壁后退式,工作面使用單位液壓支柱支護(hù),采空區(qū)全部陷落法處理。
3 礦井通風(fēng)瓦斯情況
3.1礦井通風(fēng)情況
立井采用分區(qū)對(duì)角抽出的通風(fēng)方式。西二、西三采區(qū)由2K60-№24#軸流式通風(fēng)機(jī)排風(fēng)。排風(fēng)量為5 1000m3/min,負(fù)壓2.5Pa,西一采區(qū)由4-72-20離心式通風(fēng)機(jī)排風(fēng),排風(fēng)量為1 710 m3/min,負(fù)壓610Pa,東一采區(qū)由KBZ-12.5軸流式通風(fēng)機(jī)排風(fēng),風(fēng)量1 320 m3/min,負(fù)壓930Pa。
立井總排風(fēng)量為10 680 m3/min。
3.2 礦井瓦斯情況
自移交生產(chǎn)以后,從1967年開(kāi)始有瓦斯煤塵鑒定成果表。從歷年瓦斯鑒定為高瓦斯礦井后,以后一直是高瓦斯礦井,相對(duì)瓦斯涌出量和絕對(duì)瓦斯涌出量的總趨勢(shì)是上升的。說(shuō)明隨著開(kāi)采深度的增加,煤層中的瓦斯含量是逐漸增加的。
4 瓦斯地質(zhì)對(duì)瓦斯涌出的影響
煤層瓦斯含量的大小,決定于成煤過(guò)程中產(chǎn)生的瓦斯量和煤層保存瓦斯的條件,由于成煤過(guò)程中產(chǎn)生的瓦斯量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)煤層的保存能力。因此,瓦斯含量的大小主要取決于煤炭生產(chǎn)后保存瓦斯的條件,主要因素有以下幾個(gè)方面:①煤的變質(zhì)程度;②煤層露頭;③煤層的賦存深度;④?chē)鷰r性質(zhì);⑤地質(zhì)構(gòu)造;⑥煤層傾角;⑦水文地質(zhì)條件;⑧含煤地層煤層累積厚度。
對(duì)于張新煤礦來(lái)說(shuō),影響各采區(qū)瓦斯含量的主要因素是煤層露頭、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、含煤地層的煤層累積厚度4個(gè)方面。
因?yàn)樵谕簧a(chǎn)時(shí)期,開(kāi)采深度相差不大,同一井田內(nèi)的煤炭變質(zhì)程度、煤層傾角、水文地質(zhì)條件無(wú)明顯差異。
根據(jù)歷年瓦斯鑒定情況扯,從東向西瓦斯相對(duì)涌出量(即瓦斯含量)是呈逐漸增加的。這與從東向西煤層厚度逐漸增大是相一致的。因此,在同一井田內(nèi),煤巖層中的瓦斯含量與煤層厚度成正比。
在立井東一、西三采區(qū),形成煤田之后,都有巖漿活動(dòng)。東一采區(qū)上部覆蓋一層厚度在30~120m的火山巖,面積4km2。西三采區(qū)在8#上部,巖漿以巖床形成侵入,厚度80~230m,面積3.2 km2。
巖漿巖覆蓋在煤田上部,對(duì)下部煤層起著封閉作用,使煤、巖層及斷層帶內(nèi)的瓦斯不易釋放,從而大量?jī)?chǔ)存起來(lái),一旦被揭露,就會(huì)大量涌出(噴出)。我礦在生產(chǎn)過(guò)程中,發(fā)生的11次較大的瓦斯噴出都是在西三和東一區(qū)域,噴出情況匯總表見(jiàn)表1。
表1 瓦斯噴出情況匯總表
序號(hào)
地點(diǎn)
層別
地質(zhì)
條件
垂深/m
噴出濃度
/%
絕對(duì)涌出量/m3·min-1
持續(xù)時(shí)間
/d
噴出瓦斯量
/m3·min-1
備注
1
東一采三路3#/運(yùn)輸下山
3#
裂隙
395
10~90
0.6
85
73 440
與F16斷層連同
2
東一采三路3#/切割上山
3#
裂隙
330
10~90
[1] [2] [3] [4] [5] 下一頁(yè)
td="14317">
0.43
37
22 910
與F14斷層連同
3
東一采右一卷6D平巷
6D
斷層
239
30~90
1.2
30
51 840
與F16斷層連同
4
西三采右六車(chē)場(chǎng)
巖
斷層
305
>95
1.2
90
155 520
與F6E斷層連同
5
西三采右六水倉(cāng)
8#
斷層
304
>95
1.5
60
129 600
與F6E斷層連同
6
西三采反上膠帶道
3#
斷層
428
>95
2.0
75
216 600
與F6E斷層連同
7
西三采反上絞車(chē)道
2#
斷層
460
>95
1.1
26
41 184
與F6E斷層連同
8
西三采反上風(fēng)道
3#
斷層
440
>95
1.4
47
94 752
上一頁(yè) [1] [2] [3] [4] [5] 下一頁(yè)
td="14317">與F6E斷層連同
9
西三采-300回風(fēng)道
3#
斷層
508
>95
1.4
156
314 496
與F6E斷層連同
10
西三采-300大巷
3#
斷層
459
>95
0.3
120
51 840
與F6E斷層連同
11
運(yùn)輸石門(mén)
巖
斷層
496
>95
2.5
46
16 500
與F6E斷層連同
在西三采區(qū)巖漿侵入時(shí),因受到上部巨厚的(1 500m)穆棱組與樺山群覆蓋層阻擋沒(méi)有噴出地表,完整地封閉在地層中,形成巖床。巖體的高溫、高壓對(duì)周?chē)膸r體變質(zhì)起到巨大作用,西三采區(qū)影響最突出的是8#層。在接近巖體侵入處,依次變?yōu)樘烊唤埂⒇毭?、瘦煤、肥煤。從而使西三采區(qū)局部地區(qū)的8#層瓦斯含量特別高。
西部采區(qū)有較厚的沖積層覆蓋,厚度在5~15m,沖積層為灰綠、黃褐色之腐植土、砂質(zhì)粘土、淤泥等組成。沖積層下層的洪積層為風(fēng)化碎玄武巖礫塊及少量粗砂和亞粘土。煤層露頭沒(méi)有露出地表,煤層中瓦斯釋放受到阻礙;東部采區(qū)地貌為丘陵,沒(méi)有沖積層覆蓋,煤層露頭露出地表,地表有大沖溝4條,加大了露頭暴露面積,風(fēng)化裂隙很發(fā)育,達(dá)70~110m。為中等透氣層,瓦斯釋放條件好。開(kāi)采期間證明,東部煤層比西部煤層瓦斯含量小。
5 開(kāi)采對(duì)瓦斯涌出的影響
影響瓦斯涌出量主要有以下幾個(gè)方面:①煤、巖的瓦斯含量;②開(kāi)采規(guī)模;③開(kāi)采順序與回采方法;④生產(chǎn)工藝;⑤地面大氣壓變化;⑥風(fēng)量變化;⑦采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng);⑧采空區(qū)封閉質(zhì)量。
對(duì)于我礦現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng),長(zhǎng)期觀測(cè)總結(jié)瓦斯涌出規(guī)律,及時(shí)預(yù)測(cè)各采掘工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量,合理分配風(fēng)量是最切合實(shí)際的工作。通過(guò)風(fēng)年觀測(cè),現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)采掘之間絕對(duì)瓦斯涌出的關(guān)系,為指導(dǎo)生產(chǎn)發(fā)揮過(guò)重要作用。
煤層中的瓦斯在自然狀態(tài)下是以一定壓力賦存煤體中的,掘進(jìn)巷道時(shí),瓦斯從崩落的煤炭及巷道四周向掘進(jìn)空間涌出,瓦期的涌出速度與揭露時(shí)間基本是負(fù)指數(shù)關(guān)系,一般在6~7d后成恒定值,為此我們以觀測(cè)掘進(jìn)工作面50m以內(nèi)瓦斯絕對(duì)涌出量來(lái)推斷該范圍內(nèi)采煤時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量。
巷道掘進(jìn)后,在圍巖中產(chǎn)生應(yīng)力重新分布,使圍巖發(fā)生變形,形成了非彈性變形區(qū)(裂隙區(qū)),彈性變形區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū),掘進(jìn)巷疲乏以后,在4~5d的時(shí)間內(nèi),瓦斯涌出主要來(lái)源于非彈性變形區(qū)及彈性變形區(qū)。采煤工作面在老頂初次來(lái)壓后,瓦斯涌出的主要來(lái)源可分為本層應(yīng)力集中區(qū),上、下臨過(guò)層,而且由于產(chǎn)部因冒落形成冒落帶、裂隙帶、無(wú)裂隙沉降帶。如果按下行開(kāi)采順序,先采上層,逐步采下層,這樣采面上部為采空區(qū),瓦斯一般不易向開(kāi)采空間涌出,由于現(xiàn)在提出經(jīng)濟(jì)可采煤層,經(jīng)常出現(xiàn)違序開(kāi)采,首采層成了“解放層”,造成瓦斯涌出異常高,配風(fēng)困難。通過(guò)分析,我們發(fā)現(xiàn)了掘采之間相對(duì)瓦斯涌出量存在相對(duì)固定的比例關(guān)系(見(jiàn)表2)。表2中這個(gè)偏差值相差不大,最大與最小的偏差在實(shí)踐中都可做出可靠的預(yù)測(cè)。例如西三-140m與-150m采面初壓后比值偏低是由于采面較長(zhǎng),達(dá)180m,而采動(dòng)影響范圍差別不大造成的?;夭善陂g的最大值均發(fā)生在跳面老頂初次來(lái)壓后的一個(gè)月內(nèi),這是由于采空區(qū)斷層煤柱被壓垮后造成大量瓦斯涌出產(chǎn)生的。
表2 采掘工作面瓦斯涌出情況對(duì)比表
觀測(cè)地點(diǎn)
相對(duì)瓦斯涌出量/m3·t-1
比值/%
是否為首采面首采層
說(shuō)明
掘進(jìn)時(shí)
Q1
回采時(shí)
Q2
初壓后Q3
最大值Q4
Q2/Q1
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td="14317">Q3/Q1
Q4/Q1
1
西三采3#/-230與-260順槽
8.89
6.70
22.1
31.3
75
249
353
是
最大值均為斷層,跳面,新面老頂初次來(lái)壓后的一個(gè)月內(nèi)觀測(cè)值
2
西三采3#/140與-150順槽
8.10
6.20
21.3
26.4
76
263
297
是
3
西三采3#/-180與-240順槽
6.5
5.30
14.2
16.7
82
218
256
是
4
東一采3#/-110與-150順槽
7.1
5.80
17.3
23.4
82
243
330
是
5
西三采3#/-260與-290順槽
9.3
6.10
11.3
17.4
66
121
187
非
6
西二采2#/-140與順槽
4.6
3.70
6.9
10.4
80
150
226
非
上一頁(yè) [1] [2] [3] [4] [5] 下一頁(yè)
td="14317">2#層底板為煤頁(yè)互層
6 應(yīng)采取的安全技術(shù)措施
雖然我礦是高瓦斯礦井,但掘進(jìn)過(guò)程中如果不發(fā)生瓦斯噴出,絕對(duì)瓦斯涌出量一般在0.6m3/min以下,按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及實(shí)際情況,利用局部通風(fēng)機(jī)排除完全可以滿足需要,只是對(duì)噴出點(diǎn)可用風(fēng)機(jī)吹散,并設(shè)消塵噴頭對(duì)準(zhǔn)噴出點(diǎn)噴水來(lái)消除隱患。
對(duì)首采層的首采面,如果觀測(cè)瓦斯絕對(duì)涌出最較大,有造成回風(fēng)巷瓦斯超限的可能性。首先應(yīng)考慮施工一條專(zhuān)用排瓦斯尾巷。尾巷與回風(fēng)巷之間每隔30~50m施工聯(lián)絡(luò)巷。頭一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷距離開(kāi)切眼應(yīng)小于老頂初次來(lái)壓步距,以便老頂初次來(lái)壓后的大量瓦斯從尾排巷釋放。這樣可以避免采面上隅角的瓦斯超限,為防止尾排巷內(nèi)產(chǎn)生火花,要求尾排巷不用鋼鐵支護(hù),撤除一切鐵器,并在每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷交岔口處設(shè)置凈化噴霧,一是防止積塵,二也可以使巷道充分濕潤(rùn),避免冒落巖石之間產(chǎn)生火花。
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