构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤与瓦斯突出的控制_冉小勇.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGYEXPLORATIONDec. 2016 收稿日期 2015-08-11 基金项目 国家重点基础研究发展计划973 计划课题2012CB723103 Foundation itemThe National Program on Key Basic Research Project of China 973 Program 2012CB723103 第一作者简介 冉小勇1988，男，河南新密人，硕士，从事瓦斯地质与瓦斯灾害防治工作. E-mailtiramisu77 引用格式 冉小勇，魏风清，史广山. 构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤与瓦斯突出的控制[J]. 煤田地质与勘探，2016，44651–54. RAN Xiaoyong，WEI Fengqing，SHI Guangshan. Coal and gas outburst controlled by tectonic extrusion and shear in Zhengzhou mining area[J]. Coal Geology Exploration，2016，44651–54. 文章编号 1001-1986201606-0051-04 构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤 与瓦斯突出的控制 冉小勇，魏风清，史广山 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003 摘要 通过对郑州矿区煤与瓦斯突出矿井和历年突出事故分布特征统计分析， 结果表明NNE–NE 向和NW–NNW向构造叠加及滑动构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤与瓦斯突出的控制作用明显， 该矿区以五指岭断层–樊寨断层一线为界，突出矿井和瓦斯矿井呈北西向分区分带性展布，大平、 超化等突出矿井位于矿区南部构造复合地带，且突出点多分布在构造挤压剪切作用强烈区域。 关键词地质构造控制；挤压剪切；煤与瓦斯突出 中图分类号TD713文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.06.009 Coal and gas outburst controlled by tectonic extrusion and shear in Zhengzhou mining area RAN Xiaoyong, WEI Fengqing, SHI Guangshan School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China Abstract The statistical analysis of the distribution characteristics of coal and gas outbursts over years in coal mines with coal and gas ousbursts in Zhengzhou mining area showed that extruction and shear action of NNE-NE and NNE-NE trending superposed and sliding structures has evidently controlled the coal and gas outbursts in Zhengzhou mining area. With Wuzhiling fault and Fanzhai fault as boundary, mines with outbursts and gaseous mines are distributed in NW-trending zone, the coal and gas outburst mines such as Daping mine and Chaohua mine are located in the zone of superposed structures in the south of the mining area, and outbursts occurred mostly in the area where tectonic extruction and shear were intense. Keywords tectonic control；extrusion and shear；coal and gas outburst 煤与瓦斯突出分布的不均衡性与地质因素息息 相关，地质构造是控制煤与瓦斯突出分布的主导性 因素[1]。地质构造破坏复杂程度、构造带煤层瓦斯 赋存状态、构造应力场叠加和构造煤发育是影响煤 与瓦斯突出发生的关键因素[2-4]。但由于构造性质及 构造规模、特征的不同，不同构造带内煤与瓦斯突 出强度和分布密度相差很大， 并非所有构造带都发生 突出，即使在同一构造带内突出的分布也不同[5-8]。 研究发现大约 90以上的典型突出发生在受到构造 挤压剪切作用的局部强烈变形带[9-10]。郑州矿区历 年发生的煤与瓦斯突出事故分析表明， 构造的挤压、 剪切作用是该矿区煤与瓦斯突出的主控因素且具有 明显的分区分带性。 1概 况 郑州矿区地跨新密、登封、荥巩和偃龙四大煤 田。 矿区构造形态特殊、 地质条件复杂， 由于受 NW– NWW 和 NNE–NE 两个方向的强烈挤压作用和重力 滑动构造的影响，矿区内主要开采的二1煤层松软 易破碎，构造裂隙发育，呈黑色粉末状，煤厚变化 大。顶底板为砂质泥岩或泥岩等软弱岩层组成的典 型“三软”不稳定煤层。煤层瓦斯含量高，瓦斯地质 条件复杂。目前矿区内共发生煤与瓦斯突出 40 余 次，最大煤与瓦斯突出事故发生在大平矿 21 采区， ChaoXing 52煤田地质与勘探第 44 卷 突出煤岩量 1 894 t，突出瓦斯量达 25 万 m3。 2构造的挤压剪切作用对突出的分区分带控制 矿区井受构造挤压剪切作用的强度不同造成了 各矿井瓦斯等级存在很大的差异[11-12]。 郑州矿区突出 矿井、 瓦斯矿井呈北西向条带状展布， 南侧高突矿井 居多， 北侧主要为低瓦斯矿井， 显示出构造的挤压剪 切作用对煤与瓦斯突出控制的分区分带特征。 如图 1 所示， 以五指岭断层–樊寨断层一线为界， 北部低瓦斯区位于荥巩背斜东南翼，区域范围内 NW–NWW 向构造发育。 该区先期受秦岭造山带隆起 推挤作用形成主体为 NW 向展布的挤压断裂、褶皱 构造控制，燕山期 NNE–NE 向构造对该区的的改造 作用不明显， 仅在裴沟矿东部发育少数几条 NNE–NE 向断裂。后期的裂陷活动中，NW 向构造在伸展运动 背景下进行差异升降活动而形成一系列 NW–NWW 向正断层所夹的地堑、地垒、掀斜构造。由于区域内 张性断裂发育，且位于 NW–NWW 向差异升降为主 的隆升部位，煤系盖层遭到强烈分化、侵蚀。该区域 在地质构造演化进程中先期虽然受造山带推挤作用 强烈但在后期拉张裂陷作用明显， 表现为区域条状带 NW–NWW 向大型正断层普遍发育， 受构造的挤压剪 切作用相对较低。 同时由于煤层较浅， 煤系盖层大面 积剥蚀， 瓦斯封闭条件差致使区域范围内煤层瓦斯含 量普遍较低， 集中了郑州矿区大部分低瓦斯矿井如芦 沟矿、米村矿、张沟矿等表 1。 表 1郑州矿区典型矿井瓦斯等级统计 Table 1Statistics of gas ranks of typical mines in Zhengzhou mining area 矿井 绝对瓦斯涌出 量/m 3min-1 相对瓦斯涌 出量/m3t-1 压力 /MPa 含量 /m3t-1 矿井瓦斯 等级鉴定 告成26.3512.270.61.113.015.7突出 大平24.1510.780.51.110.012.6突出 超化38.006.350.52.69.011.6突出 白坪0.181.47 1.216.86突出 裴沟31.4010.13突出 米村15.863.88低瓦斯 芦沟5.355.30低瓦斯 张沟0.817.40低瓦斯 在南部高突瓦斯区，由于燕山期 NNE–NE 向构 造对该区的的改造作用，原来 NW–NWW 向构造在 NNE 向构造应力场的作用下反转形成了一系列 NNE–NE 向的挤压断裂、褶皱构造，月湾断层、石 淙河断层等都是在此时期形成。在 NW–NWW 向构 造的基础上，叠加、复合 NNE–NE 向构造，两个方 向的强烈挤压作用造成南部区域煤田复杂，构造煤 普遍发育。尤其是颍阳芦店向斜、朝阳沟背斜等 NNE–NE 向构造是在原 NW–NNW 向构造的基础上 叠加改造而成，受强烈的逆冲推覆挤压剪切作用， 构造变形最为强烈。 高角度的正断层在运动过程中引发了著名的豫 西重力滑动构造，重力滑动构造对煤层厚度、煤体 结构、应力状态、煤的变质程度、瓦斯赋存等有重 要作用[13-14]。在滑动构造形成过程中煤体结构遭到 破坏，煤层厚度剧烈变化。在白坪矿、大平矿范围 内煤厚可由不足 1 m 变化到 20 余 m， 超化矿煤层变 异系数达 60.6。煤厚急剧变化带易于瓦斯的局部 聚集，增加突出的危险性。告成、大平、白坪、超 化等矿位于芦店重力滑动构造前缘挤压带且处于 NNE–NE 向和 NW–NWW 向构造复合部位图 1。 其中告成矿、 白坪矿位于 NE 向颍阳芦店向斜、 NNE 向石淙河断层与 NW 向玉皇庙断层复合地带，大平 矿位于大冶向斜弧形转折部位，强烈的构造挤压剪 切作用为煤与瓦斯突出提供了动力及瓦斯地质条 件。该区域发生煤与瓦斯突出事故高达 41 次，其中 大平矿 20 次、告成矿 17 次、超化矿 3 次，白坪矿 虽没有发生煤与瓦斯突出事故， 但矿井煤厚变化大， 瓦斯含量高，在生产过程中有明显的突出危险性预 兆，在井田西翼浅部三元煤矿瓦斯压力达 1.2 MPa， 新丰煤矿七井在揭煤时发生煤与瓦斯突出事故，喷 出瓦斯 4 000 m3，突出煤量 140 t。 裴沟矿主体受 NW–NWW 向构造控制，矿井北 部平均相对瓦斯含量在 4 m3/t 以下。但在矿井东南 部由于局部发育少数 NNE 断裂，构造挤压强烈，在 郭岗滑动构造与韩家门断层复合部位，瓦斯压力高 达 1.7 MPa， 32031 工作面抽采巷掘进过程中在高地 应力和瓦斯压力下发生煤与瓦斯突出事故，喷出煤 岩量 404.92 t，瓦斯量 3.67 万 m3。 F1五指岭断层；F2樊寨断层；F3月湾断层；F4月台断层； F5石淙河断层；S1颍阳芦店向斜；S2大冶向斜；S3超化 背斜；S4凤凰岭背斜；S5荥密背斜 图 1郑州矿区构造纲要图 Fig.1Tectonic outline of Zhengzhou mining area ChaoXing 第 6 期冉小勇等 构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤与瓦斯突出的控制53 3构造的挤压剪切作用对突出的局部点状控制 地质构造规模差异，对瓦斯突出分布的控制 作用有所不同，大中型构造对瓦斯突出及赋存是 分区分带性控制，小型和微型构造常是局部点的 控制[15-16]。矿井小构造是影响煤与瓦斯突出在矿井 范围内分布的主要地质因素， 尤其是断层的尖灭端、 复合构造地带、压扭性逆断层等构造挤压剪切作用 强烈区域，为煤与瓦斯易发生突出部位。 通过对大平矿 20 次煤与瓦斯突出事故统计分 析， 突出点多分布在NNE–NE向压扭性构造控制带， 如吴庄逆断层、板桥河逆断层、大冶向斜转折端。 强烈的构造挤压剪切作用破坏煤体结构的同时对瓦 斯起到了封闭作用，有利于高能瓦斯的积聚。这些 特点都为突出的发生创造了地质条件。 如在大平矿 21 采区轨道下山突出点位于马沟逆 断层和周山逆断层的构造复合地带，受压扭性构造叠 加作用，区域构造应力集中，在巷道掘进突遇一走向 NW 的逆断层，煤体结构破坏严重，透气性差，大量 瓦斯积聚最终导致特大型煤与瓦斯突出事故的发生， 突出煤岩量 1 894 t，突出瓦斯量达 2.5 万 m3图 2。 图 2大平矿 21 岩石下山突出点平面图 Fig.2Plan of coal and gas outbursts in rock drift 21 of Daping mine 告成矿 15 次冒顶发生在 NE 向逆断层告 Fz9控 制区域图 3。由于该处受压扭性断层，尤其是 F22 逆断层及 F22-1滑动构造的影响，煤层在挤压滑动作 用下，构造应力集中，煤体结构破坏严重、透气性 差，煤层厚度增加且倾角变化较大，瓦斯赋存积聚 量大。 冒顶事故均分布在 13 采区煤厚为 58 m 的厚 煤带内，在该条带内最大瓦斯压力为 0.63 MPa，瓦 斯含量为 9.51 m3/t。该矿 2 次煤与瓦斯突出事故发 生在构造叠加区域，21021 下副巷辅助巷的突出点 发生在NW向西刘碑向斜的转折端和NE向展布的告 F31断层尖灭端附近， 附近最大瓦斯含量达 15.54 m3/t 左右；21021 下副巷回风联巷发生在西刘碑向斜和 F134断层落差 3 m 左右的叠加破坏带内， 实测瓦斯 压力 1.1 MPa，瓦斯含量为 13.7 m3/t。该点受封闭性 向斜的影响有利于瓦斯的赋存， 同时受 NW 向和 NE 向构造叠加作用，煤厚急剧变化、构造煤破坏级别 升高、地应力集中和形成较高的瓦斯压力梯度，进 而易导致煤与瓦斯突出事故的发生。 图 3告成矿煤与瓦斯突出点分布 Fig.3Distribution of coal and gas outbursts in Gaocheng mine 4结 论 a. 郑州矿区构造演化复杂，区域内滑动构造发 育， NW–NWW 和 NNE–NE 向构造形成了郑州矿区 煤田的构造主体，其中 NNE–NE 向构造是在原 NW–NWW 向构造的基础上叠加改造而成，构造的 挤压剪切作用强烈。 b．．受 NNE–NE 向和 NWW–NW 向构造叠加及 滑动构造的挤压剪切作用控制，郑州矿区以五指岭 断层–樊寨断层一线为界突出矿井和瓦斯矿井呈北 西向分区分带性展布。 c．． 矿区内各个矿井煤与瓦斯突出事故点多分布 在小型构造叠加区、断层尖灭端等区域，构造的挤 压剪切作用控制着矿区突出灾害的发生地点。 d．．在构造叠加等挤压剪切作用强烈区域内结合 相应的瓦斯参数指标预测煤与瓦斯突出危险性，是保 证郑州矿区矿井防突工作的高效性、安全性的关键。 参考文献 [1] 张子敏，张玉贵. 瓦斯地质规律与瓦斯预测[M]. 北京煤炭 工业出版社，2005. 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