大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分析.pdf

第 30卷第 2期煤 炭 学 报Vo.l 30 No . 2 2005年4月 JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETY Apr . 2005 文章编号 0253- 9993 2005 02- 0137- 04 大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分析 张子敏 1, 2, 张玉贵 1 , 2 1 河南理工大学 瓦斯地质研究所, 河南 焦作454003;2中国煤炭学会 瓦斯地质专业委员会, 河南 焦作 454003 摘 要 以瓦斯地质理论为基础, 运用区域构造演化理论,分析了矿区、矿井瓦斯地质规律,调 研了大平煤矿 10 20 矿难发生特大型煤与瓦斯突出的地质原因,即新密矿区中三叠世受构 造强烈挤压作用, 晚侏罗世至早白垩世、晚白垩世至第三纪受构造拉张和重力滑动作用.大平煤 矿垂深 450m 以浅,以低瓦斯为主; 深部瓦斯地质条件复杂,存在着煤与瓦斯突出危险的分区、 分带特征,并受地质构造的控制. 10 20 煤与瓦斯突出发生在构造复合部位,应力集中、构 造煤发育,是岩石掘进工作面遇一逆断层而引起的. 关键词 大平煤矿;煤与瓦斯突出;瓦斯地质; 构造演化 中图分类号TD71253 文献标识码A 收稿日期2004-11-24 作者简介 张子敏 1946- , 男, 河南夏邑人, 教授, 博士生导师.Te l 0391- 3987917 , E- mai lzhangzm hpu edu cn Investigation into coalgas outburst occurred in Daping Coal m ine ,by using theories of gasgeology ZHANG Zi m in 1, 2, ZHANG Yugui1, 2 1Institute of Gasgeology, H enan Polytechnic University, Jiaozuo 454003 , China; 2 Gasgeology D ivision, China Coal Society,Jiaozuo454003 , China Abstract Based on gas- geology and theories of regional tectonic evolution ,the laws of gas geology were studied . And geological reason of the 10 20 m ining calam ity was surveyed , which is a oversize coal gas outburst occur ring in Dapingm ining. The results show that EarlyT riassic epoch ,intense tectonic extrusion appeared ,the late Ju rassic to the early Cretaceous epoch and the lateCretaceous to theTertiary epoch tectonic pullapart and gravity slide occurred in Xin m im inings ,gas grade is low in superficial part above 450 m underground ,gasgeological condition is complex in the deep ,coal gasoutburst proneness is of zoning and banding and controlled by geological structure in Daping m ining. 10 20 m ining calam ity is a accident of coal and gas outburst occurring at complex tectonic place , where tectonic stress is concentrated ,there is defor med coa, l and tunneling facemeets a abnor mal faul. t Keywords Daping Coal m ine ;coal- gas outburs; t gas- geology;tectonic evolution 大平煤矿隶属于郑州煤炭工业 集团 有限责任公司,位于登封市与新密市交界处.该矿 1986年建 成投产, 设计生产能力 60万 t/a ,2003年核定生产能力 130万 t/ a . 矿井开采煤层为二叠系山西组二1煤, 厚度为 11 300m, 倾角一般为 7 19∀ .2004- 10- 20大平煤矿 21轨道下山岩石掘进工作面发生了特 大型煤与瓦斯突出事故 简称 10 20 事故 ,突出煤 岩 量为 1 894 , t 突出瓦斯量约为 25万 m 3, 造成 148人死亡,32人受伤. 本文应用瓦斯地质理论,研究所在矿区、井田瓦斯地质规律, 构造演化,构造挤压带的分布,不同方 煤 炭 学 报 2005年第 30卷 向断裂的力学作用;结合煤与瓦斯突出综合假说,分析了发生 10 20 事故的煤与瓦斯突出原因. 1 大平煤矿瓦斯地质特征 1 矿区、井田构造特征 大平煤矿所在的新密矿区位于秦岭造山带北缘后陆逆冲推覆构造带渑池 - 舞阳区段的北东侧, 先期 早中三叠世 中侏罗世 受到由南西向北东方向的强烈挤压作用 [ 1]; 后两 图 1 新密矿区构造剖面 F ig1Structural cross section in X inm i coal m ine area 期晚侏罗世 早白垩世、晚白垩世 第三纪 表现为伸展运动背景下的差异升降活动, 形成一 系列正断层所夹的地堑、地垒、掀斜构造 [ 2], 如 图 1所示;老第三纪始新世 渐新世形成了重力 滑动构造 [ 3]. 区域构造位置及构造演化作用决定 了煤层的形成与改造, 也决定了瓦斯的生成与保 存条件 [ 4]. 2 瓦斯生成条件 大平煤矿煤层为石炭二叠系,成煤条件好.含煤地层厚约 800m, 含煤 9组计 37 层, 其中可采和局部可采者 6层, 可采总厚 12 m 左右,含煤系数 27 ,目前主采的为山西组二1煤层. 三叠纪, 本区位于华北地区沉积中心,沉积厚度数千米 [ 6]. 随着煤层埋藏深度增加, 地温升高,煤化作 图 2 新密矿区构造纲要 F ig2Structural sketchmap inX inmi coalmine area 用增强, 为高变质的烟煤 贫煤 ,瓦斯生成条件优越. 3 瓦斯保存条件 大平矿井所在的新密矿区主体 构造是北西向构造 [ 5] 图 2,先期 早中三叠世 受 到秦岭造山带隆起由南西向北东向的强烈推挤作用,并 形成构造煤,有利于构造对瓦斯的封闭作用;后两期 晚侏罗世 早白垩世、晚白垩世 第三纪 的伸展运 动背景下的差异升降活动主要表现为南西、北东两个方 向的拉张,使得新密矿区成为以北西方向展布为主的一 系列正断层所夹的地堑、地垒、掀斜构造 [ 5] 图 1, 煤系盖层遭到强烈地风化、剥蚀,数千米厚的三叠系地 层剥蚀殆尽 [ 6]. 因此煤层中瓦斯大量得以释放. 新密矿 区发生在老第三纪始新世 渐新世的重力滑动构造,使 得煤层进一步剪切破坏.滑动构造是在高角度正断层运动过程中发生的,属于伸展构造范畴.由于是在拉 张背景下,煤层瓦斯进一步被释放.煤炭科学研究总院重庆分院 2003年 12月在标高 - 107 m 垂深 447 m 处测定了二1煤层瓦斯压力为 064MPa ,瓦斯压力比较小,也说明了瓦斯被大量释放. 4 瓦斯分布的分区、分带性 瓦斯是复杂的气体地质体,瓦斯分布受着复杂地质条件的控制 [ 4]. 整个新密矿区已经开采的统配矿井 煤层揭露后的瓦斯分布 告城、裴沟、超化、大平、芦沟、米村、 王庄、王沟、张沟、梁沟、东风矿,共为 11对矿井, 其中前 4对矿井为高瓦斯矿井, 其余 7对为低瓦斯 矿井.说明该矿区在上部开采以低瓦斯为主.这与前述煤层瓦斯受构造拉张、风化、剥蚀作用被释放相一 致. 目前,多数矿井已进入深部开采, 高瓦斯区不断地增加. 新密矿区局部地带还发育有北东向的向斜和 断裂构造,大平井田受控于北东向的大冶向斜和落差百米左右的吴庄逆断层、周山逆断层等,实际上是一 个北东向展布的挤压构造带.井田内构造煤成层发育, 普遍 1 2m 以上,局部全层发育, 主要为 ∃, 类构造煤,实测煤层坚固性系数 f 最小为 012 ,瓦斯放散初速度 P 30. 标高 - 282 m 垂深 612 m 处, 瓦斯压力在 10MPa以上.在标高 - 110 m,垂深 450 m 以浅,以低瓦斯为主; 但垂深 450 m 以深, 瓦斯压力不断增加,尤其是在构造挤压带, 瓦斯压力增加的很快, 更具有煤与瓦斯突出危险性. 138 第 2期张子敏等 大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分析 图 3 21岩石下山平面 Fig3Structuralmap in the 21strock slant roadway 2 10 20 事故煤与瓦斯突出特征 1 突出时间、位置、类型及通道空洞 2004年 10 月 20日, 在 21轨道下山岩石掘进工作面迎头,标高 - 282m, 垂深 612 m, 突遇一倾向南西、落差约 10 m 的逆 断层,发生了特大型煤与瓦斯突出 10 20事故 .这也 是本矿区发生的首次突出.突出点位置如图 3 6所示. 突出通道空洞位于工作面的中上方,开口宽 22 m、高 16m、长 73m, 空洞的轴线方位为北西 328∀ ,空洞向上 的倾角 43∀ ,与断层面产状基本一致. 2 突出强度、煤岩 体与分布特征 从 21岩石 图 4 大平煤矿构造纲要 F ig4Structural sketchmap in Daping Coal m ine 1 向斜;2 背斜;3 逆断层;4 二1 煤层露头;5 正断层;6 断层号;F1 新庄断层;F2 龟山断层;F5 周山逆断层; F6 马沟逆断层;F7 板桥河逆断层; F8 吴庄逆断层;F9 荆木岭逆断层; F10 独咀逆断层;F11 栗子沟逆断层 下山下段变坡点 图 3中轨 12点 向里 25 m 处开始有突出煤 岩 堆积物, 堆积长度 256 m 巷道断面积 1032 m 2 . 突出煤 岩 堆积体积 1 4609 m 3, 突出煤 岩 总量为 1 894 , t 其中 突出煤 量 1 362 t 、突 出岩石 量为 532 . t突出 瓦斯 量约 为 25万 m 3. 从 21岩石下山变坡点向里 25m 处 图 3中轨 12点 开始有突出煤 岩 堆积物,堆积物坡角 105∀ .堆积煤岩 体主要以碎粒粉末状煤为主,少有 3 4 cm 大小的煤块,堆积物 顶部有一层厚 10 15 cm 的煤尘,煤岩 堆积物中偶见 3 4 cm的砂质泥岩岩块.向里堆积物表面变得平缓,顶面距巷顶 70 80 cm. 堆积物中煤岩 块度有增大及增多的现象.至图 3 中轨 15点 距迎头 78 m,可见长轴 80 c m、短轴 30 40 cm、 厚度 10 15 cm的薄层泥岩岩块,断面上有光亮的摩擦镜面,突 出物中最大的岩块直径达 1m以上, 厚度 30 40 c m. 至图 3中轨 17点 距迎头 327m,突出物中岩块最大直径达 22 m,厚度 50 cm,大块岩石堆积在一起,占岩石堆积物总量的 80 左右, 岩石为深灰至灰黑色砂质泥岩,层面上观察到大量的被挤压错 动、光亮镜面,擦沟擦槽中镶嵌有二1煤层构造煤体. 岩块中常 图 521岩石下山煤与瓦斯突出位置 与断层关系 Fig 5Structuralmap showing reverse fault and coal gasoutburst location inworking face of the 21strocky dip entry 见有被断层挤压牵引而弯曲变形的特征. 3 突出的地质原因 煤与瓦斯突出首先要具备一定的瓦斯压力瓦斯内能 , 压 力大小主要取决于地质构造的复杂程度和煤体自身的物理力学性 质, 尤其是煤体结构受到挤压、剪切和地应力的作用.这也就是 被大多数研究者所公认的煤与瓦斯突出综合假说前苏联 AA斯 科钦斯基院士 20世纪 50年代中期提出的 突出是由地压、瓦斯、 煤的物理 - 力学性质、煤的重力等因素综合作用的结果 [ 7]. 1 构造复合部位 构造复合部位是受构造多次序、多方向 作用的部位, 常常是易发生煤与瓦斯突出的部位. 大平井田正好 位于新密矿区北东向的向斜和逆断层发育地段,实际上是一个北 东向展布的挤压构造带. 发生煤与瓦斯突出的 21轨道下山位于大 平井田东南端北东向构造与北西向构造复合的部位图 3 ,4, 139 煤 炭 学 报 2005年第 30卷 构造比较复杂,为煤与瓦斯突出创造了地质条件. 2 应力集中带 现代构造应力场主压应力方向为北东 - 南西向, 正好与北西方向的构造相垂直, 更 有利于北西方向构造对瓦斯的封闭和构造应力集中.21岩石下山迎头遇到北西向展布的逆断层, 断层面 及其造成的煤岩破碎带是巷道周边的软弱结构面,并且是泥质岩类,强度小,又是应力重新分布的集中 带, 一旦揭露,有利于瓦斯动力现象的发生. 3 构造煤发育 大平井田煤层先期印支早中期 燕山中期 受到强烈的构造挤压、剪切作用, 图 621岩石下山煤与瓦斯突出位置与逆断层关系剖面 F ig 6 Crosssection showing reverse fault and coalgas outburst location inworking face of the 21strocky dip entry 使得煤层结构发生强烈的破坏;后期 第三纪 又受到 滑动构造的剪切作用, 煤层结构进一步破坏,使得二1煤 层破坏、粉化和流变,∃,类构造煤成层发育,成为 三软煤层,煤的坚固性系数 f 最小为 012 ;一旦瓦斯内 能超过临界值,就会发生煤与瓦斯突出. 4 逆断层 21轨道下山岩石掘进工作面迎头,遇 到一条倾向南西 217∀ 、倾角 49∀ 、落差约 10 m 的强烈挤 压的逆断层图 5 ,6, 与现代构造应力场主压应力方 向相垂直,造成构造应力集中、封闭严密,有利于瓦斯 封闭.由于断层下盘二1煤层的下滑,掘进工作面距离煤 层较近, 断层破碎带又是泥质岩层,坚固性差,使工作 面发生了特大型煤与瓦斯突出.突出通道空洞与断层面 的产状基本一致图 5 ,6. 4 结 论 大平井田与所在的新密矿区,先期 印支早中期至燕山中期 受到强烈的逆冲推覆挤压剪切作用, 后期又受到滑动构造的作用,煤层结构破坏强烈,构造煤极为发育,是造成煤与瓦斯突出的条件之一.整 个矿区主体构造为北西向展布的一系列正断层所夹的地堑、地垒、掀斜构造,而大平井田受控于矿区局部 发育的北东向的向斜、逆断层挤压构造带, 而发生特大型煤与瓦斯突出的 21轨道下山岩石掘进工作面又 是位于井田内大冶向斜由北东向向北西向转折的复合构造部位,构造应力集中. 大平井田虽然瓦斯生成条 件优越, 但后期拉张构造造成瓦斯释放.在标高 - 110 m,垂深 450 m 以浅, 以低瓦斯为主;但在垂深 450m以下,瓦斯压力不断增加, 尤其是在构造挤压带,瓦斯压力会增加的很快,达到突出危险性. 由于 瓦斯分布不均衡, 瓦斯地质规律认识不清, 人们缺乏足够的认识和思想准备,也是发生矿难的重要原因. 21轨道下山岩石掘进工作面迎头遇到一条倾向南西的逆断层,是发生突出的重要条件. 参考文献 [ 1] 张国伟, 张本仁, 袁学诚, 等. 秦岭造山带与大陆动力学 [M ]. 北京 科学出版社,1991 . 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