關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

軒崗礦區(qū)焦家寨煤礦5號煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

宋志剛 郭景林

（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局,山西 太原 030045）

摘  要：基于瓦斯賦存構(gòu)造逐級控制理論，研究了軒崗礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造演化及控制特征，總結(jié)了焦家寨礦構(gòu)造分布特征及對瓦斯賦存的控制作用。分析了地質(zhì)構(gòu)造、上覆基巖厚度、煤層厚度等對瓦斯賦存的影響，確定影響瓦斯賦存的主控因素，并進(jìn)行了瓦斯含量預(yù)測；結(jié)合井田構(gòu)造特點，進(jìn)行煤與瓦斯區(qū)域突出危險性預(yù)測。研究結(jié)果表明：井田內(nèi)正斷層發(fā)育使得瓦斯大量逸散，上覆基巖厚度是瓦斯賦存的主控因素。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，落掉山旋扭構(gòu)造使本礦井?dāng)鄬映蕭咧銧钫共?span>，5號煤層構(gòu)造煤發(fā)育，控制了井田煤與瓦斯突出的危險。研究方法對類似地質(zhì)條件的煤礦瓦斯預(yù)測及防治具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造；瓦斯賦存；主控因素；煤與瓦斯突出

0引言

查明瓦斯賦存的地質(zhì)主控因素，是制定瓦斯治理措施、保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。瓦斯是復(fù)雜的氣體地質(zhì)體，生于煤層、儲存于煤層，受地質(zhì)因素的影響，煤層瓦斯分布是不均衡的，高瓦斯礦井中存在低瓦斯區(qū)域，同樣，低瓦斯礦井中也有瓦斯較高的區(qū)域^[1-3]。井田范圍內(nèi)發(fā)育開放性正斷層，利于瓦斯運移、釋放。井田范圍內(nèi)存在局部高瓦斯區(qū)，尤其在構(gòu)造復(fù)合部位，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，易發(fā)生煤與瓦斯突出，是安全生產(chǎn)的重點。因此，研究構(gòu)造、瓦斯賦存因素對礦井的安全生產(chǎn)和安全管理起著至關(guān)重要的作用^[4]。

1 軒崗礦區(qū)構(gòu)造演化及控制特征

軒崗礦區(qū)位于山西省寧武向斜東北部仰起端，總體構(gòu)造形態(tài)呈走向北東，傾向北西的單斜，以軒崗為中心，南部各井田均受以落掉山斷裂為主形成的帚狀構(gòu)造的控制。各斷裂區(qū)域走向NE30°～60°，為北西側(cè)滑落的走向平移斷裂。落掉山大斷裂從落掉山主峰起開始分叉成幾條弧形的斷裂構(gòu)造。向六畝地等井田撒開，構(gòu)成了落掉山帚狀構(gòu)造。水平砥柱在南參食背斜處，其北側(cè)落掉山為其收斂部分。在落掉山大斷裂東側(cè)，產(chǎn)生與此大斷裂斜交的中小型斷裂。這些斷裂大部分為東南側(cè)下降的正斷層，與大斷裂形成帚狀構(gòu)造。因此，上述幾個井田內(nèi)的斷層，一組為北西側(cè)滑落的弧形斷層；一組為南東側(cè)下降的正斷層。同時，各井田內(nèi)的大部分?jǐn)鄬用娑喑驶⌒?。?/span>面傾角大，向深部變緩，以至消失。這可能是由于地表附近所受的旋扭力比較大，向深部水平扭運動逐漸變?nèi)?，并且伴生垂直旋扭運動的結(jié)果。軒崗礦區(qū)后期受新華夏構(gòu)造體系控制，動力來源于SE70°向水平壓力，屬燕山運動初幕的產(chǎn)物，一個巨型的多字型構(gòu)造體系。由于多字型地塊相對運動中產(chǎn)生了云中山旋扭性的帚狀構(gòu)造，為斷陷槽地所形成，顯示出東北部淺、南西深，即由北北東，向南南西方向下陷移動，而軒崗礦區(qū)位于云中山旋鈕性帚狀構(gòu)造的北中部^[5-6]。

軒崗礦區(qū)北部各井田系受黃甲堡大斷裂、段家堡大斷裂及其分叉的官地斷層的控制。黃甲堡井田受黃甲堡大斷層與其平行的后口斷層的相對扭動，井田內(nèi)出現(xiàn)兩組規(guī)模較小的扭斷層，斷距在0.5米至8.5米。其中一組為NW50°，另一組為NE40°，互相交切成X形，組成一對共扼裂面。幾條斷層為北東走向，北西側(cè)下降，構(gòu)成階梯式斷層構(gòu)造，制約著井田構(gòu)造的發(fā)展，整體上礦區(qū)正斷層發(fā)育，為張性斷層，利于瓦斯逸散，區(qū)內(nèi)主要斷層如下：黃甲堡斷層、段家堡斷層、牛食堯斷層、后口斷層，本礦區(qū)地層總體呈一單斜構(gòu)造，走向NE，傾向NW，傾角8～20°，局部達(dá)32°，淺部傾角較陡，深部傾角變緩。

圖1  軒崗礦區(qū)構(gòu)造綱要圖^[5]

2 礦井構(gòu)造分布特征

焦家寨井田位于軒崗礦區(qū)西南部，經(jīng)地面勘查及井下揭露，本井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等～復(fù)雜，以軒石鐵路為界，南部為復(fù)雜構(gòu)造，北部為中等構(gòu)造。受區(qū)域構(gòu)造的控制，井田內(nèi)地層走向NE、傾向NW，呈單斜。地層傾角10～15°，平均12°左右，為緩傾斜地層。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，尤其是層間小斷層十分發(fā)育，直接影響礦井生產(chǎn)。本井田褶曲不發(fā)育，在西北部有一寬緩褶曲，在511采區(qū)1140和1160m煤層底板等高線構(gòu)成馬鞍形構(gòu)造。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱，無巖漿巖體侵入。

焦家寨井田共發(fā)現(xiàn)落差3m以上的大中型斷層有68條，該礦采掘工程共揭露落差小于3m的小型斷層260余條，均為正斷層。大中型斷層均為高角度正斷層，小型斷層多為層間斷層。除個別斷層的走向近SN向以外，大部分?jǐn)鄬幼呦?/span>NE，傾角48～75°，近平行排列，往往組合成地塹或地壘。部分成組出現(xiàn)，形成斷裂帶。大型斷層旁側(cè)常常發(fā)育小型斷層，呈“入”字形排列，對煤層切割破壞較為嚴(yán)重。

圖2  焦家寨井田構(gòu)造綱要圖

層間斷層只發(fā)育在某層段之間，在5號煤層中較為發(fā)育，由于層間滑動，使5號煤層發(fā)生塑性流動，煤層減薄或增厚。煤層直接底板砂巖或砂質(zhì)泥巖也受滑動擠壓影響，厚度變化較大，造成底板高低起伏。5號煤層頂?shù)装宕嘈詭r層因滑動斷裂，形成層間斷層，頂斷底不斷或底斷頂不斷。頂?shù)装宕嘈詭r層插入煤層中，形成一些空間展布不規(guī)則的巖體，成為本區(qū)5號煤層中層間斷層的一種特殊形式-穿刺構(gòu)造，一般以底板穿刺為主。

3 煤層瓦斯賦存影響因素分析

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

礦井整體屬于帚狀扭性構(gòu)造區(qū)，勘探及實際揭露的地質(zhì)情況表明，區(qū)域內(nèi)全部為正斷層，在斷層層面處，斷層交叉部位，是瓦斯逸散的優(yōu)良通道，瓦斯含量普遍偏低，生產(chǎn)實踐中很好的驗證了這一結(jié)論。臨近劉家梁煤礦發(fā)現(xiàn)歷次奧陶系巖溶突水點、地質(zhì)構(gòu)造薄弱，斷層、裂隙發(fā)育處，瓦斯逸散明顯，伴有大量的瓦斯涌出。

3.2 上覆基巖厚度 

隨著煤層理藏深度的增加，地應(yīng)力增高，圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運移的距離相應(yīng)也增大，這種變化有利于封存瓦斯、不利于放散瓦斯。在瓦斯帶內(nèi)，瓦斯含量、涌出量及瓦斯壓力主要隨煤層理藏深度增加而變大。

根據(jù)焦家寨煤礦的鉆孔資料、瓦斯含量和地質(zhì)資料，對主采的5號煤層上覆基巖厚度與瓦斯含量進(jìn)行了線性回歸分析，如圖3所示。

由圖可知，5號煤層瓦斯含量隨上覆基巖厚度增加而增加，線性規(guī)律明顯，其中瓦斯含量與上覆基巖的定量關(guān)系式為：

W=0.0086H+2.243                       （1）

式中，W為瓦斯含量，m³/t；H為上覆基巖厚度，m；相關(guān)性系數(shù)R=0.91，為較高的相關(guān)性，瓦斯含量梯度為0.86m³/hm，目前開采深度范圍內(nèi)，瓦斯含量范圍應(yīng)該在3~6.5m³/t，實測結(jié)果很好的驗證了這一結(jié)論。

圖3  上覆基巖厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

由圖可知，5號煤層瓦斯含量受上覆基巖厚度控制，對瓦斯含量8、10m³/t等值線的控制程度可達(dá)到80%，受其他因素影響的擺動幅度一般不大于20%。結(jié)合生產(chǎn)測點、地勘瓦斯含量數(shù)據(jù)，上覆基巖厚度對瓦斯含量5m³/t等值線的控制程度達(dá)到85%以上。

利用實測瓦斯含量、煤的工業(yè)分析，反演了瓦斯壓力，5號煤層瓦斯壓力在0.7~0.95，大部分區(qū)域大于0.74MPa，具有煤與瓦斯突出危險性^[7]；實測瓦斯壓力介于0.6~0.91MPa，與推算的瓦斯壓力基本吻合，由于井下實測數(shù)據(jù)豐富，可以認(rèn)為預(yù)測結(jié)果符合實際。

3.3 煤層厚度

研究表明，煤層厚度增大，瓦斯含量一般也增大，二者成正相關(guān)關(guān)系。煤厚增大瓦斯含量增大的主要原因在于，煤層相對圍巖透氣性差，對于厚煤層來說，靠近煤層頂?shù)装宓姆謱酉鄬χ虚g分層起到了阻止瓦斯逸散的作用，因此，煤層中部瓦斯含量較高，厚煤層可以形成瓦斯分層。對薄煤層來說，煤層瓦斯直接向圍巖逸散，全層瓦斯含量降低，以致煤層不具備發(fā)生煤與瓦斯突出的基木瓦斯條件^[8-9]。

煤層厚度5.10～22.15m，平均12.34m，為穩(wěn)定厚～特厚煤層，全區(qū)可采，層位穩(wěn)定，厚度變化較大，減薄區(qū)多分布在大中型斷層下盤，與斷層走向基本平行。利用焦家寨煤礦鉆孔資料、瓦斯含量和地質(zhì)資料，對主采的5號煤層煤厚與瓦斯含進(jìn)行了回歸分析，得到

W=0.4974H-1.9111                       （2）

式中，W為瓦斯含量，m³/t；H為煤層厚度，m；相關(guān)性系數(shù)R=0.84，為較高的相關(guān)性。

圖5  煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

在生產(chǎn)中，在232、259、227鉆孔對應(yīng)開采區(qū)域瓦斯涌出量普遍低于正常值，在下一步生產(chǎn)中遇到厚煤層區(qū)域應(yīng)加強瓦斯預(yù)測。

3.4 頂、底板巖性

煤層與頂板砂巖局部直接接觸，成煤初期煤層被沖刷、初期瓦斯逸散；在漫長的地質(zhì)成煤變質(zhì)作用、地質(zhì)構(gòu)造搓動、煤層瓦斯不斷擴散，根據(jù)臨近劉家梁煤礦煤層瓦斯含量測定結(jié)果分析，煤層瓦斯含量與其頂板砂巖分布有關(guān)，頂板為砂巖時的煤層瓦斯含量低于頂板泥巖煤層瓦斯含量0.5m³/t。

煤層含夾石0～7層，多數(shù)為2～3層，單層夾石厚度一般為0.1～0.6m。在煤層底部含有較多的黃鐵礦結(jié)核，形狀一般為橢圓狀、不規(guī)則球狀等，最大直徑10～15cm。煤層直接頂板一般為砂質(zhì)頁巖，平均厚度6.87m，底板為中粒砂巖，平均厚度1.47m。在軒崗礦區(qū)，5號煤層受構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生塑性流變，使煤層和夾石發(fā)生了破碎、揉皺、滑動等變形，導(dǎo)致煤層時薄時厚，夾石時斷時續(xù)，給回采帶來一定的影響。

煤層頂?shù)装鍨?/span>孔隙率大的砂巖或節(jié)理裂隙發(fā)育時，瓦斯有擴散的條件，煤層瓦斯含量可能降低。如：79年四橫貫進(jìn)風(fēng)軌道石門掘進(jìn)遇煤線瓦斯涌出量增大，從底板上水中冒氣泡。

4 瓦斯賦存分布規(guī)律

由上述分析可知，本井田瓦斯賦存的主控因素為上覆基巖厚度，并建立了上覆基巖厚度與瓦斯含量的相關(guān)關(guān)系，依次預(yù)測，井田由南向北，瓦斯含量逐級增大，北部瓦斯含量最大達(dá)到13m³/t。

礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，落掉山旋扭構(gòu)造使本井田斷層呈掃帚狀展布。經(jīng)多期次構(gòu)造運動影響，在西北部形成馬鞍形構(gòu)造。同時由于層間滑動，使5號煤層發(fā)生塑性流動，煤層變薄或增厚，該煤層構(gòu)造煤發(fā)育。此外，該煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大（最大實測值為0.91 MPa），預(yù)測5號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，在有利于瓦斯封閉的構(gòu)造復(fù)合區(qū)是煤與瓦斯突出發(fā)生的部位。

5 結(jié)論

（1）焦家寨井田構(gòu)造中等，井田范圍內(nèi)全部為正斷層，斷層對區(qū)域內(nèi)瓦斯逸散有利。

（2）上覆基巖厚度是瓦斯賦存的主控因素，并建立了上覆基巖厚度與瓦斯含量的相關(guān)關(guān)系。經(jīng)預(yù)測，井田由南向北，瓦斯含量逐級增大，北部瓦斯含量最大達(dá)到13m³/t。

（3）礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，落掉山旋扭構(gòu)造使本井田斷層呈掃帚狀展布。5號煤層構(gòu)造煤發(fā)育，預(yù)測5號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，在有利于瓦斯封閉的構(gòu)造復(fù)合區(qū)是煤與瓦斯突出發(fā)生的部位。

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作者簡介：宋志剛，男，生于1982年，2009年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，安全技術(shù)及工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，電話：0351-2389335，Emali:zgsong507@126.com。