淮南礦區C13-1煤層構造軟煤分布特征及其主控因素分析＊

孟中澤劉明舉孟 磊劉彥偉李 波

(1.華中科技大學機械學院,湖北省武漢市,430074; 2.河南煤化集團鶴煤公司,河南省鶴壁市,458030; 3.河南理工大學煤礦安全工程技術研究中心,河南省焦作市,454000)

★煤炭科技·地質與勘探 ★

淮南礦區C13-1煤層構造軟煤分布特征及其主控因素分析＊

孟中澤1,2劉明舉3孟 磊3劉彥偉3李 波3

(1.華中科技大學機械學院,湖北省武漢市,430074; 2.河南煤化集團鶴煤公司,河南省鶴壁市,458030; 3.河南理工大學煤礦安全工程技術研究中心,河南省焦作市,454000)

利用鉆孔測井曲線,結合井巷工程揭露情況和工作面坑透,對潘三礦構造軟煤發育和分布進行了綜合分析,查明了潘三礦C13-1煤層構造軟煤的分布特征。研究表明,南北向推覆作用形成的褶皺順層滑動對該煤層構造軟煤的發育和分布起著主要控制作用,斷層及其與褶皺的疊加是煤層局部構造軟煤加厚的主要原因。這些認識為潘三礦突出危險性區域劃分奠定了基礎。

構造軟煤 軟煤比 分布特征 地質構造 主控因素 淮南礦區

AbstractUtilizing borehole logging curves combined with the data obtained from the underground workings exposing the coal seam and the use of underground electromagnetic wave perradiator,a comprehensive analysis of the development and distribution of tectonic soft coal in Pansan Coal Mine is carried out.The results of study show that coal bedding-slip fold caused by north-south overthrusting plays a major control role in the tectonic soft coal distribution and development.The main reason why local tectonic soft coal becomes thick is the fault structure and the overlapping structure where fault and fold come together.This understanding provides a good basis for marking the outburst hazard zones in Pansan Coal Mine.

Key wordstectonic soft coal,soft coal ratio,distribution characteristics,geological structure,main controlling factors.

1 引言

煤與瓦斯突出綜合假說較全面地考慮了突出動力 (原巖應力、地應力和瓦斯壓力)和突出阻力(煤強度)兩方面的因素,因而得到國內外學者的普遍認可。在具備一定突出動力條件下,構造軟煤的發育程度和區域分布就成為控制突出區域危險的主要因素。構造軟煤是地質構造作用的產物和地應力作用過程的記錄,長時間強烈的擠壓、剪切作用使煤體結構遭受嚴重破壞,產生大量孔隙,比表面積顯著增大,強度和透氣性大大降低,有利于積聚大量瓦斯,形成較高的瓦斯壓力和瓦斯膨脹能,為突出的發生創造了有力條件,并且煤體強度的削弱,大大降低了突出發生的門檻,從而使煤與瓦斯突出更容易發生。

在淮南礦區1959-2005年發生的129次突出中,103次突出發生地點有“軟煤發育”、“煤層變軟”、“軟煤變厚”、IV類煤”或“V類煤”等描述,這說明淮南礦區約有80%以上的突出是發生在構造軟煤發育區。構造軟煤的發育程度及其空間分布,對淮南礦區煤與瓦斯突出的發生有著重要的影響。位于淮南礦區的潘三礦1986-2005年發生煤與瓦斯突出14次,其中C13-1煤層發生13次,而且都發生在有構造軟煤發育的地質構造帶。所以研究潘三礦C13-1煤層構造軟煤的分布特征及其主控因素對于預測和防治煤與瓦斯突出具有重要意義。

2 礦井地質構造特征

潘三礦位于淮南復向斜潘集背斜的南翼西部,與潘一礦毗鄰。總體構造為一單斜構造,地層走向NWW–SEE,地層傾角一般為5～10°,呈淺部陡、深部緩的趨勢,如圖1所示。在井田東部的第九至第十線局部地段,因受F1、F1-2、F1-1斷層的影響,傾角高達30～50°,甚至直立。井田內發育次一級的董崗郢向斜和葉集背斜,是受區域性NS向的擠壓作用而形成。井田內次級褶曲和不同形式、性質和規模的斷層的存在,受區域性構造的控制。

按井田構造特征,可以把井田劃分為3個瓦斯地址單元。

北區:北以F1斷層為界,南以F1-1、F24、F26斷層為界。大中型斷層多,斷層密度大,各個方向的斷層和正、逆兩種斷層均有分布,其中正斷層20條,逆斷層20條,反映出經歷過復雜的應力作用。地層傾角在10～20°之間。

中區:北界以 F1-1、F24、F26斷層組、南以F25、F47、F49斷層組為界。寬緩的向斜構造展布本區,向斜軸在本區中間,地層平緩,北側靠近F26斷層附近傾角增大,達20～25°。區內斷層密度相對較小,斷層方向相對一致,同時存在正、逆斷層,共發育斷層40條 (斷層高差為5 m),其中正斷層24條,逆斷層18條。

南區:F25、F47、F49斷層組以南。該區中西段進入礦井深部,勘探程度相對較低。據分析,區段內斷層較少,地層傾角一般在8°以下。本區查明斷層5條,其中落差100 m以上的有F25、F4正斷層;落差20～50 m有正斷層F39;落差20 m以下有F45正斷層。在南區,以 F18為界,可以分為東、西兩個小區。西小區的突出次數較多,東小區的瓦斯壓力和構造煤厚度較大。

圖1 潘三礦構造綱要圖及構造分區

3 構造軟煤分布特征

構造軟煤的分布可以根據構造軟煤厚度和軟煤比兩項指標來綜合分析,因此,利用測井曲線技術結合井巷工程揭露情況進行比較、校正,進而初步查明研究區構造軟煤的分布狀況。

基于構造軟煤和硬煤的視電阻率存在明顯差異的原理,根據潘三礦107個鉆孔的測井曲線判別獲得各鉆孔軟煤厚度,并依據煤層厚度求得軟煤比。將上述構造軟煤厚度的判識結果與采掘區及其附近鉆孔構造軟煤的實際觀測相結合,進行反復概略比較、校正,最終確定構造軟煤的分布。

3.1 潘三礦構造軟煤厚度分布

潘三全井田構造軟煤普遍發育,最小厚度0.3 m,最大厚度2.15 m,構造軟煤平均厚度0.96 m,厚度在 0.9 m以上的點達到56個,占 52.34% (見表1)。即有一半的鉆孔構造軟煤厚度已達到突出危險性指標0.9 m。

3.2 潘三礦軟煤比統計分析

潘三全井田鉆孔揭露軟煤占全煤層厚度的比例為8%～50%,平均軟煤比為25%(見表2)。軟煤比最小的是XIV東3孔,為8%,其構造軟煤厚度為0.30 m,該孔煤層厚度為3.72 m。軟煤比最大的是XII12孔,為49%,構造軟煤厚度2.10 m,該處煤厚度為4.30 m。由表2分析可知,潘三井田雖然構造軟煤普遍發育,但未達到全層軟煤。同時軟煤厚度的起伏變化較大,在局部形成軟煤加厚,軟煤比在 30%以下的點占 66.35%,而達30%以上的點占33.65%。根據構造軟煤和軟煤比兩項指標來綜合分析,可以認為潘三C13-1煤層為局部突出危險煤層。

3.3 按分區進行分析

潘三分區軟煤厚度有不同特點 (見圖2)。北區軟煤厚度為0.3～1.6 m,軟煤厚0.9 m以上的點占38.46%,多數點軟煤厚小于0.9 m。中區軟煤厚度為0.3～1.8 m,軟煤厚度0.9 m以上的點有34.86%。南區軟煤厚度為0.25～2.15 m,軟煤厚度0.9 m以上的點達82.9%。南區軟煤厚度最大,軟煤厚度大于0.9 m的較多,軟煤發育的不均衡程度更顯著,這些是南區瓦斯突出危險性大的重要原因。

表1 潘三礦鉆孔構造軟煤厚度統計

表2 潘三鉆孔軟煤比統計

圖2 潘三礦構造軟煤厚度累計曲線

潘三軟煤比區域分布特點是南區軟煤比高值多(見圖 3)。軟煤比達到 30%以上的點北區為26.9%,中區的為29.5%,南區占45.8%。南區軟煤比達到40%的點占11.5%,而中區和北區分別為3.8%和4.5%。這也說明南區突出危險性比中區、北區大。

圖3 潘三礦構造軟煤比累計曲線

4 構造軟煤分布的控制因素

研究構造軟煤的控制因素主要是研究構造軟煤與地質構造的關系,希望通過地質構造預測對構造軟煤進行預測,進而通過構造軟煤預測實現對瓦斯突出危險性的預測。

4.1 褶皺引起構造軟煤的發育

根據潘三礦鉆孔和巷道的揭露,構造軟煤普遍發育。通過潘三1452(3)和1781(3)兩個工作面的實際觀測,發現煤體中層滑作用對構造軟煤的控制作用十分明顯。潘三礦C13-1煤層普遍存在次級褶皺,容易發生未切割頂板或底板的層滑斷層,在層間滑動構造軟煤。

淮南煤盆地主體構造為一復向斜,呈近東西向展布,并在南北兩翼發育了一系列走向壓扭性逆沖斷層,褶皺發育。南翼的舜耕山和阜陽—風臺斷層組成了舜耕山、八公山、劉莊由南向北的推覆體。北翼的上窯—明龍山—尚塘斷層組成了上窯、明龍山由北向南的推覆體。在復向斜內部,地層傾角平緩,一般為10～20°,為一系列寬緩褶曲,其中陳橋—潘集背斜隆起幅度最大,是復向斜內的主要構造。

潘三礦井田處于潘集背斜和謝橋古溝向斜公共翼上,在井田內部小型褶皺發育由于彎滑作用形成層間差翼性運動,使煤體結構遭受破壞,形成面狀分布的構造軟煤。在小向斜軸部煤層厚度較兩翼大,構造軟煤加厚。如潘三礦1151(3)工作面,曾在小向斜軸部掘進發生突出煤量為40 t,瓦斯量為5167 m3的瓦斯突出。又如潘三礦C13-1煤層的1731(3)工作面下順槽在一個小褶曲處底板凸起,煤層傾角有10°的變化,轉折端煤層變厚且原生結構破壞嚴重,在掘進時發生突出,突出煤量87 t,瓦斯904 m3。

4.2 斷裂對構造軟煤形成的作用

研究區內斷裂作用的影響主要表現為井田中、小型斷層影響帶內構造軟煤分層厚度及其破壞程度的側向變化。斷層影響帶寬度與斷層的規模、組合型式、斷層性質等相關,一般影響帶寬度與斷層規模正相關;斷層并列、交叉及不同的組合型式使影響帶加寬且呈現不同的展布形態,致使軟煤分層分布的復雜化;逆斷層的影響帶寬度一般較大。影響帶內軟煤分層厚度及其破壞程度,通常取決于觀測點與斷層面 (帶)的距離,一般越接近斷層,煤體結構的破壞越嚴重,軟煤分層厚度越大。

井田中部塊段中、小型斷層的影響也較為突出。以XIV13和驗1孔中心的軟煤分層較厚地段、以XIII-XIV9和XIII西9孔為中心的軟煤分層較厚地段、以XII12孔為中心的軟煤分層較厚地段、以311孔為中心的軟煤分層較厚地段等均是數條中、小型斷層組合影響的結果,并形成中部塊段構造軟煤普遍較北部塊段發育的狀況。

井田南部塊段,以 XIII東7孔為中心和以X29孔為中心的構造軟煤分層較厚地段也是分別由多條中、小型斷層組合影響的結果,加之南部謝橋古溝向斜軸向北較大凸彎的組合影響,形成潘三礦井田南部塊段比中部塊段的構造軟煤厚度大,破壞程度高的狀況。

4.3 褶皺與斷裂的疊加影響構造軟煤的發育

斷層發育地區或后期疊加有褶皺,往往造成煤層更強的結構破壞,厚度變化大,構造軟煤破壞程度高,煤與瓦斯突出災害極易發生。如潘三礦C13-1煤層的1731(3)工作面上風巷位置靠近 F5斷層上盤中發育褶曲,C13-1煤層由4.5 m增厚至5.1 m,傾角由8°變為15°,構造軟煤分層厚達2.4 m,當掘進至此時,發生了突出,突出煤量70 t,瓦斯22366 m3。

在潘三礦南區 F18東側,小斷層比較發育,依據三維地震探測,此處又有短軸小型褶曲發育,根據測井曲線判讀,此處恰好是構造軟煤厚煤帶發育區,因此判定構造軟煤的加厚是斷層疊加褶皺造成的,煤層的突出危險性會很大。

5 結論

(1)潘三礦全井田構造軟煤普遍發育,且軟煤厚度的起伏變化較大,最小厚度0.3 m,最大厚度2.15 m,鉆孔構造軟煤厚度0.9 m以上的達56個占52.34%。即有一半以上的鉆孔構造軟煤厚度已達到潘三礦構造煤0.9 m的突出危險性指標。并且軟煤比在30%以下的點占66.35%,而30%以上的僅占33.65%。由構造軟煤厚度和軟煤比兩項指標綜合分析,可以認為潘三C13-1煤層為局部突出危險煤層。

(2)潘三礦軟煤比區域分布特點是南區軟煤比高值多。軟煤比達到30%以上的點北區為26.9%,中區為29.5%,南區占45.8%。南區軟煤比達到40%的點占11.5%,而中區和北區分別為3.8%和4.5%。這也說明南區突出危險性比中區、北區大。

(3)南北向推覆作用形成的褶皺順層滑動對潘三礦C13-1煤層的構造軟煤的發育和分布起著主要控制作用,斷層及其與褶皺的疊加是此煤層局部構造軟煤加厚的主要原因。

[1]竇仲四,魯玉芬,開明.構造煤特征及其與瓦斯突出危險性的關系 [J].煤炭技術,2006(10)

[2]劉明舉,龍威成,劉彥偉.構造煤對突出的控制作用及其臨界值的探討 [J].煤礦安全,2006(10)

[3]曹代勇,張守仁,任德貽.構造變形對煤化作用過程的影響 [J].地質論評,2002(3)

[4]曹運興,張玉貴,李凱琦等.構造煤的動力變質作用以其演化規律 [J].煤田地質勘探,1996(4)

[5]劉明舉,李振福.淮南礦區煤與瓦斯突出規律及控制因素淺析 [J].山東煤炭科技,2007(1)

[6]朱國維,宋韋劍,王富強.淮南礦區潘三礦地質構造及煤與瓦斯突出特征 [J].中國煤炭,2007(7)

[7]焦作工學院等.煤與瓦斯突出區域預測瓦斯地址方法研究 [D].國家“十五”科技攻關項目專題研究報告,2003

[8]湯友誼,孫四清,郭純等.不同煤體結構類型煤分層視電阻率值的測定 [J].煤炭科學技術,2005(3)

[9]孫四清,陳致勝,韓保山等.測井曲線判識構造軟煤技術預測煤與瓦斯突出[J].煤田地質與勘探,2006(4)

[10]劉明舉,劉毅,劉彥偉等.地球測井技術在判識構造煤中的應用 [J].煤炭工程,2005(5)

[11]K.Frodsham,R.A.Gayer.The impact of tectonic deformation upon coalseams intheSouth Wales coalfield,U K.International Journal of Coal Geology. 1999(38)

[12]J.Shepherd,L.K.Rixon,&L.Griffiths.Outbursts and geological structures in coal mines.A Review.Int.J. Rock Meth.Min.&Geomech.Abstr.1981(18)

An analysis of the distribution characteristics of tectonic soft coal in C13-1coal seam of Huainan coal mine area and its main control factors

Meng Zhongze1,Liu Mingju2,Meng Lei2,Liu Yanwei2,Li Bo2
(1.School of Mechanical Engineering,Huazhong University of Science Technology,Wuhan,Hubei province 430074,China 2.Hebi Coal Co,Henan Coal&Chemical Group,Hebi,Henan province 456030,China; 3.Technical Research Center for Coal Mine Work Safety,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan province 454000,China)

孟中澤 (1963-),男,河南濮陽人,華中科技大學博士,河南煤化集團鶴煤公司黨委書記,教授級高工,主要從事煤礦安全管理方面的研究工作。

(責任編輯 張毅玲)

教育部新世紀優秀人才支持計劃(NECT-07-0257),教育部長江學者和創新團隊發展計劃 (IRT0618),河南省杰出人才計劃 (084200510002),國家重點基礎研究發展計劃 (973)項目 (2005CB221501)

P618.11

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