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浅析乌兰井田下二叠统三层煤瓦斯地质特征
论文关键词:瓦斯地质特征 瓦斯涌出量 突出预测 灾害治理
论文摘要:根据构造与煤体结构发育特征，将乌兰井田三层煤区分为4个瓦斯地质单元。在瓦斯含量、瓦斯压力、f值、△P等参数测试和瓦斯涌出量统计的基础上，对各瓦斯地质单元的瓦斯地质特征进行了论述。
乌兰井田地处内蒙境内，隶属宁夏煤业集团有限责任公司，下二叠统三层煤为井田范围内唯一的特厚煤层，厚度0.11一23.53m，平均9.22m，整个井田范围内具有南厚北薄、浅部厚深部薄的特点，是乌兰矿的主采煤层。三层煤煤层结构复杂，含2一18层夹研，一般5一10层;上部结构相对复杂，距离顶板0.1-1.Om左右有一层相对稳定的高岭石夹研，厚度在0.5一0.gm左右。三层煤上部灰分含量在30%左右，下部在20%左右，平均灰分24.49%。6勘探线以南为焦煤(JM)，其中标高+135om以上6一11线为l/3焦煤(l/3JM)，3一6线为气煤(QM)，3勘探线以西+1350以下为肥煤(FM)。焦煤约占40%左右。
在进行浅部开采时，瓦斯涌出量较小，但随着开采深度的增加，瓦斯问题越来越严重，尤其是目前正在开采的南2采区，瓦斯问题严重制约着生产安全和进度。本文系统探讨了三层煤的瓦斯地质特征，旨在为瓦斯灾害治理提供参考依据。
瓦斯地质特征
1.1构造应力场
呼鲁斯泰向斜的西北翼边界发育一组逆断层，以呼鲁斯泰逆断层(Fh)为代表。井田内发育一组NW-SE向的正断层，如F73、F;等;以及与之共生的正断层，如F7。等(图l)。由这些断层的产状以及小断层走向玫瑰花图可知，乌兰井田经历了两期构造应力场的作用。第一期为近SN向的挤压应力，这一期构造应力场形成于燕山期，在SN向挤压的同时伴随着东部抬升和西部下降，造成了地层西倾现象的产生。在这种构造应力场的作用下，产生了F73、FS和F76断层，为共扼关系。同时随着北部的不断抬升，发生了强烈的向西的重力滑动，形成了与F76走向平行的一系列褶曲。喜山期构造应力场的方向发生变化，转移为NW一SE向的挤压。这一期构造应力场不仅对燕山期形成的构造进一步强化、改造，而且形成了以Fh为代表的逆断层，同时使得呼鲁斯泰向斜形成并定型。两期构造应力场在煤层小断层走向玫瑰花图上可清晰地反映出来。
1.2瓦斯地质单元划分及其特征
根据三层煤的小断层发育特征，将整个井田分为4个构造分区(瓦斯地质单元):北部区，4线以北;北中部区，4一9线之间;中部区，9一12线之间;南部区，12线以南:北部区包括呼鲁斯泰向斜的轴部和倾角极陡的西翼，构造比较复杂;北中部区构造相对简单;中部区以断层发育为特征;南部区以层间滑动为主图2:4个区的特征简述如下。
1.2.1北部区
北部构造分区位于4线以北呼鲁斯泰向斜的轴部和西翼地带，没有生产阶段资料可供利用。但从勘探阶段的资料可知，该区的构造比较复杂，西部井田边界断层一呼鲁斯泰逆断层(Fh)，落差达1000-2000m，由之派生一些中等规模的断层，如FsZ、凡，等。可能还有一系列煤层小断层没有被发现。勘探阶段的岩芯描述和测井解释，表明该区三层煤煤体结构相对破碎，软煤分层相对发育。如位于向斜轴部的3勘探线117孔，在煤层中上部一层较厚的夹研之下，煤层的视电阻率显著增大，标志着软煤分层的出现，其厚度占整个煤厚的2/3以上。断层附近几乎全为软煤。
1.2.2北中部区
北中部区位于4一9线之间，其构造特征与中部和北部区没有截然的界限，呈渐变过渡。该区以构造相对简单为特征，仅发育一些断顶不断底或断底不断顶的小断层，个别断层切穿了整个煤层，断层密度比较小。该区最典型的现象是煤层冲刷和顶板穿刺。三角洲分流河道环境形成的砂岩构成了煤层的顶板(主要局限于7线以北)。同沉积期对煤层进行冲刷，使煤厚减薄;差异压实造成穿刺现象，使得顶板砂岩呈脉状穿刺于煤层。该区构造相对简单的主要原因与煤层的边界条件有关，煤层的顶板为强度极大的中粗粒砂岩，它既不利于形成沿煤层顶板的层间滑动，又保护了煤层免受构造应力的强烈破坏。
因此三层煤的煤体结构在北中部区以碎裂煤为主，一些地方仍保存有原生结构煤，碎粒煤和糜棱煤构成的软分层仅在断层附近存在，部分地带下部存在软煤，但软煤所占煤层总厚的百分比较低。井下观测和测井解释也证实了此点。该区煤f值较大，△P值偏小，瓦斯含量在6m3八左右。说明煤体强度大，瓦斯放散速率小，为非突出煤的特征川。
1.2.3中部区
中部区位于9一12线之间，与北中部区和南部区呈渐变过渡。该区的构造以断裂为主，相对其它地区比较复杂，尤其在10一11线之间，煤层小断层非常发育。中部区三层煤发育的小断层大部分为正断层，个别为逆断层。小断层的走向以NWW向为主，个别为近SN向和NE向，反映出两期构造应力场作用的结果。该区三层煤的煤体结构类型齐全，以碎裂煤为主，其次是原生结构煤;在断层附近发育软煤(碎粒煤和糜棱煤)，但波及范围有限。向南部区过渡的11一12线之间，已具备南部区的某些特点，即煤层下部分层出现软煤分层，但破碎程度不及南部区严重，多表现为碎粒煤。
1.2.4南部区
位于12线以南的南部区与其它区明显不同，该区内断层不如中部区复杂，其发育程度与北中部区类似。但软煤发育，厚度明显大于其它区，主要分布在煤层的中下部。生产阶段的揭露和测井解释均证实了这一点。
1.3三层煤软煤分布特征
由软煤厚度等值线图和软煤百分比等值线图可知，北部区与南部区软煤最发育;北中部区软煤所占比例最低;由北中部区向中部区至南部区构造煤厚度依次增加，所占比例依次增高，该区煤的f值较低，△P值偏高，瓦斯含量在9砰八左右。
三层煤的软煤在北部区和南部区比较发育。北部区显然与褶曲形成过程中伴随的剪切作用有关，即煤体变形、破坏是构造应力作用的结果。中部区三层煤发育的小断层主要形成于喜山期，沿两个主要方向呈共扼形式共存，而南部区断层稀少。说明在喜山期构造应力场作用下，在中南部区以发生断裂形式来吸收应力，而南部区则以层间滑动形式来吸收。这种层间滑动的力源于构造应力。层间滑动波及了北中部区，使得该区也发育了一定厚度的软煤。中部区软煤一般局限于断层附近。
2顶底板、夹研岩性与瓦斯赋存的关系
2.1顶底板岩性
三层煤顶板岩性存在3个分区:砂岩区、粉砂岩一粉砂质泥岩区、泥岩区。砂岩分布在井田的北部，大致在7线以北;粉砂岩一粉砂质泥岩区分布在中北部区，大体位于7一9线之间;中东部为泥岩分布区。底板岩性也存在3个分区:北部为粉砂质泥岩一泥岩分布区，中部为砂岩分布区，南部偏东方向为泥岩分布区。
顶板岩性对三层煤瓦斯赋存和煤体变形影响极为严重。北部的砂岩分布区，目前揭露的如5331工作面，其瓦斯含量及涌出量都小于中、南部，煤体破坏程度在整个井田范围内最低。这是由于砂岩顶板导致了瓦斯的部分扩散逸出，同时又保护了煤层免受构造应力或重力的强烈作用。顶底板都为泥岩的中、南部区(9线以东)瓦斯含量和涌出量显著增加。这是由于泥岩顶板限制了瓦斯逸散，同时在外力的作用下煤体结构易于破坏，特别是易于顺煤层剪切作用的发生。可见顶底板岩性是造成三层煤瓦斯含量和涌出量由北向南(4线以南区域)逐渐增高的根本原因之一。
2.2夹歼特征
三层煤含有多层夹研，基本上为纯度较高的高岭石泥岩，以7线为中心厚度最大，向周围逐渐变薄。通过井下观测和测井解释，发现三层煤的夹研对软煤的形成有一定影响。构造煤比较发育的北部区(4线以北)和南部区(12线以南)，软煤分层位于煤层中上部一层比较稳定的夹研下，上部为原生结构煤或碎裂煤。可见夹研与煤层之间的薄弱结构面是层间滑动的首选层面，沿该层面发生的层间滑动造成中下部煤层的破坏。
3三层煤突出危险性预测
三层煤到目前为止还没有发生煤与瓦斯突出，但根据三层煤的瓦斯含量、涌出量、瓦斯压力和煤体结构特征，随着开采深度的增加，突出危险性在不断增加，特别是南部区(12线以南)和北部区。但到目前三层煤没有发生任何瓦斯动力现象，根据以往的研究和与二层煤(突出煤层)的对比，将三层煤的突出特征概括如下:
①构造特征。层间滑动构造发育地带，特别是伴随断层发育的地带，常发生瓦斯突出。
②煤体结构特征。煤体因强烈的剪切作用而遭受严重破坏，以软煤(碎粒煤和糜棱煤)为主，占煤层总厚的70%以上。
③煤层厚度。煤厚突然加大的地带，且这种增厚是后期改造的结果，非原始沉积所致。
④单项指标:f值小于等于0.5，△P大于等刊。
⑤综合指标:K值大于等于15。
⑥瓦斯压力:一般大于0.6MPa。
⑦相对瓦斯涌出量大于25m，八的区域(在满足上述指标的前提下，该指标仅供参考采用)。此次研究根据乌兰矿的具体条件，采用软煤厚度所占百分比和相对瓦斯涌出量相结合的方法进行突出危险性预测，将三层煤区分为突出威胁区(软煤比例大于70%，相对涌出量大于25m，八)和无突出危险区。根据《防突细则》，对于突出威胁区，在工作面推进30一loom时，必须进行瓦斯突出危险性预测检验，如果实测指标达到了上述①一⑥项的突出危险范围，则该工作面升级为突出危险面;连续2次检验，突出指标均不超限，则可降级为无突出危险工作面。
参考文献:
[l]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论.北京:煤炭工业出版社，1990
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