新密矿区超化煤矿滑动构造与瓦斯抽放技术
摘 要:滑动构造作用,降低煤层强度,使煤层抵抗瓦斯动力的能力减小;同时,滑动构造作用使煤层流变,造成瓦斯易于在煤厚急剧变化带局部聚集,增加突出的危险性。针对此问题,在郑煤集团超化煤矿采用煤层顶板高抽巷抽放瓦斯进行了试验。结果表明,高抽巷不仅可以抽出本工作面的瓦斯,并可通过滑动构造带抽出邻近工作面的瓦斯,有利于实现本工作面的安全回采,而且可以实现邻近工作面的安全、高效采掘。因此,煤层顶板高抽巷抽放瓦斯技术是解决“三软”厚煤层高瓦斯综采放顶煤工作面瓦斯问题的有效手段。
1 滑动构造特征
1.1 井田构造特征
超化井田位于总体为北西向展布的新密向斜的南翼[1],同时位于平陌滑动构造带的东段[2],平陌滑动构造带是由北西向展布的关口大断层上盘下滑运动所致。
超化井田总体为一走向北西—北西西向展布的单斜构造,局部为北东东—北东向构造。井田北部边界为北西向展布的超化正断层,产状20~37°∠60°、H: 107~205m。
煤层总体向南东倾斜,南部边界的西南侧为北西向展布的龟山正断层,产状24°∠70°、H: 300m;南部边界的东南侧为北东向展布的崔庄断层,产状315°∠60°、H: 150m。
井田构造大致以21轨道下山、21回风下山为界,可以描述为东、西两部分。西半部为北西向构造控制,煤层走向为北西向展布,一系列断层主要为北西向展布,如崔拐正断层: SW∠64°、H: 0~60m; DF6正断层: 45°∠35°、H: 0~16m; DF4正断层: 225°∠41°、H: 0~11m。东半部表现为北东向构造与北西向构造的叠加,由西向东,煤层走向由北西西变为北东东至北东,并出现了如落差50m的北东向展布的崔庄正断层;在23回风下山、23胶带下山的标高-160~-320m之间煤层走向由北西向弯转为北东向,并呈向斜、背斜构造。
1.2 超化矿滑动构造特征
超化井田所在的新密矿区发生在燕山晚期和第三纪的大规模裂陷活动,引发该矿区范围的重力滑动构造活动[3]。重力滑动是在高角度正断层运动过程中,岩石块体受正断层切割和错移,使原先水平或近水平的岩层发生倾斜,从而破坏了块体内重力的均衡状态,产生了位势差和重力不稳,在翘起端和降落端之间,沿块体内部软弱地质界面或软弱岩层产生的[2]。
1)滑动构造与断层的关系:滑动构造促使矿井小构造发育,并以正断层占绝对优势,逆断层少见。井田内除了高角度正断层外,还存在大量的层滑作用形成的缓倾角正断层和顺层断层,并叠加于原来的高角度正断层之上。它们常错断先存的高角度正断层,使同一条高角度正断层分割成上、下不连续的两部分,出现顶断底不断或底断顶不断的复杂现象。如在22121上付巷在掘进至644m处已经揭露13条断层,且大多为断顶不断底的正断层。
2)滑动构造与煤层赋存的关系:受滑动构造作用的影响,煤层厚度由0.19m变化到28.9m;煤层倾角由6°变到36°,并且在井田的南翼变化比北翼剧烈。主要是滑动构造先受北西向展布的关口正断层作用,从南翼向北翼方向滑动,在井田东南翼又受到北东向展布的崔庄正断层上盘下滑时的作用。
3)滑动构造与矿山压力显现的关系:一方面,由于滑动构造处煤层上覆岩层受挤压,强度降低,顶板破碎,使矿山压力向两侧未受影响的部分转移,因而滑动构造区矿山压力较正常偏小。另一方面,由于压力峰值向两侧部分转移,在构造区两侧形成压力集中区,此处成为工作面支撑的重点[4]。
2 滑动构造对瓦斯涌出的影响
滑动构造对煤层的剪切作用,使煤层破碎、粉化、揉流,常形成鳞片状构造煤,煤层强度降低,抵抗瓦斯动能的能力变小,易于发生瓦斯灾害。另一方面,煤层被铲蚀、铲薄或局部增厚,煤层厚度的剧烈变化,不利于瓦斯顺煤层流动和运移,易于在煤厚急剧变化带局部聚集,也增加发生瓦斯动力现象的可能性。其具体表现在以下四个方面:
1)受滑动构造的影响,超化煤矿所在的新密矿区主采煤层都是典型的“三软”煤层(顶板软、底板软、煤层软)。煤层坚固性系数一般为0.12~0.15,由于滑动构造的剪切、搓揉,煤层及顶板的原生结构被破坏,煤质松软,顶板破碎,部分伪顶及直接顶稳定性极差。
2)在沿底掘进时,顶板极难控制,特别是掘进遇局部构造时,常发生顶煤大量冒落,不但造成空帮空顶积聚瓦斯,而且还造成瓦斯短时大量涌出。
3)煤层透气性(λ为0.0523m²/MPa2.d)较差,属难抽放煤层。但卸压后,瓦斯解吸速度快。一旦发生冒顶、片帮或巷道内落煤堆积,瓦斯快速解吸,容易造成瓦斯超限。
4)受滑动构造影响煤层厚度变化大,多呈条带、窝状分布。凡是煤层厚度大的地带,瓦斯涌出量明显增高,见图1。
5)以上因素的综合作用,在22121上付巷(标高-209~-230m)掘进过程中(炮掘、沿煤层底板送巷),连续多次发生瓦斯动力现象。22121上付巷发生瓦斯动力现象多位于煤厚局部变化较大区域(图2),从上11测点处大于12m渐变到上12测点15.8m以上,属特厚煤层。上12测点处发现一落差1.7m的正断层,将煤层顶板抬起,煤层局部呈褶皱状。上11测点向前25m为向斜轴部,上12测点向前30m处为一局部背斜,造成煤层起伏较大,迎头煤层底板坡度为+12°。该巷掘进至瓦斯涌出异常区共揭露13条断层,且大多为断顶不断底的正断层,直接造成煤层顶部形成背斜构造,加上煤层特厚和封闭良好的顶、底板岩性,是造成该区瓦斯涌出异常的主要因素。
3 综采放顶煤回采工作面瓦斯抽放技术
3.1 技术原理
在滑动过程中,上、下盘直接接触部位的岩石在相互碰撞、挤压、揉搓中脱离母岩,而形成断裂带,与其相邻近的岩石也受到一定的影响。一般来说,距离滑动面越近受到的影响也越大,根据受影响的程度可分为破碎带和裂隙带。断裂带和破碎带合称为滑动构造破碎带(简称破碎带),加上裂隙带称之为滑动构造带[5]。滑动构造带的存在,为瓦斯逸散提供了通道,不仅有利于煤层瓦斯顺煤层向浅部运移,而且有利于瓦斯垂向放散。这为“三软”厚煤层瓦斯治理提供了有利条件。
在煤层顶板布置抽放钻孔或抽放巷道,不仅可以抽出本工作面的瓦斯,而且可以通过滑动构造带抽出邻近工作面的瓦斯,降低其瓦斯压力和含量。这样,不仅有利于本工作面的安全回采,而且有利于实现邻近工作面的安全、高效掘进和回采。
3.2 试验区概况及抽放主要参数21071综采放顶煤工作面(2002.04~2004.03)位于超化矿井东翼21采区,北临21051综采放顶煤工作面(2004.08~2005.10),南临21091掘进工作面。21采区煤层厚度变化较大,在3~26m之间,平均厚度为10.7m,平均煤层倾角10°。局部瓦斯压力达到0.55MPa以上,煤质较软,硬度系数f值为0.11,煤体破坏类型为III~V类,是典型的“三软”厚煤层区。煤层瓦斯含量达12.0m³/t以上,局部断层、褶皱等构造比较发育,是典型的高瓦斯、高应力区。煤层伪顶不发育,直接顶为泥岩、砂质泥岩,厚4.25m,老顶为中细粒砂岩,平均厚度4.07m,顶板岩层起伏变化较大。
21071、21051下付巷采用炮掘,上付巷采用综掘,由于地质构造复杂, 21091上、下付巷都采用炮掘。21071工作面和21051工作面都是采用综采放顶煤一次采全高,抽放方法都是采用煤层顶板高抽巷,见图3。高抽巷选择在距回风巷内错10~15m位置,高抽巷采用双道密闭工艺,密闭间加注黄土和罗克休泡沫。根据矿井的正常推进速度和掘进速度,为保证工作面不间断抽放,高抽巷间距150~200m进行布置。主抽放管路采用Φ400mm和Φ250mm的玻璃钢管,抽放负压一般为20~30kPa。
3.3 效果考察
对21071下付巷西段、21051下付巷和21091上付巷西段掘进期间的部分瓦斯涌出资料进行整理,其结果如表1。从表1可以看出21071机巷西段掘进期间瓦斯浓度最高达0.54%,绝对瓦斯涌出量达1.7m³/min,平均瓦斯涌出量1.2m³/min;而21051机巷和21091风巷西段掘进期间瓦斯浓度最高才0.28%,一般都在0.1%以下,绝对瓦斯涌出量最高0.84m³/min,绝大多数时间绝对瓦斯涌出量在0.4m³/min之下。
21071工作面瓦斯抽放浓度在17% ~73%,抽放量稳定在10m³/min以上;而21051工作面瓦斯抽放都在10%以下,抽放量最大才10.8m³/min,见图4、图5。21071工作面和21051工作面加上抽放量后的绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量对比图见图6、图7,从图上可以看出, 21071工作面绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量都明显高于21051工作面。
在地质条件和开采条件类似的情况下,如果滑动构造带不存在,即使采用高抽巷进行瓦斯抽放,相邻工作面掘进、回采期间瓦斯涌出量和瓦斯抽放效果应该相差不大。但由于滑动构造带的存在,在21071工作面利用高抽巷进行瓦斯抽放时,邻近工作面的大量瓦斯已经通过滑动构造带被抽出,是产生上述结果的主要原因。
4 结论与建议
1)滑动构造对煤层的剪切作用,使煤层发生破碎、粉化、揉流,常形成鳞片状构造煤,煤层强度降低,抵抗瓦斯动能的能力变小,易于发生瓦斯突出。
2)受滑动构造作用煤层厚度突然变薄或增厚,不利于瓦斯顺煤层流动和运移,易于在煤厚急剧变化带局部聚集,增加突出的危险性。
3)煤层透气性较差,但卸压后,瓦斯解吸速度快。一旦发生冒顶、片帮或巷道内落煤堆积,瓦斯解吸快,容易造成瓦斯超限。
4)滑动构造带的存在,为瓦斯逸散提供了通道,不仅有利于煤层瓦斯顺煤层向浅部运移,而且有利于瓦斯垂向放散。这为“三软”厚煤层瓦斯治理提供了有利条件。
5)在煤层顶板布置高抽巷,是“三软”厚煤层开采治理瓦斯行之有效的方法。高抽巷不仅可以抽出本工作面的瓦斯,而且可以通过滑动构造带抽出邻近工作面的瓦斯,从而在实现本工作面的安全回采的同时,又有利于邻近工作面的安全、快速掘进和高效回采。
6)高抽巷通过滑动构造带进行瓦斯抽放的影响范围仍有待研究。
|
