海孜煤礦煤體結構與瓦斯賦存地質規(guī)律

海孜煤礦煤體結構與瓦斯賦存地質規(guī)律

海孜煤礦屬于淮北煤礦。這是含碳二疊紀的含礦巖系，包括四個主要礦區(qū)，自上而下的編號為7、8、9和10。海孜煤礦在建井期間曾發(fā)生過煤與瓦斯突出現(xiàn)象;生產(chǎn)期間在掘進742工作面時瓦斯經(jīng)常超限;86采區(qū)石門揭煤打鉆時瓦斯含量參數(shù)超過規(guī)定標準。為了安全,對海孜煤礦主采煤層的瓦斯賦存地質規(guī)律及其突出危險性進行研究,探討海孜煤礦主采煤層瓦斯參數(shù)特征及其與瓦斯突出危險性的關系。1煤層的水質與組分含量海孜礦煙煤一般呈黑色,粉末呈棕-黑色,弱玻璃光澤-強玻璃光澤;條帶狀結構,裂隙較發(fā)育,粉狀或碎塊狀,質地較軟,性脆易碎。無煙煤呈鋼灰色-灰黑色,似金屬光澤-金剛光澤;外生裂隙較發(fā)育,條帶結構,粉狀或碎塊狀,質地堅硬。天然焦一般呈鋼灰-灰黑色,多為暗淡光澤,少量呈似金屬光澤,且略帶銀白色,裂隙不發(fā)育,條帶結構,質地堅硬。7、8、9、10號煤層以亮煤為主,次為暗煤,屬半暗-半亮型煤。各煤層中的有機質平均含量大于83%;其中以鏡質組分為主,含量一般大于70%;其次為惰質組分,一般在15%~30%;穩(wěn)定組分含量低,一般小于1%。無機組分中以黏土礦物為主,約占5%~7%,其它如石英、黃鐵礦等礦物含量少,一般小于2%。2瓦斯含量及防治措施對煤層煤體結構特征的研究是瓦斯地質的一項重要的基礎工作,是綜合分析瓦斯涌出、突出因素和防治措施的重要內容。此次研究中,對7、8、9、10號4個煤層的6個揭煤點進行了現(xiàn)場觀察,并對煤層按煤結構破壞類型進行分層,采集了各分層的代表性樣品。2.1破壞煤的類型煤體結構的破壞程度,采用1988年原煤炭部頒發(fā)的《防治煤與瓦斯突出細則》的方案,將煤分成5種破壞類型。Ⅰ、Ⅱ類為正常煤;Ⅰ類原生結構清楚,Ⅱ類原生結構可辨;Ⅰ、Ⅱ類煤堅硬,是非突出煤。Ⅲ類通常稱碎裂煤,原生結構已破壞,硬度低,是可能突出煤。Ⅳ、Ⅴ類通常稱碎粒煤、糜棱煤,硬度低,常成鱗片狀、粒狀、粉末狀、土狀等,為易突出煤。2.2頂、底板煤體7煤層的觀察點在744工作面風巷,C3點以外12.3m處;大致標高為-280m。煤層約厚2.0m(未見底);頂板為炭質泥巖,揉皺鱗片狀,煤層破壞十分嚴重,皆為構造煤,大都成粉末狀、鱗片狀結構。8煤層有2個觀測點,第一觀測點在841風巷掘進工作面,離23號點40m處,大致標高280m;煤層約厚1.1m,觀測點見頂板、底板,頂、底板都為泥巖;煤層結構比較破碎,構造煤發(fā)育,以鱗片狀、碎裂狀為主。第二觀測點在816工作面向下20m處,觀察點煤厚約1.70m,周圍有一定變化;沿煤層傾向,煤體結構變化不大;走向20°,傾角16°;頂板、底板中多見摩擦鏡面,煤層中亦見不少鏡面;層間滑動痕跡常見;煤層結構破碎,碎粒狀、鱗片狀,碎裂狀煤發(fā)育;頂板一般為泥巖,在砂巖頂板的地段煤層揉皺成褶曲狀;揉皺一般位于一分層(Ⅳ類煤)與二分層(Ⅲ類煤)交界處。9煤層的觀測點在84采區(qū)9煤運煤下山巷道。觀測點煤厚約1.3m(未見底),傾角26°;煤層中見不穩(wěn)定分布的沉積形成的夾矸,還有構造擠壓楔入的夾矸;煤層上、下部分十分破碎,中部揉皺破碎程度稍緩;滑動鏡面發(fā)育,構造錯動現(xiàn)象明顯。10煤層有2個觀測點,第一觀測點在10煤213機巷掘進工作面;觀測點煤厚約3.0m,可見煤厚約2.50m;煤層傾角10°左右;頂板為泥巖,未見底板;煤體結構比較完整,層理可見,上部稍破碎;以半暗煤、暗煤為主。第二觀測點在西部井1057機巷掘進工作面,煤層整體結構完整,沿周圍觀察基本穩(wěn)定;觀測點右下角有小斷層,使局部有點破碎。2.3煤的過濾效率及組分將煤的自然粒級進行篩分來了解各種粒級的煤所占的比重,是研究煤的破壞程度的方法之一。采取樣品進行實驗室的粒級篩分,計算了小于0.5mm煤樣所占煤樣總量的百分比,結果見表1。從表1看出,10號煤層的篩分指數(shù)小于0.5%;而7、8、9號煤層的篩分指數(shù)都較大,分別達到14.83%、11.62%、8.53%。并對各種結構類型的篩分指數(shù)進行了統(tǒng)計,結果見表2。從2中可以明顯看出,Ⅰ、Ⅱ類非突出煤的篩分指數(shù)小于0.5%。Ⅲ類可能突出煤的篩分指數(shù),平均值為2.45%。Ⅳ、Ⅴ類易突出煤的篩分指數(shù)平均值為14.71%。由此可見,篩分指數(shù)是一個較好的反映煤破壞程度的指標。2.4特征：煤炭揉捏系數(shù)的特點2.4.1r—揉皺系數(shù)計算公式揉皺系數(shù)是反映煤體結構破壞程度的一個指標,其計算公式為:R=(0.5m3+1.0m4?5)/MR=(0.5m3+1.0m4-5)/Μ式中R——揉皺系數(shù)(無因次);m3——Ⅲ類煤的厚度,m;m4-5——Ⅳ、Ⅴ類煤的厚度之和,m;M——煤層總厚度,m。2.4.2篩選突出危險性指標對各煤層揉皺系數(shù)進行計算,結果見表3。研究表明:在具有良好的瓦斯賦存條件下,揉皺系數(shù)在0.3左右可以作為煤層的突出危險性指標;揉皺系數(shù)在0.7以上可作為嚴重突出危險性指標。據(jù)此,海孜煤礦的10煤層不具突出危險性,8、9煤層揉皺系數(shù)大于0.7,7煤層揉皺系數(shù)遠大于0.7,這3個煤層都是具嚴重突出危險的煤層。3煤層頂板的參數(shù)特征3.1f值的測定煤的堅固性可用煤的普氏系數(shù)的大小來表達。采用落錘法來測定,所測結果稱為f值。從表4可以看出,煤的普氏系數(shù)(f值)隨著煤體破壞程度的增高而降低。3.2煤的p值及其分配煤的瓦斯放散指數(shù)ΔP表示充有瓦斯的煤樣放散瓦斯快慢的程度;ΔP值的大小,與煤的微孔隙結構、孔隙表面性質和大小等有關;煤的△P值在一定程度上反映了瓦斯含量的大小,而瓦斯含量是瓦斯突出的基本條件。煤的瓦斯放散指數(shù)(ΔP)與煤體破壞程度成正比變化,即隨著煤體破壞程度的增高,瓦斯放散指數(shù)增大(表4)。3.3瓦斯的突出危險性煤炭科學研究院撫順研究所根據(jù)對北票、重慶、梅田、焦作等十幾個礦區(qū)煤層的測試結果和統(tǒng)計計算,于1982年提出了煤層和區(qū)域突出危險的預測方法。其中煤的突出危險性綜合指標K=ΔP/f,綜合了ΔP和f兩個指標的特點,更全面地反映了煤的突出危險性;當K<15時,沒有突出危險性,當K≥15時具有突出危險性。從測試結果來看(表4),10煤的瓦斯突出危險性最小,綜合指標K值小于10,10煤為無突出危險性煤。7、8、9煤都具有突出危險性,K值大,測值全都大于15;平均來說,8煤為30左右,9煤為35左右,7煤達107左右。煤層破碎程度(揉皺系數(shù))與突出危險性綜合指標K關系密切,7煤層揉皺系數(shù)為1,煤層十分破碎,K值相應很大;8、9煤層揉皺系數(shù)為0.768,0.796,煤層較破碎,相應K值也較大;而10煤煤層結構保存完好,相應K值很小。這與煤礦瓦斯突出情況基本一致。3.4千噸吸附特征3.4.1煤的吸附行為在30℃的測試溫度下,進行煤的吸附實驗,獲得吸附等溫線;然后根據(jù)Langmuir方程,采用回歸分析的方法,計算獲得吸附常數(shù)a、b。a值稱為Langmuir體積,物理意義是飽和吸附量;b值稱為Langmuir壓力,物理意義是煤的內表面對氣體的吸附能力。以往的研究表明:煤的結構越破碎,一般a、b值就越大,其乘積(a×b)也越大。3.4.2煤體抗菌材料的吸附特征選擇代表性樣品,在淮南礦業(yè)集團實驗室進行了測試,其結果見表5。從測試結果來看,10煤的瓦斯突出危險性最小,其吸附常數(shù)之積(a×b)亦很小,在16左右。7、8、9煤都具有較大的突出危險性,a×b值較大,一般為30~40左右。煤層的平均a×b值與煤體結構對應關系較好,7、8、9煤層煤體結構破碎,揉皺系數(shù)大,相應a×b值較大;而10煤煤層結構保存完好,相應a×b值很小(表6)。4煤層瓦斯突出危險性分析通過以上分析研究,可以得出如下幾點認識:(1)篩分指數(shù)和揉皺系數(shù)是評價煤體結構類型的較好的定量指標,隨煤體結構破壞程度的增加,篩分指數(shù)和揉皺系數(shù)均增大;(2)突出煤層原生