鹤壁八矿二_1煤层构造发育特征及对瓦斯灾害的控制作用研究

采用现场实测和实验的方法,获得鹤壁八矿不同区域的瓦斯压力、瓦斯含量和相关突出判定指标,分析矿井瓦斯压力和瓦斯含量的分布规律,同时对构造煤的发育特征和突出规律进行系统研究。分析表明,鹤壁八矿构造主要以断层为主,二1煤层瓦斯含量随煤层深度的加大而有规律地增加;背斜轴部附近煤层瓦斯含量一般较低;向斜轴部煤层瓦斯含量较高,煤与瓦斯突出的危险性较大。矿井突出多发生在断层、向斜轴部、煤层由薄变厚或倾角由小变大的地点。     

平项山八矿煤层底板构造曲率对瓦斯的控制作用

基于河南平顶山八矿瓦斯地质背景分析,揭示了煤层瓦斯含量与煤层埋深的关系,探讨了断裂构造对煤层瓦斯的控制作用。采用曲度方法定量计算了煤层底板等高线构造曲率,并分别进行了构造曲率与煤田钻孔实测瓦斯含量、矿井实测相对瓦斯涌出量及突出煤量和瓦斯量的相关性分析。结果表明,构造曲率与瓦斯含量、瓦斯相对涌出量、突出瓦斯量、突出煤量呈负相关关系,反映研究区己15煤层位于褶皱中和面以上,即煤层在向斜轴部受挤压而背斜轴部受拉张,正曲率值反映煤层受到拉张应力作用,负曲率值反映煤层受到挤压应力作用,曲率绝对值越大,受力越大。     

重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用

在大量瓦斯基础参数测试和瓦斯地质资料分析的基础上,从将军岭重力滑动构造的基本特征入手,分析了重力滑动构造的形成机制,研究了重力滑动构造对煤层厚度、煤体结构、应力状态、煤的变质程度、瓦斯赋存等的影响,阐明了重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用.研究结果表明,滑动过程造成了煤体原生结构遭到破坏,煤层厚度变化较大,煤的变质程度相对较高,吸附能力相对较强,瓦斯生成量相对较大.重力滑动构造后缘主要受到拉张应力作用,煤层顶板裂隙较为发育,且形成一系列高角度正断层,有利于瓦斯的逸散,不利于突出的发生;滑动构造前缘主要受到挤压应力的作用,易形成逆冲断层组合,并在煤层顶板形成一致密的隔水隔气层,阻碍瓦斯的逸散,使连接点以深瓦斯含量急剧增加,容易发生煤与瓦斯突出事故。     

开滦矿区煤岩动力灾害的构造应力环境

运用空心包体地应力测量方法进行了开滦矿区地应力测试,系统分析了开滦矿区地应力场的类型、作用特征及其与区域构造的关系,在此基础上分析了开滦矿区煤与瓦斯突出、冲击地压和底板突水等煤岩动力灾害与矿区地应力场之间的内在关系。研究表明开滦矿区地应力场属于大地动力场,地应力以水平构造应力为主导,且属于高应力区。矿区地应力场的量值和方位受开平向斜的控制,开平向斜轴部区域应力值最高,随着远离轴部,应力值逐渐降低;最大主应力方位与开平向斜轴部走向近似垂直。构造应力场对开滦矿区煤体结构、瓦斯参数、煤体渗透特性等具有控制作用,开滦矿区煤与瓦斯突出和冲击地压发生在地应力值最高的开平向斜轴部区域,底板突水发生在地应力最低的开平向斜翼部区域。开滦矿区煤岩动力灾害具有统一的构造应力环境。     

Nappe structure＇s kinetic features and mechanisms of action to coal and gas outburst

逆冲推覆和重力滑覆的共性特征是存在一个以相对低的强度和高的剪切应变为特征的滑脱面或拆离层,分隔着其上下力学性质和应变特征不同的两盘。推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制主要表现为2个方面：①推覆构造形成过程中低角度滑动对煤体产生广泛的压剪作用,使得煤层作为相对软弱层面结构发生广泛的层域破坏和面域破坏,构造煤非常发育;②推覆构造的挤压应力环境以及地层增厚效应为瓦斯赋存提供了有利条件,低角度的主滑断裂面（大多为逆断层或逆掩断层）往往构成较好的瓦斯封闭系统,对瓦斯的赋存起一定的控制作用;推覆构造派生的具有压性特征的结构面形成了对煤层瓦斯系统的封闭作用。总体上推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制体现在其为煤与瓦斯突出创造了物质基础——高含量的瓦斯和低强度的煤体。     

推覆构造的动力学特征及其对瓦斯突出的作用机制

逆冲推覆和重力滑覆的共性特征是存在一个以相对低的强度和高的剪切应变为特征的滑脱面或拆离层,分隔着其上下力学性质和应变特征不同的两盘。推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制主要表现为2个方面：① 推覆构造形成过程中低角度滑动对煤体产生广泛的压剪作用,使得煤层作为相对软弱层面结构发生广泛的层域破坏和面域破坏,构造煤非常发育;② 推覆构造的挤压应力环境以及地层增厚效应为瓦斯赋存提供了有利条件,低角度的主滑断裂面(大多为逆断层或逆掩断层)往往构成较好的瓦斯封闭系统,对瓦斯的赋存起一定的控制作用;推覆构造派生的具有压性特征的结构面形成了对煤层瓦斯系统的封闭作用。总体上推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制体现在其为煤与瓦斯突出创造了物质基础--高含量的瓦斯和低强度的煤体。     

地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究

为考察地应力对瓦斯压力与突出灾害的控制作用,通过理论分析和现场实例验证相结合的方法,分析了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律。研究结果表明：构造应力的演化对煤层瓦斯赋存及运移起主导控制作用,含煤地层在高构造应力作用下其煤层瓦斯压力梯度可能远超过静水压力梯度,形成高的瓦斯压力;在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有煤体强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点。由于地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用,可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提。最后文中以祁南煤矿72煤层的瓦斯突出灾害特征验证了构造应力对突出灾害的主导控制作用。     

皖北矿区五沟矿煤与瓦斯突出危险区划分

以瓦斯地质理论为基础,研究了皖北矿区五沟矿瓦斯风氧化带的界限、构造煤发育规律,进行了煤与瓦斯突出危险区划分。以煤层瓦斯成分和瓦斯含量为指标确定煤层瓦斯风氧化带界限,煤层底板标高-200～-330 m以浅为煤层瓦斯风氧化带;构造煤分布,区域上分区分带,层域上具有分层特征。煤与瓦斯区域突出危险性预测的瓦斯含量临界值定为7 m3/t,低于《防治煤与瓦斯突出规定》的8 m3/t;煤层底板等高线-450 m以浅,为低瓦斯区,矿井深部,向斜轴部,构造煤发育,瓦斯含量>7 m3/t,具有煤与瓦斯区域突出危险性。     

复杂构造突出煤层地应力分布与损伤状态模拟

复杂地质构造突出煤层中地应力分布与煤体损伤状态对煤层瓦斯赋存状态与瓦斯压力梯度分布起着重要作用。运用岩石力学模拟软件分析了里王庙矿-1152石门与坦家冲矿236-80石门揭煤区域复杂地质构造突出煤层中地应力分布与煤体破坏规律,结果显示:在曲率较大位置的煤层顶底板岩层极易出现水平应力集中的现象,构造区域煤层内水平应力呈现明显的竖直层状分布,在一定程度上导致了在煤与瓦斯突出过程中煤层会呈层状破坏向外喷出现象的产生;在背斜或向斜轴部附近的翼部区域会存在应力梯度变化拐点,应力变化明显;褶皱背斜轴部及其附近区域出现了应力中和面,且中和面附近翼部区域煤体最先产生破坏,且破坏最为严重。     

水城煤田瓦斯赋存的构造逐级控制

为认识水城煤田的瓦斯赋存特征,采用构造对瓦斯的逐级控制理论,分析了构造演化、现今构造组合样式及煤层的非均质性等对煤中瓦斯生成、运移和保存的控制。研究表明:研究区具有稳定的三角洲间湾成煤环境,为甲烷的生成提供了较好的物质基础。煤层沉积后经历了三期次的生烃作用,生成大量瓦斯。盆地隔挡式褶皱发育,对瓦斯赋存的控制作用可分为3种类型:宽缓简单向斜+良好封盖层,不对称向斜+良好封盖层,不对称陡立向斜+良好封盖层。埋藏较深的向斜核部煤变质程度较高,瓦斯含量一般较大。变形较大的构造部位煤体结构变形较严重,使得煤体具有更好的微观孔隙结构。     

大河边向斜地质构造对煤与瓦斯突出的影响

为了对大河边向斜内煤与瓦斯突出进行区域预测与防治;根据向斜内煤层突出的特点,地质构造特征,地应力作用,煤层厚度及产状变化、煤层透气性的实测数据分析,探讨了向斜南北部及中部煤层突出的差异,研究了大河边向斜煤层突出机理.结果表明高瓦斯和封闭性好的地质条件是瓦斯突出的物质基础,压性和压扭构造等地质构造的发育及地应力作用是导致突出的重要因素,在向斜中部C409,C407,C406突出危险性最大,在向斜北部C409,C601突出危险性最大,在南部煤层突出危险性小;该成果对大河边向斜内进行煤与瓦斯突出区域预测与防治具有指导意义.     

淮南煤田逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出的影响分析

为了提高淮南煤田在地质构造带条件下煤与瓦斯突出防治的针对性,采用理论分析的方法研究了淮南煤田逆冲推覆构造和煤与瓦斯突出的关系,对淮南煤田逆冲推覆构造的几何学、动力学特征,以及该构造控制下的煤体结构、瓦斯赋存、构造应力分别进行了分析。研究结果表明,淮南煤田的逆冲推覆构造主要分布在煤田南北两缘,由华北克拉通与扬子克拉通于印支-燕山期相互碰撞挤压形成。煤田南缘逆冲推覆构造由南向北推覆,北缘逆冲推覆构造由北向南推覆,形成了反向相背倾斜的构造系统。淮南煤田逆冲推覆构造带内构造煤发育、瓦斯含量高为煤与瓦斯突出提供了物质基础条件,而较高的构造应力及瓦斯压力为煤与瓦斯突出提供了动力条件。从逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出影响的角度分析了望峰岗矿"1.5"煤与瓦斯突出事故原因,分析表明:发生事故的C13煤层内构造煤发育,瓦斯含量高,构造应力集中,当主井施工揭开C13煤层时,原应力平衡状态被打破,煤与瓦斯大量喷出,导致事故发生。     

构造凹地煤与瓦斯突出发生机制及其危险性评估

针对煤与瓦斯突出矿区的地形地貌特征，提出了构造凹地的概念，即矿区两侧或四周为隆起区，中间为低凹区，二者具有一定的高程差。基于理论分析和现场测量对构造凹地的地质动力状态的研究表明，构造凹地具有较高的水平构造应力，且水平差应力显著。构造凹地的高构造应力为煤与瓦斯突出提供了动力基础，同时使得瓦斯的运移和逸散受到了限制，因而具有较高的瓦斯含量和瓦斯压力，形成了煤与瓦斯突出的物质条件。最后提出了构造凹地的定量评价指标--构造反差强度及其计算方法，对部分构造凹地进行了计算，结果表明构造反差强度与煤与瓦斯突出灾害程度具有正相关关系。在此基础上提出了从宏观层次评估矿区煤与瓦斯突出危险性的方法。     

艾维尔沟矿区构造及其演化对煤层瓦斯赋存的控制

为了明确构造及其演化对艾维尔沟矿区煤层瓦斯赋存的控制作用,采用现今地应力实测、含煤盆地埋藏史-热史模拟、现场资料统计分析等方法,对矿区地应力状态、含煤地层埋藏史、煤层变质作用、瓦斯生成与散失、煤与瓦斯突出危险性等开展研究。研究表明:艾维尔沟矿区现今地应力状态为构造挤压应力状态,最大主应力方向为NE-SW向;矿区侏罗纪煤系地层主要经历了2个大的演化阶段,第Ⅰ阶段为快速沉降并于晚侏罗世达到最大埋深约4 300 m,煤层受到深成及区域双变质作用,经历最高古地温137~192℃,形成第1次生气高峰;第Ⅱ阶段由于受到燕山运动及喜马拉雅运动构造挤压的影响,煤系地层从晚侏罗世-早白垩世开始发生倾斜并持续抬升剥蚀,煤层快速冷却降温,煤层瓦斯发生逸散;矿区内深成变质及区域热变质作用直接导致了矿区内煤级及瓦斯生成量具有垂向和水平2个梯度,局部差异化构造及演化直接导致了矿区内各矿之间煤层瓦斯保存条件的差异性;受现今构造挤压地应力状态、地质构造及其演化的控制作用,艾维尔沟矿区垂向上向斜轴部(北翼深部)较北翼浅部更具有煤与瓦斯突出危险性,平面上矿区西部2130煤矿地区较中部地区1930煤矿地区更具有煤与瓦斯突出危险性,东部1890煤矿地区次之。     

华北聚煤区南缘煤与瓦斯突出与推覆构造关联性分析

分析了华北聚煤区南缘逆冲推覆构造形成的动力学机制和构造特征,探讨了推覆构造对研究区内煤体结构、构造应力和瓦斯含量等方面的影响或控制,认为推覆构造对区内构造煤的发育与分布具有控制作用,区内构造特征主要为逆冲推覆构造下的压性、压扭性断裂,推覆构造有利于瓦斯的保存,高突矿区的范围宏观上具有沿推覆构造带分布的规律,揭示了推覆构造与煤与瓦斯突出灾害的密切联系。     

地质构造物理环境对煤与瓦斯突出的影响综合分析

通过对构造煤特征、构造应力场特征、地质构造带煤层瓦斯赋存规律和构造组合特征的综合论述,分析了地质构造物理环境对煤与瓦斯突出的影响。分析表明:构造煤分层的存在为煤与瓦斯突出的初始激发和持续发展创造了有利条件,地质构造破坏复杂程度、构造带煤层瓦斯赋存状态、构造应力场叠加和构造煤发育是影响突出发生的关键因素,增加了突出发生的危险性。提出了构造物理环境和采掘活动等扰动因素的综合作用控制地质构造带的煤与瓦斯突出。     

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。     

平禹四矿特大型煤与瓦斯突出事故地质条件分析

以瓦斯地质学理论为依据,分析平禹四矿12190工作面运输巷掘进过程和工作面切眼发生的2次特大型煤与瓦斯突出事故,结合平禹四矿所处区域地质构造,分析工作面突出区域的煤层埋深、瓦斯含量、压力、煤的物理力学性质,对煤与瓦斯突出发生的原因进行分析认为:煤层埋深是影响煤层的主控因素,突出区域存在瓦斯包为连锁反应提供膨胀能。综合分析得出,平禹四矿12190工作面发生的2次特大型煤与瓦斯突出事故是地应力、瓦斯压力与构造煤综合作用的结果。