下花园煤矿构造煤的成因探讨

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矿业安全与环保 l999年第5期 
O_  , 下花园煤矿构造煤的成因探讨 。 i

山东矿业学院张红日 
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本文针对下花园煤矿特有的地质条件,探讨了该矿构造煤的成因,并分析了构造煤的易 
新囊 剃 
去了其原始的结构、构造而形成的破碎煤。构造煤 的存在是发生煤与瓦斯突出的必要条件,世界上数 以万计的煤与瓦斯突出事例表明,绝大多数突出发 失 
生在构造煤分布的地带或区域。不同矿区,构造煤 的成因可能是不同的,本文针对河北下花园煤矿特 依  有的地质条件,探讨该矿构造煤的成因,以期对构造 纸 煤的研究更深人一步。 
l矿区地质概况 1.1煤系和煤层 
 
 
从1974年至今,全矿共发生突出49次,其突出 
的一般特征是:(1)突出点集中在玉带山向斜两翼 的中部,受火成岩和构造双重影响的部位突出最为 
严重;(2)发生突出的煤层均为Ⅲ 煤层;(3)突出 强度以中小型为主;(4)突出地点以上山为最多,平 巷次之;(5)大多数突出是由放炮诱发的。 2构造煤的成因 2.1成煤环境分析 
对于下花园组沉积环境,前人已作过不少工作。 
下花园矿区内出露的地层非常简单,自老至新 
依次为震旦系上统下马岭页岩,侏罗系中下统下花 
园组煤系,侏罗系中统玉带山组火山沉积岩系,第四 
我们曾围绕课题研究,采集了整套琏茅地层样品,进 行了薄片鉴定、粒度分析、孢粉分析等项工作。本次 
研究是以此为基础,并偏重于煤岩方面的研究。 
经研究认为:下花园组为典型的河流沉积,其成 
煤环境为滩旨沼泽环境。 
系冲积、坡积、残积层,另外有寒武系和三迭系地层 
零星分布。 
 
下花园组煤系地层不整合疆于下马岭页岩之 上,共含8层可采或局部可采煤层,从上至下依次为 
Il、I 2、I Ⅱl、Ⅱ2、Ⅱ Ⅲl、Ⅲ3,其中Ⅲ,煤层厚 度最大,分布也比较普遍,据井下揭露几乎全为构造 煤,所以本次研究以此为重点,同时为了说明问题, 又选择基本保持原生结构的I 煤层作对比。 1.地质构造 
但Ⅲ煤段和I、Ⅱ煤段是在两种不同的古气候 和成煤环境下形成的。列简表如下(表1) 
表1 I檀煤和Ⅲ檀煤沉积环境对比 
对比项目 
厩鼎时代 
I椿攥 
中慷罗世早期 
Ⅲ槽攥 早诛罗世晚期 蘸类植韵为主 热芾一亚热带沮显气侯 环境动菇.有时出现氯化 
环境,放{昆杂羹碎膏旦 
相对较好 租对较差 
± 造煤檀 簇瑟 梧柏英和 
古气侯 
亚热带温暖略干气候 
@ 
区内构造复杂,倒转褶曲成组出现,逆掩断层、 
滑动构造处处可见。矿区由五个构造带组成,其中 
玉带山向斜位于矿区中部,为不对称向斜,向斜轴略 
 境 瓣募 戚 
攥层置存条件相对轻差 
围岩矗气性 相对轻好 
成“s”形,总体呈北东向延伸,向南东倾伏,总长 
61 ̄r其两翼有下花园组煤系分布,岩层倾角变化较 大(10~8oo)。断层多集中在玉带山向斜的西北翼, 
断层方向以北西向居多,其次为北东向,少数东西 向,正断层约占66.7%,逆断层约占33.3%,断距多 
(1)Ⅲ3煤主要特征是丝炭化组分含量较高(达 
33%),以不均~镜质体为主,含碎屑组分和粘土物 
质,常出现碎粒结构,有受扰动和破坏痕迹。 
上述特点说明,Ⅲ 煤层形成过程中在总体还 
在1—6m,断层面倾角3o一6O。不等。 
原条件下曾出现过氧化环境,当时的成煤环境比较 
3l 

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动荡,使煤岩组分混杂不均,同时有异地植物碎片和 矿区内中型构造不十分发育,但次级小构造十 杂质混人,这又有利于煤的孔脓发育。 
分发育,且在平面上和剖面上呈现多样性和复杂形 
(2)I 煤主要特征是层状构造明显,煤岩组分 
态。 
清晰完整,缺少碎屑组分和粘土物质,煤的孔隙相对 2.2.1井田小构造在平面分布上的不同反映 
较少。 
玉带山井田在平面分布上可划分为五个构造 
上述特点说明I 煤层形成于较稳定的沉积环 区,各区内构造格局和应力分布均不同,其小构造特 
境中,较少活动水注人。 征也各有所异,煤与瓦斯突出危险性也有较大差异。 2.矿区构造及层问滑动构造 
如图1为构造分区及瓦斯地质综合图。 
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 与瓦斯突出赢 . 
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井田边界
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古城繁 
 
图1玉带山井田构造分区及瓦斯地质综合图 
1区:玉带山向斜轴部(以轴为中心,向两翼一 
从瓦斯地质角度和突出点的分布来看,上述各 
定范围)。本区小构造以褶皱为主,正断层次之,少 
区煤与瓦斯突出最危险的应该是2区,在褶皱两端 量逆断层。该区为应力释放区。 
和逆断层尖灭端附近是突出最危险位置;其次是3 
2区:向斜西部北翼。倾角陡,煤厚变化大,小 区,突出点较2区少,但强度可能大些;再次是4区 构造以层间小褶皱、小逆断层为主,且密度大,揉搓 和5区;1区危险性最小。据历年煤与瓦斯突出点 
强烈。 
的分布分析,突出主要发生在玉带山向斜两翼,这也 
3区:向斜西部南翼。倾角缓,但由于受区域构 是小型构造特别发育的部位,是层间滑动强烈部位。 
造应力:古城梁穹窿压扭力、岩浆浸人体推挤力等复 
据统计,煤层中的不协调褶皱、煤层波状起伏产状变 
合作用,层间构造亦很发育,煤层破坏较严重。 
化部位易发生突出,如图2。 
4区:向斜东部北翼。与西部北翼相比,倾角 缓,小构造简单,密度小,小型正断层较多,但仍发育 
有形态复杂的小褶皱和逆断层。 
5区:向斜东部南翼。岩层倾角大,煤的变质程 
丰 l ■由  ̄lOSt-t I。吏出点 
 
、 
、 
度及构造破坏高于其他区(靠近古城粱穹窿,受岩浆 
浸人影响),但该区构造以开放型小断层为主。 
图2小型地质构造与瓦斯突出点分布 
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小断层附近也易发生突出,如一井西30上山, 沿Ⅲ 煤开掘,过断层进入下盘后发生突出,观察发 现断层下盘恰与下马岭页岩接触,下马蛉页岩起了 屏障作用。但张性断层则为开放性的,一般不会发 生突出,如在一井的西部,在开采Ⅲ 煤时发现断层 密集,但多为正断层,破碎带较宽,充填物疏松,无突 
出。 
2.2.2层间滑动构造 
本矿区的层滑构造是在玉带山向斜形成过程中 
形成的次级构造,属褶皱诱导型。 
下花园煤系地层可划分成三大块体,即煤系基 底、煤系本身、煤系盖层,由于三大块体的岩石力学 性质不同,对构造应力的反映出现差异,当盖层和基 底整体褶皱时,其强大的反作用力挤压煤系地层,首 
先在块体结合面上产生层问滑动,随着区域构造应 
力的继续作用,煤系内部产生许多次级小构造。层间 
滑动加剧,从而形成向斜内部煤系地层的层滑构造。 
由于层问滑动构造具有选层的特征,因而在各 
煤层中的发育程度将不同。Ⅲ,煤层位于煤系底 部,且煤层厚度大(平均4.2m),同时,从Ⅲ 煤层的 显微特征来看,具有大量碎屑组分,孔隙非常发育, 这就降低了其显微力学强度,再加上Ⅲ 煤层中粘 土物质含量较高,这些都是层滑构造易于沿该层发 育的有利条件,所以Ⅲ,煤层变形最严重,这便是Ⅲ3 
煤层形成“构造煤”的内因和外因。 2.3岩浆活动的影响 
下花园矿区由于受燕山运动的影响,岩浆活动 
十分强烈,其中对煤系及瓦斯影响较大的是辉绿岩 体。辉绿岩体一般是从岩床或岩墙状浸入各段地层 之中,其中又以顺层浸入煤系地层的岩床影响最大, 前面已谈过,Ⅲ3煤层中小构造及层滑构造十分发 育,使得煤层遭受了强烈的破坏,成为煤系地层中最 为薄弱的一个层位,受火成岩影响势必最为严重。 浅成型的辉绿岩体大面积形成Ⅲ 煤层顶板,对煤 层产生强烈的挤压和揉皱作用,进一步加剧了煤层 
的破坏。 
2.本区构造煤形成的简要过程 
(1)成煤阶段
这时“构造煤”尚未形成,但由 
于各煤段和煤层的不同,使其对后期改造的反映也 不同,这就从“主观”上埋下了“构造煤”形成的“内 
因”。 
(2)构造改造阶段 已形成的煤层受后期构造 运动的强烈影响,发生变形变位,但由于“内因”的差 
异,各煤层表现不同,这就是构造作用的选择性。 
(3)岩浆活动影响叠加阶段岩浆活动是在构 造基本格架形成之后产生的,所以它起到了一种“叠 加”作用,加剧了“构造煤”的形成。 
3构造煤的易突性分析 
笔者曾对下花园矿的构造煤(Ⅲ 煤层)进行了 
取样化验,实验结果表明,Ⅲ 煤层煤的孔隙体积和 比表面积都远远大于I 3煤层,微结构、微构造出现 频率高,AP值太,破坏类型高,r值低,这些都是突 
出易于发生的有利条件。 
3.1瓦斯含量分析 
根据瓦斯吸附实验所得到的a、b值及工业分析 M 、A 值,按朗格缪尔方程计算煤层瓦斯含量,如 
表2所示。 
裹2煤层瓦斯含量殛瓦斯蓐胀魅计算结果 
从表中可看出,Ⅲ 煤层的瓦斯含量要高于I  
煤层,这为瓦斯突出提供了一个必要条件。 
3.2煤的膨胀变形及附加应力分析 
吸附瓦斯使煤产生膨胀变形,并进而对煤的力 
学性质产生重要影响,其计算公式(根据伯克海姆等 
人)为: 
e=ro/E 
(1) 
式中:E为介质的应变量, 为表面张力减小 量, 为介质的比表面积,p为介质密度, 为介质 的弹性模量。 
将数据代入上式计算,结果 m =0.57Ⅱ, I 3= 
O.02n,前者是后者的37.85倍,说明Ⅲ3煤层产生的 变形量远远超过I 煤层。 
煤的变形受顶底板岩层的限制,产生附加应力, 
其大小由公式(2)计算: 
附=sot/(1—2n) 
(2) 
式中It为煤的泊松比,取0.5,其他符号同前 
33 

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式。据此算得煤变形的附加应力嘲Ⅲ=1 31 I ̄MPa, (3)研究“构造煤”必须做全面考察和分析,必 叮尉L=28 ̄MPa,前者为后者的46.8倍。附加应力会 
须把构造分析和沉积分析结合起来,必须把“内因” 对煤层产生很大的影响,使其不稳定性增加。显然。 和“外因”、同期和后期、生成和改造结合起来,才能 
附加应力越大,突出的潜在危险越大。 得出满意的结果,并回答单一构造分析所不能解释 
上述分析是从煤层本身进行的,虽然构造煤容 的问题。 
易突出,但不能把“构造煤”与“突出”完全等同起来, (4)构造煤易“突”,大多数突出均发生在构造 还需分析构造煤所处的构造位置(前述构造分区)、 煤中,但并非所有构造煤一定“突”,必须对构造煤作 
所处的围岩条件及构造煤的本身特征等,只有进行 具体分析,要分析构造煤的成煤环境,所处的构造位 
综合分析,才能正确地预测煤与瓦斯突出。 
置、围岩条件及煤层本身特征等,只有这样才能准确 
预测突出。 
结论 



献 
(1)构造煤的成因是比较复杂的,并非单纯的 构造破坏作用所造成,它是从沉积开始,经煤化作 1张红日.构造煤的特征及其与突出的关系.硕士研究生毕 用,直至构造破坏的整个地质过程的产物。 
业论文.992.7 
2)下花园矿的构造煤是由于成煤原始质料、 
山东矿业学院,下花园煤矿.玉带山二区煤中软分层形成 
机理及其在煤与瓦斯突出预测中l的应用研究报告.1993. 
成煤环境、构造破坏及岩浆浸人的共同作用而形成 12 
的。当然,构造在这一全过程中起主导作用,但没有 (收稿日期:998—12—28;责任编辑:吴自立) 
其他条件配合也形不成“构造煤”。 
七七七七七七七七七七七 电电电电电 
(上接第27页) 
使破碎围岩形成锚固组合拱,对 块起挤压加固作 统成为一整体结构,这同巷道支护是一个整体概念 
用,防止岩块垮落;同时具有一守 9度的金属阿对围 相适应的,避免了因局部支护恶化而导致整个巷道 
岩表面的反力可以增大组合拱 部破碎岩体的密实 
失稳。金属网——锚杆整体支护系统可以均衡巷道 度,这些都具有提高支护系统的抗动载能力。 
各部分的受力和变形状态,提高了巷道整体稳定性。 
(2)通过围岩应力场分析,认为金属网能够使 结论 
松软破碎围岩由破碎结构转化为镶嵌结构,巷道围 金属网作用机理:(1)参与围岩应力状态调整 
岩轮廓形成能承受较大压力的压力拱,防止围岩破 使锚杆支护系统成一整体结构;(2)提高松软破碎 裂范围扩大及岩块冒落。由于碎石的碎胀作用及传 围岩组合拱的力学强度,起加紧固围岩作用;(3)金 递力的媒介作用有利于将载荷传递到锚杆及深部围 属网有柔性,具有卸压作用;(4)提高支护系统抗动 岩,维护了压力拱,发挥了围岩自承能力。金属网能 载能力,防止围岩变形恶化。 
够提高岩体的强度,和锚杆一起起加固围岩的作用。 国内一些成功实践证明,金属网是煤层动压巷道锚 



献 
杆支护必不可少的技术措施,巷道围岩的稳定性愈 
 发东.松软破碎围岩回采巷道锚网支护研究及实践: 差,金属网的这种加固围岩作用就愈重要。 
硕士学位论文]徐州:中国矿业大学.1998 
3)金属网具有柔性,能够适应围岩的变形,使 2王泳嘉,邢纪渡离散单元法及其在岩土力学中的应用. 
巷壁处的岩压减小,具有“卸载”作用。同时由于金 沈阳:东北大学出版社.1991 
属网还具有一定的刚性,能给围岩表面以抗力,从而 3陆士良,成家钰扩大煤巷锚杆支护的技术关键和措施. 
改善了围岩的受力状态,防止围岩变形进一步恶化。 
光爆锚喷.996(3) 
朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工 
4)回采巷道易受动载的影响,如爆破动载、开 力学.北京:科学出版杜,1995 
采动载等,可使围岩塑性区和破碎区显著增大,会出 
收稿日期:1999—05—15I责任编辑:李发全) 
现漏顶、掉块、剥落等现象。金属网能和锚杆共同促 

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/a2ba73e0524de518964b7d67.html

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