桐花沟普查区煤层开采影响因素综合分析

桐花沟区位于河南省巩义市东南部，行政隶属巩义市站街道、大峪沟镇。该区地势东高西低，沟岭相间，纵横交错，沟谷发育形态呈“V”字型，地形切割严重，山脊呈鱼脊状，山头多为馒头型，山麓及沟谷有坡积物，总体属侵蚀低山丘陵地貌。为了确保该地区煤炭工业可持续发展，满足煤矿接替需求，对桐花沟进行普查。通过本次普查勘探可知山西组二₁煤层属较稳定的中厚~厚煤层，煤厚有一定变化（1.03~21.05m，平均为4.79m），全区可采。一₁煤层属煤层厚度有一定变化的薄煤层，厚0.59~1.82m,平均1.02m，煤层层位稳定，且两煤层结构都简单。同时探明C+D级储量为6006万t，C级为1700万t，占28.3%，其中二₁煤层C+D级为5501万t，一₁煤层C+D级储量505万t，另有一₁煤层暂不能利用储量647万t。对如此巨大煤炭资源，在普查勘查时期，对该区影响煤层开采的因素进行勘查和综合分析，初步评估其对煤矿开采产生的影响，具有重要的理论与实际意义。

1地质构造条件

一般情况下，研究区的构造直接对水文地质条件产生很大的影响，对构造条件的分析可以预测井突水发生的可能性。在本区以F₃断层为界，南北边界附近均有断层，内部滑动构造发育。这些构造破坏了岩石的连续性，为地下水的贮存、运移创造了条件，使不同的含水层发生了水力联系。在开采条件下，由于构造带本身强度低，构造带中的水会进入矿井而发生突水。同时，断层使其两盘地层发生了重新组合，使得二₁、一₁煤层和含水层直接对接。再者滑动构造在部分的地段距二₁煤层较近，给顶板管理带来困难。西界断层F₃属区域大断裂，构造裂隙发育，具备形成地下水迳流通道条件，对西部开采构成威胁。

矿井充水形成所需要的两个必要条件是充水水源和充水通道。只有当两者结合，充水水源才有可能通过充水通道进入矿井。在本研究区中，从所处构造位置、煤层埋藏深度分析，地下水为主要充水水源，而岩石裂隙、溶洞、断裂构造带及隔水层厚度变薄带均可成为充水通道，特别是断裂构造带和隔水层厚度变薄带是主要的、最容易给采矿造成威胁的充水通道。因此，区内构造的存在，对采矿产生不利的影响，它一方面提供充水通道，发生突水事故；另一方面的距断层带滑动构造较近的地段采煤时，易于发生顶板垮落造成事故。

2瓦斯

2.1 瓦斯地质特征

本区构造形态为一走向近东西的单斜构造断层发育，西部边界断层为柳树沟断层（F₃），南部边界附近为将军岭断层（F₉） 北部边界断层为董陵~圪谬峪断层（F₁₇），中部横贯东西的菜园沟断层（F₁₅）把本区分割成为浅部、深部两个自然瓦斯地质单元。断层的发育不但破坏了煤层的连续性，而且为瓦斯的逸散提供了通道，形成了煤层瓦斯含量普遍较低，甲烷成分小于80%，且由西部向东瓦斯含量和甲烷成分逐渐增大的基本特征，如图1所示。



图1 二₁煤层瓦斯含量等值线图

2.2 钻孔瓦斯分析

对区内的二₁煤层10孔瓦斯样品进行了分析，瓦斯成分以CH₄为主，CO₂次之，其中CH₄成分占53.82%~77.02%，CO₂成分占8.07%~38.10%，N₂成分占3.12%~28.42%；CH₄含量为1.79%~6.02m³/t（可燃质），CO₂含量为0.41~2.12m³/t（可燃质），N₂含量为0.22~0.55m³/t(可燃质)。依据瓦斯分带标准及瓦斯成分三元座标图（图2）可知，二₁煤层瓦斯成分分带为N₂~CH₄带、CO₂~CH₄带和元CH₄带，均属瓦斯风化带。

2.3 影响瓦斯赋存的地质因素



图2 煤层瓦斯成分三元座标图

1-CO₂带；2-CO₂~N₂带；3-N₂带；4-N₂~CH₄带；5-CH₄带；6-CO₂~CH₄带；7-CO₂~N₂~CH₄带

本区西、北、南三面均以正断层为边界，横贯本区东西的菜园沟断层（F₁₅）将本区分割为南、北两个瓦斯地质单元。F₁₅以南的瓦斯地质单元二₁煤层CH₄成分平均为68.23%，CH₄含量平均为3.95m³/t（可燃质），最大CH₄含量平均为6.02m/t（可燃质）并呈现由西向东增大的变化规律；F₁₅以北的瓦斯地质单元二₁煤层CH₄成分平均为59.83%,CH₄含量平均为2.44m³/t（可燃质），最大CH₄含量平均为2.89m³/t（可燃质）。全区二₁煤层CH₄成分均小于80%，均属瓦斯风化带。与浅部大峪沟红旗井高瓦斯矿井对比，瓦斯成分与CH₄含量呈逆向变化规律，具有明显不均衡性。

瓦斯赋特征主要受地质构造控制：本区的断层均属张性正断层，性质为开放及半开放性，为瓦斯逸散提供了良好的通道。断层的发育使其两盘的煤层瓦斯含量差异明显，一般断层上盘瓦斯成分和含量相对较大，下盘成分和含量相对较小。另外，厚、薄煤带的分布对煤层瓦斯赋集状态亦有明显影响，一般煤层愈厚，瓦斯含量愈大。

3井田地温状况

区内简易测温4个孔，3个见煤层的钻孔测得基本地温资料见表1。根据1901孔简易测温曲线表明，在第二次测温时480m以深温度明显增高，二₁煤层以下温度增高更大，说明下部有高温水存在。由此可以判定，地下水对未来开采的影响，不仅是充水水量大小问题，更突出的将是高温水进入井巷，提高井巷环境温度和湿度，破坏工作环境。从测温结果看，本区的地温梯度在3.1~3.5℃/hm之间，比浅部的大峪沟煤矿高，属地温异常区。浅部测温资料与深部测温资料对比，二₁煤层以下地温梯度变化为浅部弯小，深部变大。根据测温资料和地温梯度计算结果，二₁煤层底板标高-240m以上为常温区，-240m~-340m为一级高温区，-340m以下为二级高温区；一₁煤层底板标高-250m以上为常温区，-250m~-330m为一级高温区，-330m以下为二级高温区。

表1 二₁煤层附近低温资料表



4其它开采技术因素

根据钻孔统计资料，二₁煤层顶、底板岩性以泥岩、沙质泥岩为主，局部为粉砂岩、细粒砂岩，哟度低，易放顶，属于软岩顶、底板；一₁煤层顶板岩性为石灰岩，其硬度高，强度大，属于坚硬顶板；底板岩性为铝质泥岩，遇水膨胀易变形变软，属于软岩底板。因此，本区的一₁、二₁煤层顶、底板存在如下问题：

（1）直接顶板较薄及滑动构造通过部位压力较大时，易出现冒顶、掉块、片帮及断梁折柱现象；

（2）底板岩石松软、隔水层厚度较小时，易发生底鼓现象。

通过对二₁、一₁煤层的煤尘爆炸危险性和煤的自燃性分析，可知两者均属于无煤尘爆炸性和无煤层自燃性煤层。

5结论

（1）由于工区内构造的存在，对采矿产生不利的影响。一为提供水通道。易于发生突水事故；再者在距断层带滑动构造较近的地段采煤时，警惕发生顶权垮落造成事故。

（2）通过对二₁、一₁煤层顶、底板岩性对煤层的安全开采也有很大的负面影响。

（3）二₁、一₁煤层均属于瓦斯风化带，对煤层开采危害较小。

（4）本区属地热异常区，可以充分利用地热资源，同时可降低奥灰水对采危险，减少地热危害。