第三章其他因素.ppt

第三章第三章 其他因素对煤矿生产的影响其他因素对煤矿生产的影响除了煤厚、构造两个具有普遍性的地质因素外，岩浆侵入煤层、喀斯特陷落柱、矿井瓦斯、岩浆侵入煤层、喀斯特陷落柱、矿井瓦斯、煤层顶底板、地温煤层顶底板、地温、地压、围岩膨胀、地压、围岩膨胀等因素也会对煤矿生产产生这样或那样的影响，有时其中有些因素还会在某些矿井产生较大的影响，需要做专门的应对处理。一、岩浆侵入体的一般特点二、对岩浆侵入体的观测及探测三、侵入体对煤矿生产的影响及处理方法第一节 岩浆侵入煤层一、岩浆侵入体的一般特点在生产矿井中，岩浆侵入体的产状常见有两种：脉状岩墙岩墙和层状岩床岩床井下常见侵入体的岩性为中、基性浅成岩中、基性浅成岩（闪长玢岩、辉绿岩等），侵入体的构造主要是原生的节理和流动构造节理和流动构造（矿物长轴可指示岩浆流动方向）。岩浆侵入煤层后对煤层产生破坏作用破坏作用吞蚀、变质岩浆侵入煤层的规律侵入煤层的规律一般是选择层位、顺煤层向上扩散且与构造关系密切1.产状和形态1）岩墙：墙状侵入体，与围岩 层理斜交或近于垂直，切穿煤层及其顶底板侵入；平面上呈带状，宽几厘米至几米甚至几十米不等，长度不一；常平行主断裂走向成组出现。2）岩床：层状侵入体，与围岩层理平行，岩浆沿煤层层面侵入；它可以沿煤层顶、底中间侵入，也可吞蚀整个煤层。（1）岩床的平面形态平面形态：井下观测主要有：层状、似层状、串球状、树枝状。（2）剖面类型剖面类型 厚层侵入型：整个煤层被侵入体所代替。层状侵入型：侵入到煤层的任何部位，侵入体同煤层接触时，煤层呈波浪状。浑圆状侵入型：煤层中侵入体呈孤立的大小不等的浑圆状，常发育在侵入严重地区的较远地段。串球侵入型：扁豆状、树枝状。2.岩浆侵入煤层的变质作用1）产状影响：岩墙岩墙对煤质影响小，岩床岩床对煤质影响范围较大。2）侵入部位：侵入煤层下部影响较大、上部较小、中部最大。3）规模影响：煤的变质程度与侵入体的大小、厚度成正比。4）岩性影响：岩浆性质不同，对煤层的影响也有差异。二、对岩浆侵入体的观测及探测1.观测内容1）岩浆岩的颜色、矿物成分、结构、构造等特征。2）侵入体产状、形态、厚度及范围。3）查明侵入体与断裂构造的关系。4）观察煤层被破坏的情况2.探测工作1）当岩浆侵入厚煤层时，无论沿顶或底掘进，隔一定距离均应探测一次岩浆岩和煤厚变化。2）对于一些中厚煤层或薄煤层，可在同一煤层中布置钻孔或探巷查明侵入体范围也可从邻近的巷道中打钻孔圈定侵入体的范围。井下观测和生产勘查得来的资料，要及时整理成反映岩浆侵入体特征的各种巷道剖面图、素描图、煤层柱状图和钻孔柱图等原始资料。方法：布置探巷、方法：布置探巷、钻孔来探清岩体钻孔来探清岩体范围、煤质情况范围、煤质情况3.岩浆侵入区煤层、岩体的预测方法 (1)根据侵入体的特点及岩浆活动的特征：可利用岩浆岩体的纵节理方向、矿物长轴排列方位和岩体波浪起伏延伸方向推断岩浆流向；再根据侵入体形态特征寻找岩体的边缘界限和岩浆上冲通道；(2)根据煤的物理化学性质变化：接触变质产生天然焦和高变质煤，煤的物理化学性质发生显著变化；(3)根据煤的发挥分数值变化：利用煤的挥发分数值的变化来预测侵入体的位置和未开拓地区的煤种分布；(4)根据其他特征。在接触带附近常有淋水、煤理紊乱、揉皱现象4.岩浆侵入区的找煤工作 (1)在厚煤层岩浆侵入区找煤：在厚煤层中沿底板掘进巷道，即使巷道全部穿进岩体，经 勘探上面仍有可能找到大片煤炭；沿顶板掘进的巷道遇岩浆岩侵入体，向下钻探也有可能找到可采煤层；(2)在岩体之间及边缘找煤：在层状、浑圆状岩体之间可找到可采煤层，在串珠状岩体中除极不规则的形态之外可找到保存较好的煤层;(3)在断层一侧及其错动带找煤：岩浆一般沿断层带上冲顺煤层向上侵入，而在断层另一侧向下倾斜的煤层中却较少出现侵入体，可以找到正常煤层；(4)根据岩性特征找煤：深色石头离煤远，颜色变浅快见炭在接触带化学成分变化之故三、侵入体对煤矿生产的影响及处理方法1.对生产的影响破坏了煤层的连续性和均一性 1）煤层不连续，使采区、工作面布置及回采、掘进困难。2）煤层灰分增高，粘结性减弱，降低了工业价值。3）煤层硬度增大，降低了工程进度。4）煤层被吞蚀，储量减少，缩短矿井服务年限。2.生产过程中对侵入体的处理1）对岩墙的处理 掘进时可直接穿过。工作面遇岩墙时：a.岩墙沿煤层倾向或斜交方向分布，需重开切眼。b.沿走向分布较大的岩墙，将工作面分成两个小工作面回采。2）对岩床及不规则侵入体的处理 大片岩浆分布区，采区、工作面布置时要设法避开；对串球状侵入体，工作面可直接推过。3）对于厚煤层中部的侵入体，可进行分层回采。一、陷落柱的成因及特征二、陷落柱对煤矿生产的影响三、陷落柱误判的原因和判别标志四、陷落柱的探测五、陷落柱的处理方法第二节 喀斯特陷落柱一、陷落柱的成因及特征 岩溶塌陷：在石灰岩等可溶性岩层地区，由于地下水的溶蚀作用而产生的塌陷现象。（一）陷落柱及其形成陷落柱陷落柱是指溶洞上方的煤岩层垮落形成的柱状塌陷体。在我国华北石炭二叠纪煤系的基底，存在有溶洞非常发育的奥陶纪石灰岩，由于地下水的长期溶蚀，这些溶洞就愈来愈大，在地质构造力和上覆岩层重力的长期作用下，有些溶洞发生塌陷，覆盖在上面的煤系地层也随之陷落，由于这种塌陷的剖面塌陷的剖面形态为柱状，所以叫陷落柱形态为柱状，所以叫陷落柱(图)。1.成因1）地质条件：（1）有可溶性岩层存在；（2）可溶性岩层透水 （3）水具侵蚀性；（4）水要流动。2）漫长的地质时间2.特征1）地表特征特殊地貌形态：（1）盆状陷落区；（2）丘状凸起；（3）柱状破碎带。2）井下特征（1）平面形状：封闭曲线似圆、椭圆、长圆形；（2）剖面形状：梯形，多上小下大，也有相反或柱状；（3）柱面沉积物：铁质、钙质、泥质；（4）柱高及分布范围与岩溶大小、地下水排泄有关；（5）柱内特征：由塌陷岩石碎块组成，块间充填煤岩粉和粘土，胶结差，多未成岩，或干燥或淋水，瓦斯量一般比正常区高。（6）与围岩关系：与围岩关系：多不规则锯齿状接触，界限明显，围岩产状基本正常。陷落柱轴线与围岩层面近似垂直，岩层倾斜，则柱歪斜。塌陷岩体与周围岩层的层位、产状、岩性都不一样：在地貌呈现出各种异常现象据此，可判断陷落柱的存在、圈定其地表出露范围、预测井下的位置、形状和大小。3.井下遇陷落柱前的预兆1）煤岩层产状变化，向中心倾斜；2）裂隙增多；3）小断层发育；4）煤被氧化，光泽变暗；5）瓦斯增加。二、陷落柱对煤矿生产的影响 1破坏可采煤层，减少煤炭储量 2、降低采掘效率，提高生产成本 3、妨碍机械化的使用，影响正规开采 4、造成矿井突水，危及矿井安全三、陷落柱误判的原因和判别标志（一）误判原因岩溶塌陷与构造变动相似的现象：岩层不连续；裂隙发育；煤层破碎；淋水；遇大块岩层填入巷道。（二）判别标志1）岩性标志，柱体多为较新层位的岩石碎块或第四系沉积物。岩块、岩性混杂，分选、磨圆差。2）接触面不平整，无擦痕，柱面呈不规则状。3）顶、底板产状变化较小。4）地表出现，井下必然出现。四、陷落柱的探测工作（一）陷落柱的观测（一）陷落柱的观测 1地表观测：根据对地貌的分析判断陷落柱的存在，并以陷落柱在地表出露的位置、形状和大小等特征，预测其在井下的展布情况。2 井下观测：采掘过程中遇到陷落柱时，要仔细观测陷落柱与围岩的接触面、破碎的岩体和陷落柱周围正常岩层产状变化等情况，根据已被认识的规律进一步推断该陷落柱的形状、大小和被揭露的部位。（二）陷落柱的预测（二）陷落柱的预测 采用主要方法是：采用主要方法是：1成因预测：通过具体分析某地区的地质及水文地质条件，根据形成陷落柱的基本要素，推测该区内陷落柱的发育情况。2根据已知资料进行预测：利用在地表观测落柱的资料，推断陷落柱在井下某煤层或某水平出现的位置、形状和大小。（三）陷落柱的探测（三）陷落柱的探测 1钻探钻探：是地表、井下常用的手段 2物探物探：电磁波在高（低）阻介质中衰减慢（快）。利用“坑透仪”探测回采工作面内陷落柱的观测方法有同步法同步法和定定点法点法 3巷探巷探：能查清确切情况。多使用小断面巷道进行五、陷落柱的处理方法 根据陷落柱的数目、形状、大小、分布情况，选择合理的巷道布置和采煤方法，在满足开采技术条件及符合经济政策的前提下，可将陷落柱留在煤柱中，减少煤炭损失。1）主要开拓巷道遇陷落柱：主要开拓巷道遇陷落柱：按原计划施工。按原计划施工。2）回采工作面遇陷落柱回采工作面遇陷落柱：处理原则：查清其范围，缩短工作处理原则：查清其范围，缩短工作面回采。面回采。3）回风巷、运输巷遇陷落柱回风巷、运输巷遇陷落柱：一般直接通过。一般直接通过。一、矿井瓦斯的形成及分带二、瓦斯含量的研究三、矿井瓦斯涌出量及矿井瓦斯等级四、防治煤与瓦斯突出第三节 矿井瓦斯一、矿井瓦斯的形成及分带瓦斯瓦斯：是指在煤矿生产过程中，从煤和围岩中释放出来的一种多成分的混合气体。1.瓦斯的成分和性质 瓦斯中甲烷(CH4)占绝大多数，又称沼气，为无色、无味、无毒，可以燃烧和爆炸(5%-16%)的气体。比重为0.554，比空气轻，聚集在巷道上部。2.瓦斯的赋存状态1）游离状态瓦斯：以气体分子自由运动于煤层孔隙和裂隙中的瓦斯。2）吸着状态瓦斯（1）吸附瓦斯：吸附在煤岩体表面的瓦斯，它往往形成一层薄膜,比例为70%-90%。（2）吸收瓦斯：瓦斯分子进入煤体内部，与煤分子紧密结合成固溶体。3.瓦斯的成因1）生物化学作用阶段 植物成煤第一阶段有机质分解形成瓦斯，此阶段形成瓦斯是大量的，但保存很少，因为此时成煤物质多暴露在地表或埋藏很浅，绝大多数瓦斯都逸散到大气中。2）变质作用阶段 成煤的第二阶段过程中，煤炭物质产生热解，发生一系列变化同时产生大量瓦斯。该阶段形成的瓦斯，由于在地下深处，不易扩散，煤矿生产中所揭露的瓦斯绝大部分是这阶段形成。油气田瓦斯侵入来源于周围的含油层。4.瓦斯分带 按成分由浅而深大体可分为四带：1)N2CO2带：带：CH4:0-10%,N2:20-80%,CO2:20-80%；2)N2带：带：CH4:0-20%,N2:80-100%,CO2:0-20%；3)N2CH4 带：带：CH4:20-80%,N2:20-80%,CO2:0-20%4)CH4 带：带：CH4:80-100%,N2:0-20%,CO2:0-20%前三带称瓦斯风化带，其深度差别很大，决定于空气透入条件、上部煤岩层风氧化情况及地下水活动强弱程度。二、瓦斯含量的研究煤层瓦斯含量：单位体积或重量的煤体内，含瓦斯的体积，单位m3/t、m3/m3、cm3/g，它应包括吸附和游离瓦斯。1.影响瓦斯含量的地质因素 1）煤的变质程度（1）变质程度越高，产气数量越多，瓦斯含量越大。（2）变质程度不同的煤，空隙率不同，吸附能力差异较大。2）围岩和煤层的渗透性 渗透性好，有利用于瓦斯的运移和排放，煤层瓦斯含量较小，瓦斯分布较均一；透气性差，不利于瓦斯的运移和排放，有利其保存，瓦斯含量较大。3）地下水活动 地下水活动区域有利于瓦斯的排放。4）煤田的暴露程度 暴露式煤田有利于瓦斯排放，隐伏式煤田有利于其聚积。5）地质构造 地质构造对瓦斯的聚积和排放具有双重作用：张性断裂有利于瓦斯排放，压性断裂有利于瓦斯聚积。在煤层顶板岩性致密，透气性差的条件下，在未受断裂破坏和严重剥蚀是褶皱地区，一般在背斜轴部瓦斯含量大，向斜槽部小，当顶板为脆性岩层时，则相反。6）煤层埋藏深度瓦斯梯度：矿井瓦斯相对涌出量每增加1 m3/t时，深度增加米数。公式为：a 瓦斯剃度，m/(m3/t)；H2,H1 沼气带内两次测定瓦斯相对涌出量的深度。Q2,Q2对应于H2,H1深度上测定的瓦斯相对涌出量。2.煤层瓦斯含量的测定煤层原始瓦斯含量一般都采用直接测定+计算的方法来确定（1）密封式：利用密封式煤芯采取器上、下端的活门，将未脱气的煤样在钻孔底部密封，送化验室测定煤样中的瓦斯体积，算出瓦斯含量。（2）集气式：利用集气式煤芯采取器上部的集气室，收集钻进和提钻过程中从煤芯泄出的瓦斯，算出煤的瓦斯含量。（3）气测井法：利用气测井仪器测定钻孔冲洗液中溶解的瓦斯量，煤芯和钻屑中残留的瓦斯量，算出总瓦斯量，除以钻进切除的煤量，即得到煤的瓦斯含量。3.瓦斯含量预测图的编制1）底图：煤层底板等高线图。2）编制资料：取样成果资料。3）编图步骤：填绘取样点，并着色；注明瓦斯含量和距地表深度；勾绘瓦斯含量。三、矿井瓦斯涌出量及矿井瓦斯等级瓦斯涌出：煤矿开采过程中，由受采动影响的煤层、岩层以及由采落的煤、矸石向井下空间释放出瓦斯的现象叫做瓦斯涌出。1.瓦斯涌出量（1）绝对涌出量：指矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，单位m3/d或m3/min。（2）相对涌出量：矿井正常生产时，平均每产1t煤所涌出的瓦斯量，单位m3/t。2.涌出量预测 煤矿瓦斯涌出量预测方法国家行业标准AQ1018-2006。3.瓦斯矿井等级根据2011年最新颁布的煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法，矿井瓦斯等级应当依据实际测定的瓦斯涌出量、瓦斯涌出形式以及实际发生的瓦斯动力现象、实测的突出危险性参数等确定。矿井瓦斯等级划分为：（1）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井（简称突出矿井）：采掘过程中发生过煤(岩)与瓦斯（二氧化碳）突出；经鉴定具有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险性的煤（岩）层；依照有关规定有按照突出管理的煤层，但在规定期限内未完成突出危险性鉴定。（2）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量10m3/t；绝对涌出量40m3/min;任一掘进工作面绝对瓦斯涌出量3m3/min；任一采煤工作面绝对瓦斯涌出量5m3/min。（3）瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量10m3；绝对涌出量小于或等于40m3/min；各掘进工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于3m3/min；各采煤工作面绝对瓦斯涌出量均小于或等于5m3/min。四、突出煤层的鉴定突出煤层突出煤层：采掘过程中发生过煤(岩)与瓦斯（二氧化碳）突出 的煤层。鉴定指标：鉴定指标：煤层瓦斯压力p：煤层中瓦斯呈现的压强大小。单位：MPa。煤层破坏类型：按煤层受压后的碎裂特征所划分的构造煤类型，共5类：非破坏煤-破坏煤-强烈破坏煤-粉碎煤-全粉煤。瓦斯放散初速度p：煤初始暴露时瓦斯涌出的速度（用仪器测定）反映瓦斯放散的快慢与煤体破坏程度正相关。煤的坚固性系数f：反映煤体抵抗外力破坏能力的参数用落锤法测定：f=20n/e 其中：n落锤次数，e量筒内煤粉的高度mm五、防治煤与瓦斯突出1.影响煤与瓦斯突出的地质因素1）煤层的埋藏深度2）地质构造和地应力3）煤层厚度变化4）煤的物理力学性质5）其它地质因素2.防止煤与瓦斯突出的地质工作（1）做好突出点的地质描述和记录。地质描述：突出点所在的煤层、煤质、煤层结构、煤厚变化、煤层顶底板，突出点的构造、岩层产状等。记录内容：突出的时间、地点、标高、温度、强度等。（2）编制突出点位置分布图。（3）提供可能发生突出的地质资料。（4）分析瓦斯突出与地质的关系。（5）编制预测图。一、引起煤矿地温异常的因素 1.大地构造位置 地壳活动区、岩浆活动区等地热异常区。2.岩石的导热性1）岩浆岩、石灰岩导热性强，传热快地温低异常。2）泥岩、页岩、煤导热性差，传热慢地温高异常。3）煤系盖层厚，地表水补给条件差，这样地区地温较高。第四节 地 温3）矿区基底起伏及大型褶皱构造 基底隆起区古老岩系岩性致密导热率高，热流在隆起区域汇集形成高异常。4）深大断裂：深大断裂是深部炽热物质上升通道。5）地下水活动：地下水运动对地温分布影响很大。6）局部热源（1）岩浆侵入体余热；（2）放射性元素的富集；（3）硫化矿床的氧化热。7）人为因素二、地温测量（一）钻孔测温 在钻探过程中中途停钻或钻孔终孔后的短时间内，或在终孔后长期保留下来的钻孔中，将热敏电阻测温仪的探头由浅至深放到井下，测量不同深度的岩石温度。1稳态测温稳态测温：稳态测温是在长期保留下来的钻孔中进行测温。2准稳态测温准稳态测温 利用终孔或钻进过程中途停钻，在停钻后短时间内进行测温。（二）巷道测温1测温钻孔应尽量选择在新开挖的巷道和工作面中；2测温钻孔应打在干岩壁上；3测温前必需让钻头或钎子与岩石磨擦生成的热冷却。三、测温资料的整理及应用（一）钻孔测温资料的整理 每个钻孔测温后，首先对观测资料分析研究，然后根据所测的数据绘制垂直深度H与温度T变化温度曲线。（二）恒温带温度和深度的确定 根据观测资料绘制温度和深度变化曲线，在曲线上找出地温变化的拐点，此拐点即为恒温变化的拐点，从而得出恒温带的温度和深度，恒温带的温度和浓度也可根据测温数据来确定。（三）地热增温率和增温级的确定1利用井下测温资料计算不同深度的增温级和增温率；2利用准温稳态测温资料、按恒温点和井底的温度和深度来计算钻孔的平均增温级和增温率；3利用稳态测温资料，分别计算不同深度或不同岩层的增温级和增温率。四、深部水平岩温的预测 1对比法：即根据本地区同一构造部分的相邻钻孔、相同岩性的增温率，来计算下一段岩体的温度；2估算法：在一个铅垂剖面上，由地壳深部向上传导的热流量是固定的。第五节 地压 一、地压及其原因地压：因围岩的变形、移动和破坏作用于井巷支护工程上的压力，也称为矿井压力矿井压力；初次压力：当压力达到某一极值时，作用于支架上的压力周期性地压：周期性来压时作用于支架上的压力称为周期性地压。动压：在周期性来压和初次来压时都表现为工作面顶板的激烈下沉，因而把初次地压和周期性地压统称为动压静压：称平时的压力。二、地压表现特征 （一）顶压 1煤层顶板的岩石2不同岩性顶压的表现特征：煤层顶板为易冒落的松软岩时，一般不会发生大面积来压和切顶事故。中等冒落性顶板：随着悬露面积增大，老顶压力增大，到一定限度后老顶冒落。难冒落和极难冒落的坚硬顶板：随着开采面积的增大，顶压不断增加，增大到一定程度可形成大面积来压。3大面积来压的表现特征：大面积来压的过程是，顶板弯曲下沉，压迫煤柱或支架，产生炸帮和折裂现象，造成脱岩、破裂，最后导致顶板的大面积冒落。大面积的冒落的征兆是：大面积的冒落的征兆是：（1）顶板急剧下沉;（2）顶板断裂;（3）底板隆起;（4）产生超前压力；（5）工作面的压力增大。（二）侧压 侧压的大小主要取决于该巷道的顶压和深度，顶的压力愈大，巷道至地表的距离愈大，则该巷道的侧压愈大；反之则小。（三）底压 引起底板隆起的原因有：1、巨大的顶板压力经两帮传至底板使底板产生隆起现象；2、煤层下部有高压含水层时，当水的压力等于或大于底板岩石的强度时常产生底板的隆起现象；3、底板岩石吸水后岩体膨胀而引起底板的隆起。三、地压活动观测 1、常规工作面地压活动的观测；2、大面积采空区的地压活动的观测；四、地压的处理 根据各种压力的情况选择将巷道开掘在什么岩层中以及巷道的形状、支护方式和材料等，并根据顶板情况选择采煤方法和顶板管理方式等。如用深孔爆破、强制放顶方法消除悬顶对采空区产生的压力、用强力支架保证工作面有一定的安全空间（所谓“放得下，顶得住”）。第六节 围岩膨胀一、围岩膨胀及其类型巷道围岩的变形与膨胀，统称围岩膨胀。按程度分为三种类型：1、长期而强烈的明显地出现损坏巷道支架的膨胀现象；2、缓慢而逐渐加强的膨胀现象 3、微弱的膨胀现象。二、引起围岩膨胀的原因 有很多，主要是岩石的矿物成分及其显现的物理性质，这是内因，其外界条件则是矿山压力和地下水等因素。围岩膨胀的观测工作，主要观测煤系地层，特别是煤层顶、底板的岩石成分、物理力学性质；查明地下水（矿坑水）和矿山压力对它的影响程度等。三、处理巷道围岩膨胀的办法 一般是采取挑顶、卧底或者刷帮的措施来维修巷道。但查清原因、积极预防更为重要