田坤云

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

大量的科研成果及生產(chǎn)實(shí)際資料表明，在瓦斯礦井(煤層)的局部可能存在著一定的高瓦斯區(qū)域(條帶)[1].在前期開(kāi)采過(guò)程中，由于國(guó)投新登煤業(yè)淺部二1煤層上覆基巖較薄，封蓋條件差，易于瓦斯逸散，并形成大面積瓦斯風(fēng)化帶，礦井瓦斯涌出量普遍較低.但隨著開(kāi)采水平的不斷延伸(目前已經(jīng)開(kāi)采到埋藏深度較大的31采區(qū)北翼)，礦井瓦斯有逐漸增大的趨勢(shì),該采區(qū)11713鉆孔的瓦斯含量為13.9 m3/t.此外，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，31采區(qū)北翼三水平運(yùn)輸巷迎頭的瓦斯含量達(dá)到9.39 m3/t，瓦斯壓力為0.52 MPa，已經(jīng)完全進(jìn)入沼氣帶.截至目前，新登煤業(yè)二1煤層尚沒(méi)有在任何地點(diǎn)和作業(yè)方式下出現(xiàn)過(guò)任何形式的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，屬于瓦斯礦井.但伴隨開(kāi)采深度的增加，瓦斯含量及瓦斯壓力也必將增加，礦井瓦斯等級(jí)極有可能升級(jí).因此，研究礦井深部區(qū)域(31采區(qū)北翼)的瓦斯涌出規(guī)律并摸清瓦斯賦存特征對(duì)指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)有很大的意義.

1 礦井概況

國(guó)投新登煤業(yè)位于登封市東南24 km，行政區(qū)劃屬登封市告成鎮(zhèn),2007年經(jīng)原河南省煤炭工業(yè)局核定礦井生產(chǎn)能力為84萬(wàn)t/a，當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)能力為84萬(wàn)t/a.煤礦開(kāi)采煤層為二疊系山西組二1煤層.目前，新登公司一水平(+155 m)已結(jié)束，現(xiàn)主要開(kāi)采+90水平(31采區(qū)北翼)，2009—2012年瓦斯等級(jí)鑒定均為瓦斯礦井.

2 礦井構(gòu)造情況

礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為走向北東、南西的單斜構(gòu)造，構(gòu)造組合為一組NE向斷裂和NE向褶皺.受褶皺的影響，地層和二1煤層產(chǎn)狀變化較大，總體走向NE向，局部NW或SE向，總體傾向NW，傾角4°～15°.褶皺主要為新峰背斜和南煙莊向斜，斷層主要有蘆F1，郜F(xiàn)2，箕F14，箕F10，箕F7和箕F11等,另有井下揭露3條小型正斷層(箕FB-1，箕FB-2，箕FB-3)及地表填圖查明的小斷層F80.

3 瓦斯含量分布及預(yù)測(cè)研究

眾所周知，煤層瓦斯含量受多種地質(zhì)因素的制約[2]，如煤質(zhì)、埋藏深度、構(gòu)造、煤的物理化學(xué)性質(zhì)、煤層頂?shù)装鍘r性等，不同的礦區(qū)各種地質(zhì)因素施加影響的顯著性可能是不相同的.對(duì)某一個(gè)具體井田而言，在諸多地質(zhì)因素中總有一個(gè)主導(dǎo)因素控制瓦斯含量在全井田范圍內(nèi)變化的總體趨勢(shì)，其他地質(zhì)因素只能在局部范圍內(nèi)影響煤層瓦斯含量[3].

3.1 測(cè)試煤樣現(xiàn)場(chǎng)采集

在國(guó)投新登煤業(yè)31061機(jī)巷等地點(diǎn)布置了10個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行深部鉆孔取樣測(cè)定瓦斯含量，并收集了其他單位實(shí)測(cè)的2個(gè)較可靠的瓦斯含量，見(jiàn)表1.通過(guò)分析對(duì)比，較好地掌握了新登煤業(yè)31采區(qū)北翼二1煤瓦斯賦存特征.

表1 國(guó)投新登煤業(yè)二1煤瓦斯含量實(shí)測(cè)值Tab.1 Gas content values about Xindeng coal mine of national investment and development company limited

圖1 瓦斯含量分布預(yù)測(cè)圖繪制步驟Fig.1 Drawing steps of gas content distribution prognostic map

3.2 瓦斯涌出規(guī)律研究

根據(jù)國(guó)投新登煤業(yè)二1煤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的合格瓦斯含量值 (見(jiàn)表1)，分別繪制了瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖及瓦斯含量等值線分布圖(瓦斯含量分布預(yù)測(cè)圖得出步驟見(jiàn)圖1)，詳見(jiàn)圖2和圖3.

從獲得的12個(gè)瓦斯含量值分析可知，國(guó)投新登煤業(yè)二1煤瓦斯含量具有如下的分布規(guī)律：

圖2 瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram about the relationship between gas content and buried depth

(1)二1煤瓦斯含量與埋藏深度散點(diǎn)關(guān)系如圖2所示.經(jīng)回歸分析，瓦斯含量W具有隨埋藏深度H的增大而增大的整體趨勢(shì)，瓦斯含量與埋深之間具有如下良好的線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律(相關(guān)系數(shù)R=0.81)：

W=0.05H-11.01，

式中，W表示煤層瓦斯含量，m3/t；H表示煤層埋藏深度，m.

(2)二1煤瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為5 m3/( t·100 m).

(3)據(jù)國(guó)投新登煤業(yè)二1煤瓦斯含量測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的瓦斯組分結(jié)果(見(jiàn)表1)，煤層瓦斯中的甲烷(CH4)組分為83.20%～94.98%，瓦斯組分均大于80%，可以判斷國(guó)投新登煤業(yè)目前開(kāi)采的31采區(qū)北翼及深部區(qū)域基本上全部處于甲烷帶[4]，見(jiàn)圖3.

圖3 國(guó)投新登煤業(yè)31采區(qū)北翼二1煤瓦斯含量分布預(yù)測(cè)圖Fig.3 Gas content distribution prognostic map of 31 mining area north wing about Xindeng coal mine of the national investment and development company limited

4 煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)

4.1 預(yù)測(cè)方法

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[5]第42條規(guī)定，區(qū)域預(yù)測(cè)一般根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的方法進(jìn)行，也可以采用其他經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)有效的方法.國(guó)投新登煤業(yè)沒(méi)有在任何地點(diǎn)發(fā)生過(guò)任何形式的突出或者較嚴(yán)重的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，故不具備應(yīng)用瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法來(lái)對(duì)礦井未開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)的條件，現(xiàn)采用煤層瓦斯參數(shù)中的瓦斯含量來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其臨界指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 根據(jù)煤層瓦斯壓力或瓦斯含量進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)的臨界值Tab.2 The critical values for regional prediction based on coal seam gas pressure or gas content

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)瓦斯含量等值線圖，在31采區(qū)北翼煤層埋藏較深的區(qū)域存在瓦斯含量大于8 m3/t的情況，盡管礦井建立了井下瓦斯抽放系統(tǒng)，但是由于抽放時(shí)間不是很長(zhǎng)，瓦斯含量很難在短時(shí)間內(nèi)降到臨界值之下.因此，為安全起見(jiàn)，瓦斯含量等值線圖上含量大于8 m3/t的區(qū)域應(yīng)該視為突出危險(xiǎn)區(qū)(圖3中黑色區(qū)域).

在采掘過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的監(jiān)測(cè)與監(jiān)管，遇到地質(zhì)構(gòu)造破壞帶、煤層賦存條件急劇變化帶、采掘應(yīng)力疊加帶以及噴孔、卡鉆、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象及其他明顯預(yù)兆時(shí)，應(yīng)按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定，按照突出危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行管理，采取相對(duì)應(yīng)的防突措施.斷層影響帶最容易發(fā)生瓦斯突出，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)構(gòu)造(特別是斷層)超前探測(cè)、煤層厚度以及軟煤分層厚度觀測(cè)，當(dāng)工作面前方存在斷層、煤厚急劇變化帶或軟煤分層厚度異常區(qū)時(shí)，即便是處于非突出區(qū)，也應(yīng)連續(xù)進(jìn)行工作面預(yù)測(cè)，并保留不少于2 m的預(yù)測(cè)超前距，當(dāng)預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)時(shí)，必須采取防突措施并進(jìn)行效果檢驗(yàn)[6].

5 結(jié)論

(1)勘探鉆孔資料與現(xiàn)場(chǎng)瓦斯含量實(shí)測(cè)值表明，隨著煤層開(kāi)采深度的增加，國(guó)投新登煤業(yè)所開(kāi)采煤層的瓦斯含量及壓力具有增加趨勢(shì)，目前開(kāi)采的31采區(qū)北翼已經(jīng)完全進(jìn)入瓦斯帶.

(2)對(duì)國(guó)投新登煤業(yè)而言，埋藏深度是影響瓦斯含量的主導(dǎo)因素，在全礦區(qū)范圍內(nèi)影響著瓦斯含量的分布.瓦斯含量W具有隨埋藏深度H增加而加大的整體趨勢(shì)，瓦斯含量與埋深之間具有如下良好的線性統(tǒng)計(jì)規(guī)律(相關(guān)系數(shù)R=0.81)：

W=0.05H-11.01.

(3)結(jié)合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》及瓦斯含量等值線圖，31采區(qū)北翼可以劃分為突出危險(xiǎn)區(qū)及非突出危險(xiǎn)區(qū)，含量大于8 m3/t的區(qū)域都應(yīng)該視為突出危險(xiǎn)區(qū)，在突出危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行采掘作業(yè)必須嚴(yán)格執(zhí)行“四位一體”的防突措施.

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1992:115-119.

[2] 胡殿明，林柏泉，呂有廣,等.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006:102-110.

[3] 周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1999:82-84.

[4] 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社，2005:548-551.

[5] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009:85-114.

[6] 李振生.河北省煤系地層賦存特征及找煤方向[J].中國(guó)煤田地質(zhì)，2006，18(4)：11-12.