楊太強

(昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

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某礦區(qū)瓦斯地質與瓦斯防治方案探析

楊太強

(昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

通過井田瓦斯地質資料,分析了構造演化、地質構造、煤系地層巖性、煤層埋深與煤層厚度對瓦斯賦存產生的作用。研究表明,構造演化是影響區(qū)域瓦斯賦存的首要因素,在井田內,隨著煤層埋藏深度的增加,煤層瓦斯含量逐漸升高,并且是影響瓦斯賦存的主控因素,地質構造、煤系地層巖性同樣發(fā)揮著重要作用。在某礦的瓦斯地質基礎上根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》探析了某礦的瓦斯地質問題,并探討了安全生產中應注意的問題。

地質構造;瓦斯賦存;瓦斯含量;瓦斯涌出量;瓦斯防治

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

某礦業(yè)公司井田位于暴雨山井田西南端,走向長約4.0km,南北寬0.95～1.50km,面積約4.81km2,井田范圍西以F44、F42斷層為界,南部以二1煤露頭、F63斷層和+200二1煤底板等高線為界,東以15勘探線為界,北以-200二1煤底板等高線為界,鄰近暴雨山礦。主采煤層為單一煤層二1煤層。截至2010年年底資源儲量1 747.8萬噸,可采儲量1 004.3萬噸,服務年限15年。

1.2 地質特征

某礦業(yè)公司井田是一單斜構造,為箕山背斜之北翼,走向近東西,向北傾斜。根據(jù)地質資料知:此井田內發(fā)育5條斷層,落差均大于20m,均為高角度正斷層,分別為F42紙坊斷層、F44臥單山斷層、F61盆窯斷層、F63紙坊泉斷層、F41大寺溝斷層等,并且落差大于20m的斷層均分布于井田邊界處,產生影響的褶曲為受紙坊斷層牽引產生紙坊背斜。各斷層特征見表1。

表1 礦井主要斷層(落差大于10 m的斷層)

紙坊背斜位于井田西界F42斷層北東側,軸向近東西向,向西傾伏,燕山期F42斷層繼承復活時通過左旋牽引形成。南翼殘缺,北翼較完整。于紙坊附近活動最強烈,涉及煤層主要為柔性煤系地層,牽引作用在核部寒武系的剛性灰?guī)r并不表現(xiàn),南翼地層走向288°,傾向南西,傾角20°～34°,北翼地層走向258°,傾向北西,傾角約18°。

根據(jù)某省煤田地質局物探測量隊三維地震勘探資料可知,其中大于1 000m的斷層1條:F42(紙坊斷層);大于等于50m小于100m的斷層1條(SF3);大于等于20m小于50m的斷層4條(SF5、SF18、F7、F18);大于等于10m小于20m的斷層6條(SF6、SF7、SF17、SF18、SF21、F4);大于等于5m小于10m的斷層4條(SF8、SF9、SF13、SF14);小于5m的斷層11條(SF1、SF2、SF10、SF11、SF12、SF16、SF19、SF20、SF22、SF23、SF24)。三維地震勘探前后,二1煤層底板形態(tài)變化不大,三維地震勘探前二1煤層底板形態(tài)是由30多個鉆孔控制的,其形態(tài)為一走向北東傾向北西單斜,煤層傾角17°左右。而三維地震勘探后二1煤層底板形態(tài)大致為一走向北東傾向北西單斜,只是通過三維地震勘探其控制更精細,控制了一個次級褶曲形態(tài),煤層傾角17°～29°。

三維地震勘探前后斷層變化較大,勘探前,區(qū)內二1煤層發(fā)育的斷層僅有6條?？碧胶?共解釋錯斷二1煤層的斷層27條,其中新發(fā)現(xiàn)斷層23條,修改原有斷層4條(F4、F7、F18、F42)。由于臥單山斷層向西移出三維地震勘探區(qū),所以未能控制。井田斷層主要為正斷層,其主要特征為:斷層類型主要是北東向高角度正斷層,分布于深部,控制井田邊界的斷層規(guī)模較大,含煤地層中出露斷層規(guī)模較小,落差30m左右,斷層主要為燕山運動的產物,擁有較為清晰的斷層組合,由老至新主要分東西組、北東組、北西組三組。影響某礦的斷層有紙坊斷層、臥單山斷層和大寺溝斷層三斷層。

(1)煤層及頂?shù)装逄匦?井田一含煤地層屬石炭、二疊系。從老到新,依次為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組,總厚度為624.11m,共含煤9組,計41層。煤層總厚11.34m,含煤系數(shù)為1.81%。二1煤層為主采煤層,基本上全區(qū)可進行開采,其余局部或大部可采煤層有七2、五3、四3、二12、二2、一7、一1等,井田二主采單一煤層二1煤層。

二1煤層位于山西組下部,賦存在大占砂巖和老君堂砂巖之間,上距香炭砂巖28.09m,下距L7灰?guī)r26m左右,穿過層位點30個,見煤點28個,可采點25個,可采含煤率88%,煤厚0～12.78m,平均3.5m,煤層可采性指數(shù)為0.94,變異指數(shù)30%。

煤層直接頂板巖性由泥巖、砂質泥巖或粉砂巖組成,部分為中、細粒砂巖;煤層直接底板為泥巖或粉砂巖,間接底板為細、中粒砂巖。煤層傾角16°～34°,平均22°。煤層結構較簡單,局部見煤點含夾矸1～6層,大多數(shù)見煤點僅含一層夾矸,巖性為炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖。

(2)煤層開采技術條件 某公司礦井是某礦唯一一對煤與瓦斯突出礦井,2010年礦井相對瓦斯涌出量16.4m3/t,絕對瓦斯涌出量6.37m3/min。統(tǒng)計1994—2010年歷年瓦斯鑒定結果,其中瓦斯等級鑒定為高瓦斯的年份分別為1994、1997、1998、1999、2000、2006六年,鑒定為突出瓦斯礦井的為2007、2008、2009、2010四年。

同時對瓦斯、煤層、自燃發(fā)火情況、水害和低溫作出了分析鑒定。根據(jù)某公司煤塵爆炸性鑒定,所采二1煤層煤塵爆炸指數(shù)為20.02%,具有煤塵爆炸性,二1煤自燃等級為Ⅲ類,屬不易自燃級別。隨著開采深度不斷加深,某礦業(yè)公司主要水害類型為頂板砂巖水、老空水及煤層底板灰?guī)r承壓水。該井田二1煤層直接充水含水層為山西組砂巖和太原群上段灰?guī)r,發(fā)育較弱的巖溶裂隙,大氣降水為主要補給水源,富水性較小,鉆孔抽水試驗,單位涌水量約小于0.1L/(m·s),公司井田水文地質條件中等。現(xiàn)階段正常涌水量200m3/h,最大涌水量275m3/h。該礦區(qū)屬地溫正常區(qū),無熱害現(xiàn)象。

2 礦井瓦斯賦存狀況及規(guī)律

2.1 煤與瓦斯突出鑒定及區(qū)域劃分

某礦二1煤層可根據(jù)井田瓦斯地質條件劃分為3個瓦斯地質單元,以瓦斯含量8m3/t和動力顯現(xiàn)與地質構造關系作為區(qū)域突出危險性預測指標,凡瓦斯含量低于8m3/t區(qū)域為無突出危險區(qū)域,瓦斯含量大于8m3/t并且具有動力顯現(xiàn)區(qū)域為突出危險區(qū)域。單元Ⅰ:二1煤層-128m標高以上為無突出危險區(qū)域,-128m標高以下為突出危險區(qū)域;單元Ⅱ:標高范圍+120m以上為無突出危險區(qū)域,標高值+120～+60m為突出危險區(qū)域,標高+60～-73m為無突出危險區(qū)域,標高-73m以下的為突出危險區(qū)域;單位Ⅲ:全部突出危險區(qū)域。按實際勘探結果與安全生產需要,某礦西翼-70m標高以上按無突出危險區(qū)域生產管理。突出區(qū)域劃分如表2所列。

2.2 瓦斯基礎參數(shù)情況

按照《某礦業(yè)有限公司 二1煤層區(qū)域突出危險性預測研究報告》、《某礦瓦斯地質規(guī)律及瓦斯綜合治理技術研究課題報告》和《某公司二1煤層瓦斯基礎參數(shù)測定報告》,所測瓦斯基礎參數(shù)如表3、表4所列。

表2 突出區(qū)域劃分列表

表3 瓦斯基本參數(shù)實測及參考值

表4 礦井瓦斯壓力及含量

2.3 煤層瓦斯賦存狀況及規(guī)律

(1)瓦斯含量與煤層埋藏深度關系 隨著煤層埋藏深度的增加煤層瓦斯含量逐漸升高,但由于受井田內瓦斯地質條件影響與控制,瓦斯含量增減幅度存在差異。14勘探線西側為瓦斯含量中常區(qū),瓦斯含量為3.19～10.71m3/t;平均垂深每增加100m,瓦斯增量為2.53m3/t。介于14～18勘探線之間區(qū)域為瓦斯富集區(qū),瓦斯含量2.23～12.75m3/t;平均垂深每增加100m,瓦斯增量為5.88m3/t。18勘探線東側為瓦斯放散區(qū)域,瓦斯含量0～5.49m3/t;平均垂深每增加100m,瓦斯增量為1.36m3/t。

(2)瓦斯分帶 某礦二1煤層露頭至煤層深部依次為瓦斯風化帶與瓦斯帶。分帶方向總體和煤層走向平行或斜交。但在近15勘探線區(qū)域,瓦斯成分含量較高,無瓦斯風化帶?？傮w瓦斯風化帶處在煤層底板標高+100m以上,CH4成分小于80%,含量在4.00m3/t以下;標高+100m以下屬于瓦斯帶,CH4成分大于80%,含量4～12.7m3/t。

(3)瓦斯含量與煤層厚度關系 往往在同一深度和地質條件下,若煤層厚度大,則有利于瓦斯生成與儲存,瓦斯含量較高。反之,相同條件下煤層厚度越小,瓦斯含量越低。但在14～18勘探線之間的瓦斯富集區(qū)仍存在一些反?，F(xiàn)象。煤層瓦斯含量與煤層厚度關系如表5所列。

表5 二1煤層瓦斯含量與煤層厚度的關系

2.4 煤與瓦斯突出情況

2004年10月以來,二1煤層東翼煤巷掘進過程中,發(fā)生過2次瓦斯動力現(xiàn)象和數(shù)次噴孔、響煤炮等動力顯現(xiàn)。瓦斯動力現(xiàn)象于2004年10月16日發(fā)生在某礦井田標高+102.1m,巷道傾角18°～20°處,此處處在某礦東翼11140運輸上山距11140機巷口約54m。壓出煤量13t左右,巷內2.4m巷道大部分被煤體充填,瓦斯涌出量達500m3,噸煤瓦斯含量為38.4m3/t。煤與瓦斯突出統(tǒng)計如表6所列。

2.5 礦井區(qū)域瓦斯治理現(xiàn)狀

近年來,某礦業(yè)公司為提高區(qū)域瓦斯治理水平,保證礦業(yè)安全生產,嚴格遵循《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》相關原則,堅持“區(qū)域措施先行,局部措施補充”,優(yōu)先采用保護層開采區(qū)域防突措施,圈定了二1-11090、二1-11070兩個保護層工作面。

表6 煤與瓦斯突出統(tǒng)計表

在二1煤-11170機、風巷掘進過程中順層鉆孔、預抽采面回采區(qū)域煤層瓦斯。兩巷掘進過程中,向采面施工順層預抽鉆孔,抽放鉆孔每3m布置一排,機巷設計預抽鉆孔孔深不低于70m,風巷設計預抽鉆孔孔深不低于50m,鉆孔實現(xiàn)交叉10m,采面兩巷設計中本煤層順層鉆孔300個,本煤層瓦斯使用地面瓦斯抽放泵站抽放。

3 瓦斯治理方案

礦山開發(fā)所造成的人為災害近些年層出不窮,如文獻[1-8]均介紹了近幾年發(fā)生的一些礦山災難,并論述了相應的治理方案。瓦斯作為煤炭開發(fā)的附屬產品,在具有良好開發(fā)前景的基礎上,也給煤炭安全開采帶來了巨大的危害,通過瓦斯地質與瓦斯相關參數(shù)測定,制定了相應治理措施。

東翼±0m以上突出危險區(qū)域區(qū)域治理方案:二1-11070、二1-11090機、風巷掘進過程中采取順層鉆孔,用以預抽煤巷條帶煤層瓦斯。掘進控制兩幫各14m、控制前方50m,預留20m區(qū)域措施孔超前距。兩巷掘進過程,向采面施工順層預抽鉆孔,抽放鉆孔以3m為間距布置一排,機巷設計預抽鉆孔孔深應≥70m,風巷設計預抽鉆孔孔深不低于60m,鉆孔實現(xiàn)交叉10m,采面兩巷本煤層設計鉆孔521個,煤層瓦斯使用地面瓦斯抽放泵站抽放。

東翼±0m以下及西翼-128m以下突出危險區(qū)域治理方案:在二1煤層底板布置底板抽放巷,施工穿層預抽鉆孔保護二1煤層的二1-21030機風兩巷掘進。布置下一相鄰工作面時,在上一工作面機巷下幫,采用順層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯治理方案,保護下一工作面風巷掘進施工。底抽巷內錯二1煤層掘進工作面14m布置,超前二1煤層掘進工作面不小于200m。在底抽巷內向二1煤層預抽區(qū)域打穿層抽放鉆孔,巷道兩側輪廓線外控制各15m。二1煤層抽放半徑可取2～3m,抽放終孔間距按4m布置。沿抽采巷走向以4m為間距布置一組鉆孔,鉆孔數(shù)為10個,鉆孔直徑90mm,鉆孔穿透二1煤層。穿層鉆孔施工完畢后,應采用水力沖孔、松動爆破、水力壓裂等措施增加透氣性,提高抽放率。

為了更好地保證揭煤前區(qū)域預抽措施抽放效果,達到快速揭穿突出煤層目的,現(xiàn)將松動爆破與水力沖孔相結合的技術手段應用于石門揭煤區(qū)域的煤體增透,以提高區(qū)域預抽瓦斯抽放濃度與預抽效果,縮短預抽時間,達到快速揭開突出煤層的目的。在實施松動爆破措施過程中,距突出煤層法向距離10m(構造帶20m)時,應采取探測手段去了解煤層層位與揭煤區(qū)域瓦斯賦存基本情況。另外為了縮短預抽期,可利用探煤鉆孔或補充鉆孔對揭煤區(qū)域進行爆破,增加煤層松動性和煤層透氣性。

4 結論與建議

按照相關要求,遵循“區(qū)域措施先行,局部措施補充”的原則,優(yōu)先采用開采保護層區(qū)域防突措施,通過反復探索實踐得出以下結論與建議:

(1)隨著煤層埋藏深度的增加煤層瓦斯含量逐漸升高,但由于受井田內瓦斯地質條件影響與控制,瓦斯含量增減幅度存在差異。

(2)某礦二1煤層露頭至煤層深部依次為瓦斯風化帶與瓦斯帶。分帶方向總體和煤層走向平行或斜交。

(3)一7煤保護層工作面煤層厚度0～0.6m,局部缺失煤層,賦存較不穩(wěn)定;傾角16°～37°,局部接近40°;落差2～6m的走向斷層沿走向方向分布;工作面現(xiàn)有30m3/h左右的底板水涌出。存在煤層薄、采高低、斷層多、傾角大、底板水涌出等不利因素。

(4)根據(jù)某公司煤層賦存狀況,沒有比較合適的保護層選擇,按照規(guī)定要求對井田內所有測壓鉆孔統(tǒng)計,目前井田-150m標高以上瓦斯壓力均小于2MPa,因此需重新選擇區(qū)域瓦斯治理方案。

(5)某公司二1煤層預抽瓦斯?jié)舛鹊?需要進一步采用新的封孔工藝提高封孔質量。

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MineDistrictGasGeologyandGasControlSchemeAnalysis

YangTaiqiang

(FacultyofLandResourceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)

Basedonthewellfieldgasgeologicaldatatoanalyzetheinfluencesofstructuralevolution,geologicalstructure,coalmeasurestratalithology,coalburieddepthandcoalthicknessonthegasoccurrence.Theresearchshowsthatthestructuralevolutionisprimaryfactorinfluencingtheregionalgasoccurrence;inthewellfield,thecoalseamgas-bearingcapacityisincreasealongwiththeincreaseofcoalburieddepthandit'sthemaincontrollingfactorinfluencinggasoccurrence;geologicalstructureandcoalmeasurestratalithologyalsohavegreatinfluences.ExploreandanalyzethegasgeologyproblembasedongasgeologicalbasisofonecertainmineandaccordingtoCoalandGasOutburstPreventionandControlStipulationanddiscusstheproblemstobepaidattentiontoinsafetyproductiononthisbasis.

Geologicalstructure;Gasoccurrence;Gascontent;Gasemissionamount;Gaspreventionandcontrol

YangTaiqiang.MineDistrictGasGeologyandGasControlSchemeAnalysis[J].JournalofGansuSciences,2016,28(6):93-97.[楊太強.某礦區(qū)瓦斯地質與瓦斯防治方案探析[J].甘肅科學學報,2016,28(6):93-97.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.019.

2015-10-14;

2016-03-03.

楊太強(1990-)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為工程地質與水文地質.E-mail:1058124254@qq.com.

TD

A