巫顯鈞

（重慶松藻煤電有限責任公司，重慶綦江 401445）

松藻礦區(qū)茅口灰?guī)r巷道中的瓦斯災害特征與防治

巫顯鈞

（重慶松藻煤電有限責任公司，重慶綦江 401445）

在茅口灰?guī)r中掘進巷道時，常有瓦斯涌出、偶有巖溶瓦斯噴出或突出及煤與瓦斯突出。通過研究茅口灰?guī)r的生成、儲存和蓋層條件、古巖溶地貌、瓦斯來源、瓦斯儲集特征，分析瓦斯典型事故特征，總結(jié)不同層位裂隙瓦斯超限的頻率。提出了合理選擇層位、采取防范瓦斯噴出突出措施、探測控制巖溶縫洞、改進鉆機防噴裝置、提高物探準確率、加強預測預報等對策措施。集中運輸大巷、回風大巷、變電所、水倉宜布置在茅口組頂部30 m以下；專用茅口瓦斯抽采巷宜布置在距煤系10～20 m；采取嚴密的探測控制措施后，可杜絕溶洞瓦斯突出、煤與瓦斯突出，采用能夠閉鎖自動阻止高壓瓦斯噴孔的鉆機可控制巖溶瓦斯噴出。

瓦斯災害；特征；對策；茅口巷；松藻礦區(qū)

布置在茅口組石灰?guī)r中的巷道（簡稱“茅口巷”，以區(qū)別在其它地層中掘進的巖巷）掘進時，曾發(fā)生多次瓦斯事故。礦井地質(zhì)工作者對巖溶瓦斯及其涌出形式進行過總結(jié)分類，但對茅口灰?guī)r中瓦斯的來源與儲集、瓦斯災害特征與對策等缺乏系統(tǒng)研究。通過全面分析總結(jié)，采取嚴密的防范措施，探索出高效可靠的巖溶裂隙瓦斯探測控制手段，減少茅口巷瓦斯災害及其損失。

1 概況

松藻礦區(qū)開采二疊系龍?zhí)督M的煤層，開拓與瓦斯抽采巷道多布置在煤系底板茅口灰?guī)r的頂部50 m范圍內(nèi)。礦區(qū)每年施工茅口巷2.1～3.3萬m，占年度總進尺的41.25%～43.26%。

1.1 地層

礦區(qū)地層由老到新依次為：中志留統(tǒng)韓家店組（S2h），二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）、中統(tǒng)茅口組（P2m）、上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、長興組（P3c），三疊系下統(tǒng)玉龍山組（T1y）、飛仙關組（T1f）、嘉陵江組（T1j）、中統(tǒng)雷口坡組（T1l）。韓家店組和雷口坡組厚度不全，從棲霞組-嘉陵江組，地層厚度依次為90～110m、194～298m、68～83m、47～64m、131～137m、168～196m、660～732 m。棲霞組與茅口組為統(tǒng)一的石灰?guī)r巖溶含水層，通稱陽新灰?guī)r，總厚度294～398 m（圖1）。

與茅口巷瓦斯涌出相關的地層是棲霞組、茅口組和龍?zhí)督M。

1.2 構(gòu)造

松藻礦區(qū)位于酒店埡背斜、桑木場背斜西翼。構(gòu)造主體走向為北東向，在平面上形成向北東收斂、向南西撒開的放射狀，由東向西依次發(fā)育有兩河口向斜、羊叉灘背斜、大木樹向斜和魚跳背斜，形成向西突的“鼓包形構(gòu)造”（圖2）。

圖1 松藻礦區(qū)中部地質(zhì)剖面圖Figure 1 Geological section of middle Songzao mine area

圖2 松藻礦區(qū)構(gòu)造示意圖Figure 2 Structural outline map of Songzao mine area

區(qū)域大地構(gòu)造格架、地貌分區(qū)以及地質(zhì)構(gòu)造特征，都是中生代末-新生代初期的構(gòu)造運動奠定的。直接影響和控制礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育的是北東向的桑木場背斜、酒店埡背斜以及七曜山-金佛山基底斷裂。七曜山-金佛山基底斷裂南東側(cè)斷塊相對向上彎曲或凸起，導致上覆蓋層中背斜軸部產(chǎn)生一些二次縱張的正斷層[1]。礦區(qū)主壓應力軸的方位為北西向（約323°）。

1.3 煤層及其瓦斯含量

龍?zhí)睹航M共含煤5～14層，全區(qū)可采M8煤層，局部可采薄煤層2～4層。可采、局部可采煤層由老到新編號依次為M12、M11、M8、M7、M6，平均煤厚依次為0.76、0.60、3.02、0.93、0.81 m，平均噸煤瓦斯含量依次為18.38、12.21、18.42、16.12、13.72 m3/t； M8、M7煤層實測平均瓦斯壓力分別為6.46、5.54 MPa。各煤層均屬極富氣煤層，煤系煤層氣資源豐度中等（1.12×108m3/km2）[2]。

2 茅口組特征

2.1 茅口組劃分

2.1.1 區(qū)域分段

茅口組為深灰、灰、灰白色石灰?guī)r，生物屑灰?guī)r含燧石結(jié)核，下部含泥質(zhì)，一般厚度200～250 m。由老到新可劃分茅一、茅二、茅三和茅四4個巖性段。其中茅一、茅二段厚度齊全穩(wěn)定，均可進一步細分為a、b、c三個亞段，各亞段的厚度由老到新依次是35～45 m、25～35 m、25～35 m、40～60 m、45～60 m、20～35 m；礦區(qū)茅四（西部剝蝕殆盡）、茅三段被剝蝕，茅四段殘厚0～30 m，茅三段厚10～30 m。

整體看P2m3、P2m2b、P2m1b色淺、質(zhì)較純，電性具低伽馬高電阻特征；P2m4、P2m2c、P2m2a、P2m1c、P2m1a色深，泥機質(zhì)含量高，電性具明顯的高伽馬、低電阻識別標志。

2.1.2 礦區(qū)分層

松藻礦務局于1990年前后，對茅口組進行分層研究，將茅口組由老到新分為13層（主要研究井巷工程揭露的頂部60 m段10～13四層）。第12、13層屬P2m4，第10、11層屬P2m3和P2m2c。

第13層：深灰色厚層塊狀生物粒屑灰?guī)r，夾較多炭質(zhì)泥巖團塊及條帶，層厚13.7 m。下往上3.8 m、6.7 m、8.3 m處沿層面發(fā)育巖溶，含水性次強。

第12層：灰、深灰色中厚-厚層狀灰?guī)r，層厚11.1 m。層間常有波狀泥質(zhì)物分布，巖溶不發(fā)育，含水性弱。

第11層：淺灰、淺棕灰色塊狀生物灰?guī)r，層厚18.7 m。方解石脈順層分布，灰?guī)r質(zhì)純、性脆，巖溶發(fā)育，含水性強。

第10層：淺棕灰色厚層粒屑灰?guī)r，層厚17.6 m，底部順層分布燧石結(jié)核。層面上常發(fā)育有巖溶，含水性次強。

2.2 巖溶古地貌特征

礦區(qū)茅口組巖溶古地貌單元屬巖溶高地[3]，頂部為殘積風化殼，被剝蝕后加劇了古地形的凹凸起伏，局部凹陷深度達4 m，頂部5～10 m常有不等厚鋁土泥巖的洞穴堆積。龍?zhí)督M底部鋁土泥巖直接沉積在殘積風化殼，呈假整合接觸（圖3）。

圖3 松礦七采區(qū)470N6石門(北幫)素描圖Figure 3 Sketch of crossheading 470N6(north side)in No.7 winning district,Songzao coalmine

2.3 瓦斯生成、儲存和蓋層條件

東吳運動后龍?zhí)督M沉積前的8～7 Ma是茅口灰?guī)r古巖溶的形成期；龍?zhí)督M沉積后喜馬拉雅運動前，是茅口組油氣生成、運移、聚集和油變成氣的重要時期，瓦斯已聚集于茅口組古巖溶縫、洞和石灰?guī)r原生有效孔隙中；喜馬拉雅運動開始后，古巖溶經(jīng)歷了溶蝕、填充、斷褶、再溶蝕和再充填后，瓦斯僅局部富集，極少成片連通；茅口組巖性致密，孔隙度一般在2%以下，滲透率一般小于0.08×10-3μm2，儲集油氣主要是巖溶縫洞[4]。

礦區(qū)東南面陽新灰?guī)r大面積出露地表，滲流帶和潛流帶再溶蝕和再充填后，古巖溶儲層基本不復存在；礦區(qū)中西部“鼓包形構(gòu)造”區(qū)，茅口組埋深290～1090 m（羊叉河谷局部僅160～190 m），其蓋層厚度不大、熱演化程度不高，其烴源巖生氣強度遠低于四川盆地（四川盆地達10×108m3/km2以上[4]）。

3 茅口巷瓦斯災害特征

3.1 瓦斯災害類型與煤層巷道類似

煤層巷道瓦斯災害類型在茅口巷掘進中都曾遇到過，時有裂隙瓦斯涌出超限、偶有巖溶瓦斯噴出或突出甚至延時突出、也曾發(fā)生過煤與瓦斯突出！

3.1.1 裂隙瓦斯涌出

2015年1月～2016年6月，礦區(qū)共掘進茅口巷49772 m，瓦斯超限次數(shù)共136次。其中“鼓包形構(gòu)造”區(qū)隱伏礦井共掘進茅口巷37411 m，瓦斯超限次數(shù)共132次（表1）。這些瓦斯超限都是茅口裂隙瓦斯涌出導致的，有的是超前探孔或者炮眼遇裂隙瓦斯涌出，有的是放炮后裂隙瓦斯涌出。

表1 松藻礦區(qū)茅口巷進尺層位與瓦斯超限次數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of Songzao mine area Maokou roadway footages,horizons and gas overruns m

3.1.2 巖溶瓦斯噴出或突出

掘進中遇陽新灰?guī)r巖溶縫洞中的高壓瓦斯，必然導致瓦斯噴出或突出，有的是鉆孔過程中噴出，有時是放炮后突出。近10 a茅口巷掘進中瓦斯典型事故見表2，其平面位置見圖2。

①“10.14”事故。在施工右下方炮眼時遇高壓瓦斯噴出，員工誤認為是壓風軟管爆裂，四處尋找爆裂口而錯失逃生時間。此處巷道掘過后，巷道斷面內(nèi)未見巖溶縫和溶洞。

②“12.15”事故。該事故點埋深636 m、與煤系垂距達265 m，處于棲霞灰?guī)r頂部，在施工超前鉆孔時，一個Φ36 mm的鉆孔噴出高壓巖溶瓦斯，導致礦井310總回風超限，全礦停產(chǎn)2 d。如果放炮直接揭開該28.15萬m3高壓瓦斯，后果不堪設想。該處無巖溶水，鉆孔查明該巖溶縫僅0.2 m寬。

③“8.22”事故。放炮20 min后磧頭后方1.3 m處右側(cè)底板高壓巖溶瓦斯延時突出，突出口順巷道長1 m、向下可見深度0.9 m。突出后趴巖機被肢解運移、Φ50 mm的鐵管被折斷扭曲、逆流造成周圍三條巷道瓦斯嚴重超限，如遇電器失爆、或未攜帶自救器或人員撤離救援不及時，事故損失勢必擴大。

表2 松藻礦區(qū)茅口巷掘進瓦斯典型事故統(tǒng)計表Table 2 Statistics of Songzao mine area Maokou roadway typical gas accidents during advancing

3.1.3 煤與瓦斯突出

在茅口組頂部距離煤系較近的順層掘進的茅口巷，如果探掘控制措施不到位，可能發(fā)生煤與瓦斯突出事故，距離煤系越近威脅越大。加之茅口組頂界凹凸起伏嚴重（圖3），且常有鋁土泥巖（甚至煤屑）的洞穴堆積，又增加了煤與瓦斯突出的概率。

如“6.5”事故，在巷道磧頭后方2 m巷頂M12煤層滯后煤與瓦斯突出，在實測突出空洞處巷頂茅口灰?guī)r厚度僅0.4 m、鋁土泥巖厚度僅0.45 m，距離突出煤層的巖柱僅0.85 m。在突出點后方88 m處施工了一個地質(zhì)鉆孔，查明鉆孔處巷頂距離M12煤層7.6 m、M12煤層厚度1.1 m、巷頂上茅口灰?guī)r厚度4.5 m，巷道繼續(xù)順層掘進過程中，對巖柱控制不夠。

3.2 預測預報

規(guī)模達到物探分辨率[5]的溶洞，采用物探能提前預報；地質(zhì)鉆孔穿過的巖溶縫洞、含瓦斯裂隙能夠提前發(fā)現(xiàn)。但是井下揭露的大多數(shù)巖溶縫洞、含瓦斯裂隙未達到物探分辨率的規(guī)模；受時間、空間和成本限制，茅口巷先探后掘鉆孔數(shù)量有限；受井下作業(yè)環(huán)境和設備條件限制，井下地質(zhì)鉆孔的深度不大（僅100 m多）、軌跡不準確；巖溶縫洞、含瓦斯裂隙就采區(qū)和工作面而言分布規(guī)律不明顯。因而，對巖溶縫、裂隙的空間位置及其瓦斯含量壓力的預測預報難度極大。

3.3 瓦斯預處理

煤層瓦斯預處理有明確的目的層和空間分布，有成套的預抽預測技術。而茅口巖溶縫洞、裂隙的空間分布極不均一，空間位置及其瓦斯含量壓力難以提前掌握；茅口巷本身又是先期進入的巷道，掘進前難以提前預抽瓦斯，只能是鉆孔探測到瓦斯后再進行抽采。

鉆孔探測到高壓瓦斯的瞬間，高壓瓦斯噴出嚴重威脅施工人員安全！如“10.14”事故、“12.15”事故。

4 礦區(qū)茅口灰?guī)r瓦斯儲集特征

陽新灰?guī)r出露與否，其瓦斯來源儲集差異明顯，茅口巷瓦斯災害發(fā)生在隱伏井田。

4.1 茅口灰?guī)r出露井田

茅口灰?guī)r出露的井田至今未出現(xiàn)巖溶瓦斯噴出事故（松藻井田部分茅口巷埋深已超過800 m），滲流帶和潛流帶具有良好的排泄通道，侵蝕基準面以上不儲集瓦斯。

喜馬拉雅運動及其產(chǎn)生的裂隙，為巖溶縫洞的瓦斯沿本層向上運移提供了通道；高差60～100 m的上階段已有茅口巷為下階段茅口巷掘進前通過裂隙提前緩慢釋放瓦斯提供了有利條件。

4.2 茅口灰?guī)r隱伏井田

4.2.1 瓦斯來源

茅口灰?guī)r瓦斯來源包括：①喜馬拉雅運動前茅口組古巖溶縫、洞中聚集的天然氣（未釋放的部分）；②煤系瓦斯；③石灰?guī)r構(gòu)造裂隙巖溶裂隙中的游離瓦斯。喜馬拉雅運動期間，這三類瓦斯通過動態(tài)活動裂縫勾通重組達到新的平衡后趨于穩(wěn)定，地殼運動停止后再經(jīng)過壓實，彼此孤立連通性變差。

茅口巷進入后，打破了局部的地應力平衡和瓦斯壓力平衡，成為新的排泄通道，只要與瓦斯源之間存在裂隙通道，瓦斯就涌入巷道。

4.2.2 瓦斯儲集

茅口灰?guī)r生氣強度和煤層瓦斯含量都與埋深呈正相關，隨埋深增加古巖溶縫洞中的瓦斯量和壓力呈增大趨勢。

茅口灰?guī)r瓦斯儲集的優(yōu)勢部位是背斜軸部、地層扭曲部位、斷層帶，特別是背斜高點、扭曲鞍部、斷層鼻凸部位[4]。但瓦斯含量壓力與距背斜軸線、斷層跡線遠近的定量關系不明顯，見圖1。

表1統(tǒng)計的數(shù)據(jù)量有限，但一定程度反映了不同層位裂隙瓦斯的多寡。比較每100 m茅口巷平均瓦斯超限次數(shù)（次/100 m），茅口組頂部由上到下0～5 m最高達0.9191，距離煤層最近，裂隙獲得煤層瓦斯補給的機會多；其次是20～25 m達0.6243，處于第12層底部與第11層的結(jié)合部位，層面裂隙及巖溶相對發(fā)育；30 m以下最低僅0.1667，5～10 m其次低為0.2376。

5 茅口巷瓦斯防治對策

5.1 合理選擇茅口巷層位

茅口巷應避開巖溶縫洞，防止巖溶瓦斯噴出或突出；距離煤層不能太近，防止煤層起伏發(fā)生煤與瓦斯突出事故。

順層掘進的集中運輸大巷和回風大巷、變電所、水倉等宜布置在茅口組頂部30 m以下；專用茅口瓦斯抽采巷道宜布置在距煤系10～20 m，一方面離煤層不能太近，另一方面盡量降低煤層瓦斯抽采鉆孔進尺。

5.2 施工按瓦斯涌出巷道管理

茅口灰?guī)r巷道施工應按瓦斯涌出巷道進行管理，在遇巖溶縫洞、斷層、構(gòu)造破碎帶，或者距離煤系較近時，還應按具有瓦斯噴出和突出危險進行管理。

遇巖溶縫洞、斷層、構(gòu)造破碎帶時，掘進前必須編制專門的防治瓦斯災害措施。專用茅口瓦斯抽采巷道的抽采管道應隨掘隨安，保證需要時能及時接入抽采瓦斯。

5.3 控制層位和巖溶縫洞

5.3.1 控制茅口巷與第一層煤（M12）的距離

茅口巷掘進時，正常區(qū)域磧頭四周150～200 m內(nèi)無實測（或地質(zhì)鉆孔）控制M12煤層時，至少施工一個鉆孔探明巷道距M12煤層的距離；在斷層或煤層走向或傾向變化較大的區(qū)域還必須加密地質(zhì)鉆孔，斷層兩盤必須同時有地質(zhì)鉆孔控制；茅口巷與M12煤層的距離較近時，必須先探后掘確保兩者間的距離大于5 m。

5.3.2 先探后掘控制巖溶瓦斯和裂隙瓦斯

采取物探全覆蓋超前探測，對物探異常區(qū)提前10 m進行鉆探驗證；在鉆探排除了巖溶水威脅后，采用風錘釬子加密探測。物探和鉆孔的防瓦斯超前距不小于10 m、釬探超前距和幫控不小于1.5 m。為防范物探漏報小的溶洞裂縫，最大限度減少小裂隙瓦斯涌出超限，應力爭鉆探全覆蓋超前探測。

施工炮眼遇瓦斯，磧頭瓦斯超限時，必須停止作業(yè)。待瓦斯?jié)舛炔怀迺r才能掘進或進一步鉆探。

鉆孔（或炮眼）瓦斯涌出量較大時，應及時接抽瓦斯。

5.4 與科研單位合作，提高物探成果的定量準確性

物探分辨率與多解性客觀存在，分析分辨率及其影響因素，致力于從儀器研發(fā)、分析軟件開發(fā)、現(xiàn)場操作、分析解釋各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致提高分辨率，提高物探對巖溶縫洞位置及其形狀大小預報的準確性。

5.5 改進鉆機防噴和固定裝置

高壓瓦斯從鉆桿內(nèi)外噴出，輕則瓦斯超限，重則威脅施鉆人員安全！改進鉆機防噴裝置，在逆止閥的基礎上增設能夠閉鎖自動阻止巖溶縫洞高壓瓦斯噴出的孔口封堵裝置，并能實現(xiàn)氣水渣分離，便于接抽瓦斯和水。

改進鉆機固定裝置，防止高壓瓦斯沖到鉆機，并提高鉆孔定位的準確性。

在不增加多少鉆機及其配套設備重量和體積的基礎上，提高鉆機動力和穩(wěn)定性，減少鉆機搬運次數(shù)、增大鉆孔深度。

5.6 加強地質(zhì)預測預報工作

及時收集茅口巷揭露的全部地質(zhì)資料，及時與物探成果、鉆探成果對比分析，及時開展補充勘探，及時修正預測成果，及時發(fā)放地質(zhì)預報。隱伏井田應編制茅口灰?guī)r頂板等高線圖。

6 結(jié)論

①礦區(qū)茅口巷有瓦斯涌出、巖溶瓦斯噴出或突出、煤與瓦斯突出等瓦斯災害，采取嚴密探測控制措施后，溶洞瓦斯突出、煤與瓦斯突出是可防可控的。

②茅口巷瓦斯來源包括古巖溶瓦斯、煤層瓦斯、石灰?guī)r裂隙游離瓦斯，茅口巷進入瓦斯壓力平衡被打破后，瓦斯源間有裂隙通道時，兩種或三種瓦斯源混合涌入巷道。

③從區(qū)域看瓦斯儲集的優(yōu)勢部位是背斜軸部、地層扭曲部位、斷層帶。但瓦斯含量壓力與距背斜軸線、斷層跡線遠近的定量關系不明顯。

④采取合理選擇層位、掘進及施鉆全過程嚴格按瓦斯噴出和突出危險進行管理、探測控制巖溶縫洞、提高物探探測準確率、改進鉆機防噴及固定裝置、加強地質(zhì)預測預報工作等對策措施，最大限度減少瓦斯災害及其損失。

鉆孔未穿過的小裂隙瓦斯涌出超限尚難預測和控制，能夠閉鎖自動阻止巖溶縫洞高壓瓦斯噴孔的井下鉆機還急待開發(fā)。待能夠探測幾厘米到幾十厘米寬的無水含瓦斯巖溶縫洞的物探設備和技術成熟后能夠適度減少鉆探進尺。

[1]張文佑.中國主要斷裂構(gòu)造系統(tǒng)的應力分析[J].科學通報，1960，（19）.

[2]重慶一三六地質(zhì)隊.重慶松藻煤電有限責任公司打通一煤礦延深勘查地質(zhì)報告[R].重慶:重慶一三六地質(zhì)隊，2009.

[3]桑琴，未勇，程超，等.蜀南地區(qū)二疊系茅口組古巖溶地區(qū)水系分布及巖溶地貌單元特征[J].古地理學報，2012，14（3）:393-402.

[4]陳宗清.四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組天然氣勘探[J].中國石油勘探，2007，12（5）:1-11.

[5]巫顯鈞.重視地震勘探的分辨率[G].重慶:重慶市地質(zhì)礦業(yè)協(xié)會，2011.

Maokou Limestone Roadway Gas Hazard Features and Countermeasures

Wu Xianjun
(Chongqing Songzao Coal and Power Co.Ltd.,Qijiang,Chongqing 401445)

During the roadway drifting in the Maokou limestone,often happen gas emissions,occasionally have karstic gas blowouts or outbursts,even coal-and-gas outbursts.Countermeasures should be studied to eliminate coal-and-gas outburst and karstic gas blowout.Through studies on source,reservoir and capping bed condition of Maokou limestone,paleokarst landform,gas source and gas reservoir features,analyzed typical gas accident characteristics and summarized frequency of fissure gas overruns in different horizons. Then put forward countermeasures of rational horizon selection,gas blowout and outburst prevention measures,karstic fissures and caves survey and control,drilling blowout prevention device modification,geophysical prospecting accuracy improvement and prediction,forecast strengthening.Main haulage roadway,main return way,substation and sump should be arranged below 30m of Maokou Formation top surface.Special purpose Maokou gas drainage way should be arranged within 10～20m range apart from coal measures. After strict survey and control measures adopted,can eradicate karst cave gas outburst,coal-and-gas outburst;to use drills with automatically shut and stop high pressure gas orifice can control karstic gas blowout.

gas hazard;features;countermeasures;Maokou roadway;Songzao mine area

TD712

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.05

1674-1803(2017)01-0020-05

巫顯鈞（1966—），男，四川瀘州人，高級工程師，長期從事礦井地質(zhì)、礦井水文地質(zhì)、資源儲量及礦權管理工作。

2016-08-18

責任編輯：宋博輦