陳龍照，吳志山，江化寨，郭騰飛，沈開和，高曉文，方樹元

(中國冶金地質(zhì)總局第二地質(zhì)勘查院，福建 閩侯 350108)

隨著我國礦井逐漸向深部延伸，礦井瓦斯問題日益嚴重，成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的重要因素[1-3]。某礦井屬煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)條件中等，無沖擊地壓傾向，現(xiàn)正在回采的二2煤層平均厚度2.6 m，自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。針對該礦井基本情況，本文研究了某煤礦瓦斯地質(zhì)特征，表明礦區(qū)中、深部的斷層和良好的隔水層段，給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件，分析了瓦斯防治和防突技術(shù)路線，確定了礦井高效的抽采瓦斯制度及技術(shù)。研究為類似工程地質(zhì)條件的瓦斯治理提供了技術(shù)支持。

1 礦井概況

某煤礦于1992年10月開工建設，1999年12月29日正式生產(chǎn)，礦井設計能力180萬t/a，2009年礦井核定生產(chǎn)能力為280萬t/a，2016年礦井重新確定生產(chǎn)能力為180萬t/a。井田南北走向長14 km，東西傾向?qū)?～5 km，井田面積61.4 km2。礦井開拓方式為立井單水平上下山開拓，運輸大巷布置在-550 m水平。

2 瓦斯地質(zhì)特征

2.1 地勘期間瓦斯基礎參數(shù)

2.2 礦井實測瓦斯基礎參數(shù)

某煤礦根據(jù)相關文件要求，對礦井正在開采的二2煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的破壞類型和堅固性系數(shù)等數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場實測，同時與高校合作，測定瓦斯抽采基礎參數(shù)。具體情況如下：二2煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.042 6～0.365 3 d-1，屬于可以抽采—較難抽采煤層；二2煤層透氣性系數(shù)為0.210 3～2.010 9 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采煤層；百米鉆孔瓦斯流量為0.015 m3/(min·hm)。根據(jù)《某煤礦二2煤層抽采半徑測試報告》顯示，礦井二2煤抽采時間為157 d時，有效影響半徑為3 m；抽采時間為103～125 d時，有效影響半徑為2.5 m；抽采時間為60～85 d時，有效影響半徑為2 m。根據(jù)《某煤礦水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測試報告》顯示，礦井二2煤層在現(xiàn)有水力沖孔技術(shù)措施下，即沖孔煤量為0.5 t/m時，抽采時間在48～51 d時，有效影響半徑為3 m；抽采時間在81～85 d時，有效影響半徑為4 m；抽采時間在107～117 d時，有效影響半徑為5 m。

2.3 礦井瓦斯賦存規(guī)律

某礦區(qū)位于永城背斜的東翼，是一個單斜構(gòu)造，各煤層的露頭被平均厚度223.24 m的新生界地層所覆蓋。風氧化帶厚度最大32.75 m，風氧化帶的巖石常風化成黏土狀或砂質(zhì)黏土狀。由于上覆地層厚度較薄以及斷層與新生界地層發(fā)生構(gòu)造作用，煤和煤中的瓦斯發(fā)生強烈的風氧化作用，淺部(-600 m以上)屬氮氣—甲烷帶。燕山期構(gòu)造運動的作用及煤層埋藏深度的增加構(gòu)成了保存煤層瓦斯的有利條件，該區(qū)(-600 m以下)屬甲烷帶。

(1)礦井瓦斯賦存規(guī)律[4-6]。對該礦區(qū)煤層瓦斯賦存規(guī)律進行分析。①煤層埋深對瓦斯賦存的影響。隨著煤層埋深的增加、地應力增高，圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運移的距離相應也增大，礦井整體瓦斯含量隨埋深的增加而變大。但從礦井實測的瓦斯含量情況分析，瓦斯含量與煤層埋深并非簡單的線性關系。瓦斯含量隨煤層埋深增加而變大的趨勢，目前僅在瓦斯富集區(qū)(26采區(qū)深部和27采區(qū))較為明顯，其他區(qū)域未出現(xiàn)。②巖漿巖分布對瓦斯賦存的影響。當巖漿巖侵入或穿過煤層和含煤巖系時，由于巖漿巖本身帶的高溫、揮發(fā)性氣體和壓力的影響導致煤的變質(zhì)程度增高，從而促進了煤層瓦斯的生成。在井田中深部發(fā)育一條基本貫穿整個井田的巖墻，巖墻的通氣、導氣性比煤層弱，煤層中的瓦斯由深部向淺部運移時，巖墻起到阻隔作用，使得深部瓦斯不易向外擴散，而向煤層深部富集。沒有受到巖漿巖烘烤的煤層垂向節(jié)理不發(fā)育，受到巖漿巖烘烤的煤層垂向節(jié)理較發(fā)育，一般40條/m，因此，高變質(zhì)煤與天然焦中的煤層瓦斯儲集方式明顯不同于正常煤層。27采區(qū)中部巖漿巖侵入條帶和26采區(qū)中部巖漿巖侵入條帶使煤層變成天然焦。在天然焦中，煤層瓦斯儲存的主要狀態(tài)為游離氣，正常煤以吸附氣為主。而27、26采區(qū)瓦斯不僅有煤中的吸附氣，也有天然焦中的游離氣，這也是造成27采區(qū)及26采區(qū)深部煤層瓦斯富集的原因之一。同時也改變了原生煤的構(gòu)造、孔隙和裂隙通道，巖漿巖附近煤的吸附性降低，使得瓦斯易于散失、運移并且不易圈閉保存，當煤層賦存條件發(fā)生改變時，煤中的瓦斯含量會有明顯的降低。③構(gòu)造對瓦斯賦存的影響。斷層群同時破壞煤層的完整性，破壞了煤的原始結(jié)構(gòu)，煤層受到擠壓、揉搓，形成的構(gòu)造煤增大了吸附表面積，提高了吸附能力。因此，礦區(qū)中、深部的斷層往往成為阻止煤層瓦斯逸散的天然屏障，使煤層瓦斯得以保存，煤層瓦斯含量相對較高，瓦斯壓力相對較大，給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件，同時起到一定的隔氣作用。而地下水越往深部礦化度越高，水動力越弱，對煤層瓦斯富集越有利。

2.4 礦井瓦斯類型評價

自2013年起至今，經(jīng)認定某煤礦為煤與瓦斯突出礦井。依據(jù)《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》礦井瓦斯類型評定標準，礦井瓦斯類型為極復雜。

3 瓦斯防治和防突技術(shù)路線

3.1 瓦斯防治工作情況

(1)防突機構(gòu)設置[7-10]。某煤礦成立有以礦長為核心的防突管理機構(gòu)和專業(yè)防突隊伍，并建立以總工程師為核心的技術(shù)管理機構(gòu)，設置有防突副礦長、通防副總工程師及地測副總工程師；設有防突科、地測科、調(diào)度室監(jiān)控組、通風隊、抽放隊等專業(yè)防突管理機構(gòu)和施工隊伍，并定期組織培訓、考核。防突技術(shù)力量和人員配備均滿足礦井瓦斯治理工作的需要。

(2)防突制度落實。為明確責任，促進瓦斯治理水平提升，礦井制定有《某煤礦防治煤與瓦斯突出管理辦法》《某煤礦瓦斯抽采管理辦法》《某煤礦“一通三防”管理辦法》等制度，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行補充完善相關規(guī)定。同時，礦井編制有《某煤礦瓦斯治理責任制》《某煤礦通風瓦斯分析速報制度》《采掘、打鉆異常情況零匯報制度》《某煤礦瓦斯管理預警分析處置及煤與瓦斯突出調(diào)查處理制度》等文件制度，嚴格落實各級管理人員的瓦斯治理責任制，堅持瓦斯超限立即停電撤人、分析原因、停產(chǎn)整改和追究責任四項措施，并對各地點通風和瓦斯異常情況進行分析、總結(jié)，采取針對性措施。

(3)防突設計編制。礦井已編制礦井、采區(qū)和各采掘工作面防突設計，并嚴格審批、落實；同時編制有《某煤礦2019年瓦斯區(qū)域治理計劃編制說明書》和《某煤礦2019—2021年區(qū)域瓦斯治理規(guī)劃編制說明書》，明確采掘工作面瓦斯治理措施、工程施工隊伍、工程計劃和相關資金計劃，并經(jīng)礦長和總工程師審批，報公司審核后嚴格執(zhí)行。

(4)防突措施落實情況[11-13]。①區(qū)域防突措施落實情況。礦井堅決做到不掘突出頭、不采突出面，未按要求采取區(qū)域綜合防突措施的，嚴禁進行采掘活動。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》、河南省瓦斯防治“雙十條”等文件要求，嚴格執(zhí)行區(qū)域和局部兩個“四位一體”綜合防突措施，區(qū)域防突措施和措施效果檢驗結(jié)果按照要求上報審批，嚴格落實出現(xiàn)突出預兆時立即停止作業(yè)，重新執(zhí)行區(qū)域防突措施。②防突職責落實情況。礦井根據(jù)各采區(qū)瓦斯賦存情況及采掘布置情況，明確各采掘工作面防突措施，并通過明確職責，確定管理范圍，嚴格落實防突措施的現(xiàn)場驗收、監(jiān)督管理，通過礦領導、職能科室現(xiàn)場監(jiān)督防突環(huán)節(jié)實施，規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)、施工工序，從流程、環(huán)節(jié)上減少失誤，確保各項防突措施落實到位。同時，建立健全瓦斯異常情況速報制度，通過瓦斯異常信息“零匯報、日分析”，強化采掘工作面特殊地點(瓦斯異常區(qū)、應力集中區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造區(qū))瓦斯治理措施，提升礦井瓦斯治理水平。

(5)瓦斯等級鑒定情況。某煤礦每年在7、8月份進行瓦斯及二氧化碳涌出量測定工作，2019年測定礦井絕對瓦斯涌出量10.67 m3/min，相對瓦斯涌出量3.03 m3/t。

3.2 防突技術(shù)路線

(1)礦井采用的突出預測敏感指標及臨界值[14-16]。礦井目前區(qū)域突出危險性預測和效果檢驗采用雙指標，其中瓦斯含量臨界值為6 m3/t，瓦斯壓力臨界值為0.6 MPa，2個指標只要有任何一個指標超限或者在打鉆過程中出現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預兆時，均視為有突出危險，必須進行區(qū)域治理，只有將瓦斯含量降至6 m3/t以下、瓦斯壓力降至0.6 MPa以下，且無動力現(xiàn)象或突出預兆時方可進行采掘作業(yè)。礦井采掘工作面區(qū)域驗證、工作面突出危險性預測和效果檢驗主要采用復合指標法(q值和S值)，其中：q值臨界值為4.8 L/min，S值臨界值為5.8 kg/m。石門揭煤工作面區(qū)域驗證主要采用鉆屑瓦斯解吸指標法(即K1值或Δh2)，其中，K1值臨界值為干煤樣0.48 mL/(g·min1/2)，濕煤樣0.38 mL/(g·min1/2)；Δh2臨界值為干煤樣190 Pa，濕煤樣150 Pa。

(3)防突技術(shù)路線。參照鄰近礦井某煤礦始突標高(-600 m)。各采區(qū)采掘工作面的瓦斯治理按照始突標高深淺和沿空情況制定具體實施方案。①位于始突標高以淺的采掘工作面，若開拓后區(qū)域突出危險性預測結(jié)果為無突出危險，則在采用安全防護措施的條件下，執(zhí)行區(qū)域驗證向前掘進或回采；若開拓后區(qū)域突出危險性預測結(jié)果為有突出危險，則按照始突標高以深的采掘工作面的瓦斯治理措施執(zhí)行。②位于始突標高以深的沿空掘進工作面，采用采空區(qū)卸壓帶掩護掘進，在采用安全防護措施的條件下，執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證向前掘進。③位于始突標高以深的實體煤掘進工作面，先采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶或區(qū)段煤層瓦斯治理措施，再采用實測煤層殘余瓦斯含量及瓦斯壓力的方法進行措施效果檢驗，只有當殘余瓦斯含量小于6 m3/t、瓦斯壓力小于0.6 MPa且未發(fā)現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預兆時，方可在采用安全防護措施的條件下，執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證向前掘進；否則，需繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施或延長抽采時間，直至效果檢驗達標。④位于始突標高以深的采煤工作面，先采用順層或穿層鉆孔預抽回采區(qū)域或區(qū)段煤層瓦斯治理措施，再采用實測煤層殘余瓦斯含量及瓦斯壓力的方法進行措施效果檢驗，只有當殘余瓦斯含量小于6 m3/t、瓦斯壓力小于0.6 MPa且未發(fā)現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預兆時，方可在采用安全防護措施的條件下，執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證進行回采；否則，需繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施或延長抽采時間，直至效果檢驗達標。⑤區(qū)域驗證采用復合指標法，若鉆孔出現(xiàn)q值和S值超標或出現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預兆，則執(zhí)行區(qū)域防突措施，經(jīng)區(qū)域防突措施效果檢驗和區(qū)域驗證后，并保留不小于20 m的區(qū)域措施超前距、不小于2 m的區(qū)域驗證超前距后，方可采取安全防護措施的條件下進行掘進或回采。⑥工作面處于煤層的構(gòu)造破壞帶，包括斷層、劇烈褶曲、火成巖侵入等，煤層賦存條件急劇變化，采掘應力疊加，施工前需執(zhí)行工作面防突措施，并進行措施效果檢驗。⑦石門揭煤工作面在巷道距煤層最小法向距離10 m前(在地質(zhì)構(gòu)造復雜、巖石破碎的區(qū)域，距離不小于20 m)，工作面至少布置3個穿層鉆孔對揭煤區(qū)域進行區(qū)域突出危險性預測，測定瓦斯含量和瓦斯壓力。若區(qū)域預測有突出危險性時，則在巷道距煤層最小法向距離7 m前(在地質(zhì)構(gòu)造復雜、巖石破碎的區(qū)域，適當增大距離)執(zhí)行穿層鉆孔預抽揭煤區(qū)域煤層瓦斯，區(qū)域措施效果檢驗以實際測定的預抽區(qū)域的煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力為主要指標進行；若區(qū)域措施效果檢驗無突出危險，則巷道可采用邊探邊掘至距煤層最小法向距離5 m位置進行區(qū)域驗證，否則需繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施；距煤層最小法向距離5 m位置的區(qū)域驗證為無突出危險，則巷道可采用邊探邊掘至距煤層最小法向距離2 m位置進行最后驗證，否則返回執(zhí)行區(qū)域防突措施。距煤層最小法向距離2 m位置的最后驗證為無突出危險，則執(zhí)行遠距離爆破揭開煤層，否則返回執(zhí)行區(qū)域防突措施。揭開煤層后按照過煤門的瓦斯治理措施執(zhí)行，直至揭煤施工結(jié)束。

3.3 各采掘工作面瓦斯治理情況

(1)采煤工作面瓦斯治理情況。礦井目前布置有2個采煤工作面(2604采煤工作面和2905采煤工作面)，其瓦斯治理情況如下：①2604采煤工作面。工作面位于26采區(qū)北翼上部，工作面標高在-754～-809 m，工作面南北走向長1 120～1 226 m，東西傾向?qū)?20～185 m，煤厚1.1～3.2 m，平均厚2.77 m，煤層較穩(wěn)定。2604采煤工作面原始瓦斯含量1.38～5.40 m3/t，采用順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯的治理措施，瓦斯抽采鉆孔施工時間為2016年10月5日至2017年12月30日，2604工作面殘余瓦斯含量為1.55～5.35 m3/t，實測殘余瓦斯壓力為0。2604采煤工作面自2018年5月1日開始回采，截至8月底剩余回采長度302.8 m，工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行淺孔卸壓措施并執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證措施。②2905采煤工作面。2905采煤工作面位于29采區(qū)南翼下部，工作面標高-527.4～-595.0 m。工作面南北走向長858～909 m，東西傾斜長134～241 m，煤厚0.5～3.8 m，平均2.82 m，煤層較穩(wěn)定。測定2905工作面原始瓦斯含量為1.14～3.28 m3/t，實測原始瓦斯壓力為0，故未采取區(qū)域防突措施。2905采煤工作面自2019年4月12日開始回采，截至止8月底剩余回采長度519.2 m，工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行淺孔卸壓措施，并執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證措施。

(2)掘進工作面瓦斯治理情況。礦井目前布置有3個煤巷掘進工作面(2611回風巷、2901回風巷和2901運輸巷)和4個巖巷掘進工作面(2613回風巷里段底板抽放巷、2615運輸巷底板抽放巷車場、211采區(qū)回風下山和211采區(qū)膠帶下山)，其瓦斯治理情況如下：①2611回風巷(停掘)。2611回風巷位于26采區(qū)中下部，工作面設計長度1 340 m，標高-805.8～-843.1 m。工作面采用采空區(qū)卸壓帶掩護掘進，執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證，測定最大原始瓦斯含量為2.67 m3/t，實測原始瓦斯壓力為0。2611回風巷自2018年11月3日開始掘進，截至8月底剩余566.4 m。工作面過斷層等構(gòu)造期間執(zhí)行工作面防突措施。②2901回風巷。2901回風巷位于29采區(qū)上部，工作面設計長度為1 054 m，標高為-463.4～-380.3 m。工作面執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證向前掘進，測定最大原始瓦斯含量為1.62 m3/t，實測原始瓦斯壓力為0 MPa。2901回風巷自2019年2月19日開始掘進，截止8月底剩余161.6 m。掘進期間工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行工作面防突措施。③2901運輸巷。2901運輸巷位于29采區(qū)中部，工作面設計長度1 039 m，標高-483.5～-398.7 m。工作面執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗證向前掘進，測定最大原始瓦斯含量為1.91 m3/t，實測原始瓦斯壓力為0。2901運輸巷自2019年5月19日開始掘進，截至8月底剩余517.9 m。工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行工作面防突措施。④2615運輸巷底板抽放巷車場。2615運輸巷底板抽放巷車場位于26采區(qū)中下部，工作面設計長度210 m，標高-898.0～-898.5 m。工作面采用地質(zhì)超前探措施，準確控制煤層層位及構(gòu)造發(fā)育情況，并制定有防誤揭煤措施。工作面測定的最大瓦斯含量為7.6 m3/t。工作面自2019年5月6日開始掘進，截至8月底剩余29 m。⑤211采區(qū)回風下山。211采區(qū)回風下山位于211采區(qū)，工作面設計長度為920 m，標高為-532.6～-601.8 m。工作面采用地質(zhì)超前探措施，準確控制煤層層位及構(gòu)造發(fā)育情況，并制定有防誤揭煤措施。工作面測定的最大瓦斯含量為2.21 m3/t。工作面自2019年1月9日開始掘進，截至8月底剩余510 m。⑥211采區(qū)膠帶下山。211采區(qū)膠帶下山位于211采區(qū)，工作面設計長度1 018 m，標高-520.9～-601.8 m。工作面采用地質(zhì)超前探措施，準確控制煤層層位及構(gòu)造發(fā)育情況，并制定有防誤揭煤措施。工作面測定的最大瓦斯含量為2.21 m3/t。工作面自2019年5月1日開始掘進，截至8月底剩余852.8 m。

4 結(jié)論

(1)通過對某煤礦瓦斯地質(zhì)特征的分析得出，礦區(qū)中、深部的斷層往往成為阻止煤層瓦斯逸散的天然屏障，煤層瓦斯得以保存，具有良好的隔水層段，同時起到一定的隔氣作用，給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件。

(2)通過對瓦斯防治和防突技術(shù)路線的研究，確定了礦井高效的抽采瓦斯制度及技術(shù)，也為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。