焦治平，冀學(xué)宏

(西山煤電(集團(tuán))公司屯蘭礦，山西 古交 030206)

·問題探討·

屯蘭井田瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究及防治技術(shù)探討

焦治平，冀學(xué)宏

(西山煤電(集團(tuán))公司屯蘭礦，山西 古交 030206)

介紹了屯蘭井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育規(guī)律，對(duì)煤層賦存規(guī)律和構(gòu)造規(guī)律進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)出瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的分布區(qū)域，提出瓦斯綜合防治技術(shù)。

瓦斯;突出;地質(zhì)規(guī)律;防治

我國(guó)瓦斯地質(zhì)學(xué)科重要?jiǎng)?chuàng)始人河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)研究所所長(zhǎng)張子敏教授說“瓦斯地質(zhì)理論是瓦斯治理最重要的基礎(chǔ)”，瓦斯地質(zhì)學(xué)中對(duì)瓦斯的定義:“瓦斯是煤在地質(zhì)歷史演化過程中形成的氣體地質(zhì)體，它儲(chǔ)存在煤層及其圍巖中，受地質(zhì)條件控制，存在明顯的規(guī)律性?！薄吨袊?guó)煤層瓦斯分布特征》提出:幾乎所有的煤與瓦斯突出都間接或直接地與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害主要發(fā)生在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)和構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)。對(duì)于生產(chǎn)礦井而言，研究礦井、采區(qū)、采面的瓦斯地質(zhì)規(guī)律，只有厘清了瓦斯地質(zhì)規(guī)律，瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、瓦斯抽采率預(yù)測(cè)、瓦斯的綜合治理等工作才能做到有的放矢。因此，存在突出危險(xiǎn)的礦井應(yīng)重視瓦斯地質(zhì)規(guī)律的分析研究，要充分認(rèn)識(shí)到其規(guī)律性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)屯蘭井田煤層賦存規(guī)律和構(gòu)造規(guī)律分析，預(yù)測(cè)出瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的分布區(qū)域，初步總結(jié)出屯蘭井田瓦斯賦存和分布規(guī)律，并為礦井的瓦斯綜合治理提供參考依據(jù)。

1 礦井瓦斯地質(zhì)概況

屯蘭礦地處西山煤田的西北部，礦井2011年產(chǎn)量300萬(wàn)t，絕對(duì)瓦斯涌出量207.05 m3/min，相對(duì)涌出量34.04 m3/t。2011年礦井瓦斯等級(jí)鑒定為瓦斯突出礦井，地層走向北西30°～60°，傾向南西，傾角5°～10°，呈一由北東向南西傾伏的波浪狀單斜構(gòu)造，地質(zhì)儲(chǔ)量10.28 億 t，可采儲(chǔ)量 6.28 億 t。

2 礦井地質(zhì)特征

1.1 煤層及煤質(zhì)

本區(qū)煤系地層為山西組和太原組，含煤層13層，主要開采二疊系下統(tǒng)山西組的2+3號(hào)煤層和石炭系上統(tǒng)太原組的8號(hào)、9號(hào)煤層。2+3號(hào)煤厚1.47～5.22 m，平均3.27 m;8 號(hào)煤厚 1.15 ～5.81 m，平均3.45 m，9 號(hào)煤厚 0.43 ～2.88 m，平均 1.65 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。各煤層煤質(zhì)變化規(guī)律明顯，縱向上自上而下變質(zhì)程度逐漸加深，橫向上自西北向東南變質(zhì)逐漸加深，煤種由肥煤、焦煤到瘦煤依次排列。

1.2 井田構(gòu)造

屯蘭井田褶曲不發(fā)育，比較明顯的有西部邊緣的鮮則背斜、元家山向斜和東南部的東大嶺向斜。斷層較多，斷距5 m以上者66條，最大斷距達(dá)180 m，北東35°～65°者居多，占2/3，區(qū)內(nèi)斷層均有明顯的規(guī)律性，以成組出現(xiàn)為其特點(diǎn)，帶有壓扭性質(zhì)，均屬高角度正斷層，構(gòu)造綱要圖見圖1。

1.3 地質(zhì)力學(xué)分析

西山煤田的地質(zhì)構(gòu)造屬新華夏系次一級(jí)多字型構(gòu)造盆地的一部分，屯蘭井田受南北向一對(duì)力偶作用，產(chǎn)生壓性結(jié)構(gòu)面—北北東向的褶曲:鮮則背斜、元家山向斜和東南部的東大嶺向斜顯示了這一特征。與此同時(shí)產(chǎn)生了一對(duì)北東50°和北西35°的X節(jié)理，它們應(yīng)屬第一序次構(gòu)造。區(qū)內(nèi)近70條斷層，斷層走向以北東35°～65°者居多，為本區(qū)主要斷層走向，斷層面一般緊閉，摩擦鏡面、擦痕和斷層透鏡體常見，從結(jié)構(gòu)面上的很多現(xiàn)象觀察，充分顯示了壓性特征，封閉性較好，北東向的壓扭性斷層如風(fēng)坪嶺斷層、古交斷層、頭南峁斷層、土地溝斷層等這些大斷裂的產(chǎn)生應(yīng)屬第二次序構(gòu)造。從節(jié)理統(tǒng)計(jì)看，主要有兩組，一組北東50°，另一組北西35°，且兩組節(jié)理發(fā)育程度不同，前者發(fā)育密集，后者比較稀疏，節(jié)理面平直而緊閉，應(yīng)為一對(duì)共軛扭性裂面。

圖1 屯蘭井田構(gòu)造綱要圖

3 地質(zhì)因素對(duì)瓦斯賦存規(guī)律的影響及預(yù)測(cè)

1)隨著開采深度的增加，突出的危險(xiǎn)性增大，屯蘭井田內(nèi)地勢(shì)西南高，東北低，最高處在大東磨上附近，標(biāo)高1 400 m，最低處在古交附近汾河河床，標(biāo)高970 m，以2+3、8號(hào)煤層為例，煤層底板標(biāo)高分別為560～920 m、480～840 m，2+3號(hào)煤開采深度為68～732 m，8號(hào)煤開采深度為146～821 m，呈現(xiàn)埋藏深度由東北向西南逐漸增厚，從近年來(lái)開采情況分析，東北部的北一盤區(qū)為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，向西南瓦斯壓力和瓦斯含量明顯增大，與瓦斯賦存規(guī)律吻合，即煤層埋深是影響瓦斯含量和涌出量的主控因素，可進(jìn)一步推測(cè)井田內(nèi)西南部的南四、南五、南七盤區(qū)存在瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2)突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造附近，如斷層、褶曲，90%以上的突出發(fā)生在向斜軸部、扭轉(zhuǎn)地帶、斷層和褶曲附近。屯蘭井田內(nèi)橫穿于南四、南五盤區(qū)中部的東大嶺向斜軸部，由于受南北向擠壓作用，產(chǎn)生壓性結(jié)構(gòu)面，煤體遭受破壞，煤層厚度較厚，區(qū)域內(nèi)3～8 m的斷層發(fā)育，屬于應(yīng)力集中區(qū)，可確定為瓦斯突出的危險(xiǎn)區(qū)，該區(qū)域內(nèi)12503工作面已回采，采前12503順槽施工過程中多次出現(xiàn)瓦斯超限及小型突出現(xiàn)象，也驗(yàn)證了東大嶺向斜軸部，斷層發(fā)肓，煤層疏軟，存在明顯的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。12503工作面(掘進(jìn)期間)瓦斯異常涌出區(qū)域圖見圖2。12503順槽掘進(jìn)接近向斜軸部時(shí)瓦斯突出統(tǒng)計(jì)見表1。

圖2 12503工作面瓦斯小型突出區(qū)域圖

表1 12503順槽掘進(jìn)接近向斜軸部時(shí)瓦斯突出統(tǒng)計(jì)

4 瓦斯綜合防治技術(shù)探討

根據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料，突出地點(diǎn)僅占采掘面積的7%～15%。如果不加區(qū)別地把所有的地點(diǎn)都按突出區(qū)域?qū)Υ?，將?yán)重制約礦井生產(chǎn)能力的發(fā)揮。瓦斯地質(zhì)學(xué)的理論來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，只有摸清礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律，才能厘清瓦斯賦存和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的分區(qū)和分帶特征?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》中，區(qū)域預(yù)測(cè)一般采用瓦斯地質(zhì)分析結(jié)合瓦斯參數(shù)測(cè)定的方法。而其綜合治理應(yīng)以區(qū)域性“四位一體”為主(即突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、區(qū)域性防治措施、區(qū)域性效果檢驗(yàn)和區(qū)域性驗(yàn)證)，局部“四位一體”為輔的瓦斯治理技術(shù)體系。

目前，屯蘭礦瓦斯抽采治理方法主要有上鄰近層瓦斯抽采本煤層瓦斯抽采、下鄰近層瓦斯抽采、采空區(qū)抽采及地面鉆孔抽采等，危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┍Ｗo(hù)層開采。這些方法的應(yīng)用，一定程度解決了生產(chǎn)中的棘手問題，但也存在一些局限性，如對(duì)煤層中瓦斯賦存規(guī)定只有概況性認(rèn)識(shí)，受地質(zhì)構(gòu)造、特殊地質(zhì)條件影響的煤層瓦斯賦存規(guī)律不清楚，井田內(nèi)反應(yīng)煤層突出危險(xiǎn)性大小的實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)較少，瓦斯抽放的針對(duì)性不強(qiáng)，對(duì)基礎(chǔ)參數(shù)的測(cè)定、收集整理不夠重視等，均不同程度地制約了瓦斯的綜合治理的發(fā)展。

解決瓦斯與安全生產(chǎn)矛盾的根本途徑，必須從基礎(chǔ)入手，才能保證綜合治理的主動(dòng)地位。而其防治技術(shù)必須遵循以下規(guī)律:

1)建立瓦斯治理的綱領(lǐng)性文件，即瓦斯治理中長(zhǎng)期規(guī)劃，編制完成后，礦井的采掘部署，工作面接替的調(diào)整都應(yīng)圍繞瓦斯中長(zhǎng)期規(guī)劃開展，才能夠?yàn)槲磥?lái)采區(qū)的瓦斯治理提供時(shí)間和空間保障。

2)高度重視基礎(chǔ)資料的收集，實(shí)際工作中能夠直觀系統(tǒng)反應(yīng)瓦斯賦存規(guī)律的，主要依據(jù)瓦斯壓力和瓦斯含量作為最重要的預(yù)測(cè)指標(biāo)來(lái)判定區(qū)域范圍內(nèi)是否具有突出危險(xiǎn)性。而瓦斯地質(zhì)圖是研究和揭示瓦斯地質(zhì)規(guī)律以指導(dǎo)瓦斯預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)性圖件，有了這些圖件，才能使瓦斯地質(zhì)資料得到高度集中并不斷積累、補(bǔ)充和完善。

3)與科研院所合作，開展煤層裂隙的收集整理、調(diào)查研究。

煤層中裂隙(節(jié)理或斷層)對(duì)煤層瓦斯的生儲(chǔ)、聚集及抽采起著直接或間接的控制作用。通過對(duì)屯蘭2#、8#煤層破壞類型進(jìn)行觀察，煤體多為亮煤或半亮煤，煤塊層理結(jié)構(gòu)明顯，通常伴生有大量次生節(jié)理端面，無(wú)構(gòu)造影響段煤體硬度較大，而在構(gòu)造影響區(qū)域，煤體硬度低，呈碎片狀，其原生結(jié)構(gòu)已不存在，用手可捻成粉末，不難確定煤體破壞帶，突出危險(xiǎn)性高出正常區(qū)域。屯蘭井田內(nèi)北北東向的斷層及煤層裂隙的發(fā)育，不難發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔的布置，在充分考慮煤層中主節(jié)理及構(gòu)造方向后，抽采效果將更為有效可靠。

4)開展掘進(jìn)工作面水力超前卸壓和采煤工作面煤層注水。

屯蘭井田內(nèi)煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r，砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖、泥巖互層，煤層的透氣性差，屬于難抽放煤層，且具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性，采用高壓注水可壓裂煤體，濕潤(rùn)煤體，改變煤體的力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到快速釋放瓦斯的效果。注水設(shè)備可選用專用注水泵，必須有泄壓閥，注水孔可選用已布置的抽采鉆孔，孔間距為3 m/個(gè)，注水壓力為3～5 MPa，瞬時(shí)壓力可達(dá)10 MPa以上，選擇利用瓦斯抽采鉆孔注水，需解決好封孔及注水過程中工作面滲漏水，并開展效果檢驗(yàn)。

5 結(jié)論

屯蘭井田內(nèi)南四、南五盤區(qū)沿東大嶺向斜軸部將是近期區(qū)域防突的重點(diǎn);古交斷層、土地溝斷層、王芝茂斷層控制著瓦斯的賦存，井田內(nèi)的北一盤區(qū)埋藏淺，陷落柱發(fā)育，不利于煤層瓦斯的保存?？傊?，瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究是瓦斯預(yù)測(cè)、治理的基礎(chǔ)，隨著綜合治理技術(shù)體系的形成與井上井下瓦斯治理模式相結(jié)合，不斷完善瓦斯地質(zhì)圖，瓦斯地質(zhì)規(guī)律將會(huì)越來(lái)越清晰，治理的效果也會(huì)得到不斷的檢驗(yàn)。

［1］ 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009:112－115.

Gas Geology Rule Research and Prevention and Control Technology in Tunlan Field

Jiao Zhi－ping，Ji Xue－h(huán)ong

Introduces the development regularity of geological structure in Tunlan field，the occurrence regularity and the structure rule of coal seam was analyzed，and the distribution area of gas power phenomenon was predicted，puts forward the gas comprehensive prevention and control technology.

Gas;Outstanding;Geological law;Prevention and control

TD713

A

1672－0652(2012)08－0049－03

2012－07－29

焦治平(1968—)，男，山西臨猗人，1993年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作(E －mail)depkjzp@163.com