平煤六礦煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究與應(yīng)用＊

張革委 張慧杰 楊 睿

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南省平頂山市，467091；2.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

1 礦井概況

平煤六礦屬平頂山煤田，是中平能化集團大型骨干礦井之一。礦井于1970年投產(chǎn)，2010年生產(chǎn)能力核定為380萬t／a，井田內(nèi)剩余儲量服務(wù)年限為36年。礦井采用分區(qū)與中央并列混合式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法。2005年被鑒定為突出礦井。礦井現(xiàn)采用立、斜井多水平混合開拓方式，開采方法均采用走向長壁下行垮落采煤法，采掘工藝為綜采和綜掘。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組。煤系地層總厚797m，含煤40～56層，常見43層，煤層總厚約26.84m，含煤系數(shù)3.37%。區(qū)內(nèi)發(fā)育的大中型斷層除劉家正斷層分布于井田北東部單獨出現(xiàn)外，其它斷層均分布于井田西南部鍋底山正斷層下盤旁側(cè)，并以鍋底山斷層和山莊斷層為主，構(gòu)成兩個斷層帶。

2 煤層瓦斯賦存規(guī)律

2.1 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的控制作用

平煤六礦井田呈單斜構(gòu)造，沿煤層走向的波狀起伏以及由斷層旁側(cè)伴生的次級寬緩褶皺發(fā)育顯著，構(gòu)造應(yīng)力分布不均，構(gòu)造煤發(fā)育處瓦斯含量大。向斜為不對稱斜歪寬緩褶皺構(gòu)造，南翼較陡，埋藏較淺，有利于瓦斯釋放；北翼較緩，埋藏較深，有利于瓦斯賦存；向斜核部構(gòu)造應(yīng)力集中，煤厚增加，形成了有利于瓦斯賦存的地質(zhì)條件。

平煤六礦斷層附近瓦斯賦存狀況較復(fù)雜，受小斷層控制作用顯著。受緯向構(gòu)造帶和淮陽山宇型構(gòu)造的雙重控制和影響，區(qū)內(nèi)小斷層主要為NW向和NE向，以正斷層為主。受NE-SW向區(qū)域主應(yīng)力影響，NE向斷裂構(gòu)造以張扭性為主，不利于瓦斯富集；NW向斷裂構(gòu)造以壓扭性為主，構(gòu)造應(yīng)力集中，煤層透氣性差，有利于瓦斯賦存。

圖1 平煤六礦煤層瓦斯壓力及瓦斯含量隨埋深變化關(guān)系

2.2 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

煤層埋深對平煤六礦瓦斯賦存規(guī)律影響顯著，隨著煤層埋深和地壓的增大，煤層瓦斯的排放越加困難。煤層瓦斯數(shù)據(jù)顯示，在瓦斯風(fēng)化帶以下，瓦斯含量和瓦斯壓力都隨埋深的增加大致呈線性遞增關(guān)系，見圖1。另外，近幾年的瓦斯等級鑒定報告結(jié)果顯示，不同開采水平的瓦斯涌出量也表現(xiàn)了煤層埋深對瓦斯賦存的控制作用。平煤六礦一水平和二水平煤層瓦斯涌出量變化見表1。

表1 平煤六礦一水平和二水平煤層瓦斯涌出量變化

2.3 圍巖及煤層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層圍巖主要指煤層直接頂、老頂和直接底在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。平煤六礦的丁組、戊8、戊9-10煤層圍巖多為泥巖和砂質(zhì)泥巖，少數(shù)為砂巖。泥質(zhì)巖石透氣性差、隔氣性能好，為瓦斯提供了良好賦存條件。圍巖中泥巖厚度不同，各煤層瓦斯壓力和瓦斯含量也有較大差異。除圍巖外，煤層厚度對瓦斯賦存也有較大影響。平煤六礦現(xiàn)采煤層的煤厚、圍巖情況及瓦斯參數(shù)見表2。

表2 平煤六礦煤層瓦斯參數(shù)隨煤厚和圍巖中泥巖厚度變化表

2.4 水文地質(zhì)對瓦斯賦存的影響

地下水與瓦斯共存于含煤巖系及圍巖之中，兩者的賦存和運移相互影響，地下水的活動有利于瓦斯的逸散。礦區(qū)為地層向北緩傾斜的單斜構(gòu)造，補給區(qū)主要位于井田南部地層隱伏露頭區(qū)，沿地層走向的東部和西部均為弱補給邊界，井田深部可視為相對隔水邊界?，F(xiàn)開采的丁、戊煤層頂?shù)装迳皫r孔隙裂隙含水層構(gòu)成礦井直接和主要充水源，礦井生產(chǎn)實踐表明，由于砂巖含水層孔隙裂隙不發(fā)育，直接補給條件差，弱富水性，且各含水層之間均有砂質(zhì)泥巖或泥巖隔水層，地下水活動不顯著，形成了有利于瓦斯賦存的地質(zhì)條件。

3 煤與瓦斯突出地質(zhì)規(guī)律

3.1 煤與瓦斯突出分布

2002-2007年，平煤六礦共發(fā)生煤層瓦斯動力現(xiàn)象3次。突出地點全部在丁5-6煤層，突出標(biāo)高在-570m及以下，突出煤量為4～48t，突出瓦斯量為405～840m3不等，突出類型全部為壓出，歷次瓦斯動力現(xiàn)象統(tǒng)計結(jié)果見表3。

3.2 煤與瓦斯突出的地質(zhì)影響因素

3.2.1 地質(zhì)構(gòu)造

平煤六礦采掘揭露的小斷層較發(fā)育，斷層周圍受構(gòu)造應(yīng)力場影響煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞，構(gòu)造煤發(fā)育，形成應(yīng)力集中區(qū)和高瓦斯賦存區(qū)。平煤六礦的突出均發(fā)生在丁組煤層的斷層附近或應(yīng)力異常帶，呈明顯條帶分布特征。地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存和突出都具有控制作用，構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)一般構(gòu)造煤發(fā)育顯著，瓦斯含量大，突出危險性大。

3.2.2 煤層厚度及變化

煤與瓦斯突出常發(fā)生在煤層厚度大和煤厚變化大的部位。丁5-6煤層煤厚變異系數(shù)為56.43%，最大瓦斯含量為7.93m3／t，對于煤與瓦斯突出作用顯著。厚煤有利于瓦斯的生成和賦存，煤厚變化反應(yīng)了瓦斯變化梯度，造成瓦斯的不均衡分布，有利于突出的發(fā)生。以丁5-6-22260工作面為例，2002年和2007年各發(fā)生一次突出事故，事故地點的煤層厚度都在3m以上且受褶皺構(gòu)造影響煤厚變化明顯。

表3 平煤六礦煤與瓦斯突出情況統(tǒng)計表

3.2.3 煤體結(jié)構(gòu)

受構(gòu)造應(yīng)力作用，煤的原生結(jié)構(gòu)遭受破壞后所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)稱為構(gòu)造結(jié)構(gòu)，突出煤層均具有構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征。在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的構(gòu)造煤與突出的發(fā)生有密切聯(lián)系。煤體結(jié)構(gòu)的破壞是構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果，構(gòu)造煤的破壞程度反映了構(gòu)造應(yīng)力的相對大小。地質(zhì)構(gòu)造展布在一定程度上控制著構(gòu)造煤的分布，構(gòu)造煤的分布不同程度地影響著瓦斯的分布。平煤六礦的突出均發(fā)生在斷層附近或動力異常帶，煤體在構(gòu)造應(yīng)力集中作用下受到擠壓破壞而形成構(gòu)造煤，結(jié)構(gòu)破壞類型為Ⅲ類，堅固性系數(shù)為 0.22～0.51， 瓦 斯 放 散 初 速 度 為 8.16～10.9ml／s，最大煤層瓦斯含量為7.93m3／t，突出地點構(gòu)造煤厚度均在3.5m左右，形成了有利于瓦斯突出的條件。

4 以瓦斯抽放為主的瓦斯綜合防治措施

4.1 基于瓦斯地質(zhì)規(guī)律的瓦斯抽放措施

平煤六礦的瓦斯賦存和突出具有一定的規(guī)律性。由于受李口向斜構(gòu)造影響，井田內(nèi)瓦斯隨埋深變化自南向北由低瓦斯區(qū)向高瓦斯區(qū)過渡；局部上，向斜軸部和NW向壓扭性斷層附近瓦斯聚集，瓦斯含量和涌出量較大。突出均發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶，呈條帶分布特征?；谕咚沟刭|(zhì)規(guī)律，平煤六礦采用分源立體瓦斯綜合抽放技術(shù)，以本煤層抽放為主，主要包括順層鉆孔預(yù)抽、煤巷條帶抽放、強化抽放等方法。

4.1.1 本煤層順層鉆孔預(yù)抽

平煤六礦現(xiàn)開采的丁組和戊組煤層圍巖有利于瓦斯賦存，對回采存在很大威脅。但丁組和戊組煤層可抽性良好，因此在回采工作面機巷、風(fēng)巷沿煤層傾向并垂直于煤壁布置一排瓦斯抽放鉆孔，保證鉆孔孔底交叉不少于10m，孔徑89～110mm，消除采面空白帶。丁5-6-22220采面瓦斯含量大，采用本煤層順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果顯著，主管道抽放濃度達到7%左右，抽放量在12000m3／d，采面瓦斯含量從7.32m3／t降至3m3／t以下，為安全回采提供了保障。

4.1.2 煤巷條帶抽放

平煤六礦總體瓦斯含量較大，局部分布不均勻，受小斷層影響大。在地質(zhì)異常帶，構(gòu)造煤發(fā)育顯著，瓦斯涌出量明顯增大，突出危險性大。因此，在掘進工作面每間隔40m施工兩排鉆孔進行煤巷條帶抽放，每排8個，沿巷道最大投影長度為60m，垂直于巷道最大投影長度為15m，經(jīng)效果檢驗合格后方可繼續(xù)掘進，保證了煤巷掘進的安全進行。

4.1.3 強化抽放

平煤六礦北部區(qū)域丁組、戊組煤層埋藏較深，局部受褶皺、小斷層等構(gòu)造影響，構(gòu)造煤發(fā)育，瓦斯含量大，煤層透氣性差，本煤層預(yù)抽瓦斯效果不明顯，采取煤層深孔聚能爆破、水力壓裂、水力割縫等技術(shù)增加煤層透氣性。煤層深孔聚能爆破增透技術(shù)在戊8-22310工作面進行試驗。

4.2 基于瓦斯地質(zhì)規(guī)律進行預(yù)測預(yù)警

對平煤六礦的瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究表明，地質(zhì)構(gòu)造是控制煤層瓦斯賦存和突出的主導(dǎo)因素。根據(jù)已開采區(qū)域確切掌握的煤層瓦斯賦存特征、地質(zhì)構(gòu)造條件、突出分布的規(guī)律和對預(yù)測區(qū)域煤層地質(zhì)構(gòu)造的探測、預(yù)測結(jié)果，采用瓦斯地質(zhì)分析的方法劃分出突出危險區(qū)域。除了基于瓦斯地質(zhì)規(guī)律的瓦斯預(yù)測，還需加強動態(tài)的瓦斯預(yù)警。平煤六礦采用KJ2000N型監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控井下瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、溫度、負壓、風(fēng)門及瓦斯抽放情況，隨時掌握井下瓦斯涌出情況，根據(jù)瓦斯預(yù)警提前發(fā)出預(yù)報，采取相應(yīng)措施以避免事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)平煤六礦煤層瓦斯賦存規(guī)律研究表明:地質(zhì)構(gòu)造和煤層埋深是控制瓦斯賦存的主要因素；向斜軸部、NW向壓扭性斷裂構(gòu)造有利于瓦斯富集；隨煤層埋深增加，井田范圍內(nèi)瓦斯含量自南向北呈遞增趨勢。

(2)平煤六礦煤與瓦斯突出地質(zhì)規(guī)律研究表明:小斷層或應(yīng)力異常帶、煤層煤厚大和煤厚變化大、構(gòu)造煤發(fā)育強烈部位易于發(fā)生煤與瓦斯突出，應(yīng)加強地質(zhì)預(yù)測和勘探，并采取相應(yīng)措施確保安全。

(3)在瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，提出分源立體瓦斯綜合抽放技術(shù)，采取順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯，加強煤巷條帶抽放消除掘進期間瓦斯，同時利用先進增透技術(shù)進行強化抽放，取得了較好效果；另外，瓦斯預(yù)測與動態(tài)瓦斯預(yù)警相結(jié)合對于預(yù)防瓦斯事故有重要作用。

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