水與瓦斯伴生災(zāi)害源探測分析及其預(yù)防

徐 翀,任 波,韓云春,張 寒

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室,安徽淮南 232000;2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實驗室,安徽淮南 232000)

水與瓦斯伴生災(zāi)害源探測分析及其預(yù)防

徐 翀1,2,任 波1,韓云春1,張 寒1

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室,安徽淮南 232000;2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實驗室,安徽淮南 232000)

為查明潘二煤礦灰?guī)r放水孔瓦斯噴孔事故原因,綜合運用井下物探、鉆探、示蹤試驗及瓦斯氣體組分測試4種技術(shù)手段,對潘二礦南一A組煤軌道上山下車場Gd1鉆場1號疏放水鉆孔噴孔瓦斯氣源、導(dǎo)氣通道、儲集空間、噴孔瓦斯成因模式及噴孔機理進(jìn)行了探測分析,結(jié)果表明:噴孔瓦斯來源于灰?guī)r底部煤線,通過灰?guī)r裂隙、溶隙、溶洞導(dǎo)通,在地下水力作用下匯集于早期的灰?guī)r溶洞、溶隙中,形成高壓游離瓦斯包,放水鉆孔觸及溶洞、溶隙空間卸壓,導(dǎo)致高壓游離瓦斯包噴孔。探索出一種以超前物探、“循環(huán)邁步,交叉前探”、動態(tài)補探相結(jié)合探測水與瓦斯伴生災(zāi)害源,防止誤揭灰?guī)r儲氣空間造成事故的新方法。

水與瓦斯;災(zāi)害源;灰?guī)r;瓦斯噴孔;探測分析;預(yù)防措施

潘二煤礦為煤與瓦斯突出礦井[1],其A組煤層為突出煤層,為保障工作面運輸巷道的安全掘進(jìn)、工作面瓦斯預(yù)抽以及水害防治,確保A組煤安全開采,在距離A1煤層底板15 m布置工作面底抽巷,在巷道中施工放水鉆孔和頂板預(yù)抽A組煤層瓦斯鉆孔。2009－06－26晚,在潘二礦南一A組煤軌道上山下車場Gd1鉆場施工1號疏放水鉆孔時發(fā)生嚴(yán)重瓦斯噴孔事故,噴出瓦斯?jié)舛冗_(dá)3.76%,累計噴出瓦斯量(折純CH4量)超過6 700 m3,嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)?；茨系V區(qū)歷史上首次出現(xiàn)巖石孔單孔瓦斯噴出量超過6 700 m3的問題,因此,查明噴孔瓦斯氣源、導(dǎo)氣通道、儲集空間,研究潘二礦灰?guī)r放水孔瓦斯噴孔成因及其預(yù)防措施,防止誤揭灰?guī)r儲氣空間造成事故,對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 瓦斯噴孔事故簡況

1.1 瓦斯噴孔地段地質(zhì)概況

潘二煤礦位于淮河北部,地處陶王背斜及其轉(zhuǎn)折端,走向長約12 km,傾斜寬2.5 km,面積35 km2[2]。此次放水孔瓦斯噴孔事故發(fā)生于潘集背斜北翼的南一采區(qū)A組煤準(zhǔn)備巷道(圖1),石門標(biāo)高－523.6 m。南一采區(qū)共3組10層煤可采,C組13煤、11煤可采, B組8煤、7煤、6煤、5煤和4煤可采,A組3煤、1煤可采。A組煤煤巖層走向為NWW向,傾角10°～13°,其中1煤層厚3.12～3.43 m,3煤層厚4.85～5.86 m,兩煤層間夾矸0.95～1.05 m,實測1煤、3煤混合瓦斯壓力1.75 MPa,瓦斯含量10 m3/t,均為突出煤層。1煤底板下約15 m往下發(fā)育有120 m厚的石灰?guī)r及砂巖、砂質(zhì)泥巖,其中灰?guī)r劃分13層,總厚50 m,一灰～五灰底部局部含煤線,厚0.1～1.1 m不等,三灰富水性較強。

圖1 瓦斯噴孔位置Fig.1 The position of gas-jet

淮南潘謝礦區(qū)首次在灰?guī)r承壓水上施工南一采區(qū)A組煤準(zhǔn)備巷道,已施工采區(qū)軌道上山及11223工作面底板放水巷(A組煤層底板抽采巷),已掘198 m軌道上山,未見斷層,層位正常。據(jù)B組煤層(4－1煤～10煤)開采過程中已揭露的地質(zhì)資料分析,該巷道東側(cè)法距67 m處發(fā)育有一條落差5～6 m的F10－3正斷層,西側(cè)發(fā)育一條落差為6 m的FX1正斷層(該斷層為底板放水孔實際揭露)。

1.2 瓦斯噴孔發(fā)生經(jīng)過

南一A組煤軌道上山下車場Gd1鉆場原設(shè)計施工2個放水鉆孔,設(shè)計鉆孔長度分別為1號孔120 m、2號孔122 m。先施工的2號孔終孔長度為122 m,出水量0.12 m3/h,有微量瓦斯涌出。2009－06－26晚在Gd1鉆場施工1號疏放水鉆孔,施工至35 m處出水,水量約0.9 m3/h,鉆進(jìn)至97.5 m處發(fā)生瓦斯噴孔(1號鉆孔終孔與2號鉆孔終孔最小距離約為18 m),當(dāng)晚23:12開始噴孔,T2探頭超限時間162 min,其中瓦斯?jié)舛却笥?.0%,時間41 min,最大值3.76%,至次日9:56,瓦斯恢復(fù)至正常掘進(jìn)期間濃度0.14%,但仍有水與瓦斯間歇噴出。此次瓦斯異常噴孔持續(xù)時間為644 min,累計噴出瓦斯量超過6 700 m3。

2 瓦斯噴孔因素探查與分析

2.1 A組煤底板灰?guī)r地質(zhì)異常綜合物探

地下賦存的煤(巖)體或地質(zhì)構(gòu)造基于其所具有的物理性質(zhì)、規(guī)模大小及所處的位置,都有相應(yīng)的物理現(xiàn)象反映,其電性、磁性、彈性等物理性質(zhì)差異為物探方法提供了良好的地質(zhì)－地球物理基礎(chǔ)[3],采用合適的儀器提取需要的信息便可進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)解釋。本次探查將采用三維電法[4－5]、瞬變電磁法[6－10]、地震波法[11－14]3種方法對軌道上山中心線兩邊30 m、垂深50 m范圍內(nèi)地質(zhì)異常情況進(jìn)行綜合探查。

結(jié)果顯示探查范圍內(nèi)A組煤底板灰?guī)r存在4個電阻異常區(qū)、3個地震異常區(qū)及1個瞬變異常區(qū)(圖2),地質(zhì)異常區(qū)主要在分布于巷道底板下15～20 m的二灰和三灰?guī)r層之間,沿軌道上山方位呈串珠狀展布。低阻異常區(qū)D1與1號鉆孔鉆探過程中出水位置一致,為巖層富水區(qū);D2,D3與D4均為高阻異常區(qū),D2為鉆孔瓦斯噴孔位置,受瓦斯噴出后水動力條件影響,D2阻值低于D3,D4;D3,D4高阻異常區(qū)可能聚集一定的氣體,為潛在的貯氣空腔。地震異常區(qū)Z1,Z2及Z3多發(fā)育于三灰?guī)r層,表明三灰?guī)r溶裂隙發(fā)育,具有小溶洞發(fā)育的可能性,為灰?guī)r水及瓦斯氣體提供了貯存空間,裂隙之間具有一定的連通性,為灰?guī)r水及瓦斯提供了導(dǎo)氣通道。瞬變異常區(qū)C1位于D3,Z3交匯處。

2.2 鉆探及示蹤試驗

2.2.1 鉆探驗證

針對綜合地球物理探測的結(jié)果,設(shè)計了相應(yīng)的井下鉆孔對物探結(jié)果進(jìn)行驗證,并設(shè)計了相應(yīng)的鉆孔進(jìn)行示蹤試驗以驗證井下地質(zhì)空間的聯(lián)通性。鉆孔設(shè)計及施工如圖2及表1所示。

圖2 南一A組煤底板灰?guī)r地質(zhì)異常探測結(jié)果剖面圖及鉆孔設(shè)計示意Fig.2 The geological anomaly detection results of the floor limestone in Group A and sketch map of drilling design

表1 鉆孔設(shè)計與施工統(tǒng)計Table 1 Statistics of drilling design and construction

1,2號孔為放水孔續(xù)探,1號孔為原放水孔從38 m處分岔前探至125 m處,鉆孔不返水,驗證為溶洞;2號孔為原放水孔自原終孔位置122 m處繼續(xù)鉆進(jìn)至158 m,無明顯異常。3號孔水量為0.3 m3/h,鉆至36 m處時測得孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?0%,在C35底板見一煤線(92.4～93.0 m)。4號孔為探測F10－3斷層沿一灰底板近水平鉆孔,施工過程中未出現(xiàn)瓦斯異常,也未出水。5號孔驗證D3高阻異常區(qū),異常區(qū)巖石破碎,有氣泡流出。6號孔驗證D3高阻異常區(qū),施工過程中出水,出水量為0.1 m3/h,出水時孔內(nèi)伴有瓦斯,現(xiàn)場實測0.7%以上。7號孔驗證4號高阻異常區(qū),施工過程中有氣泡涌出。驗證結(jié)果與物探結(jié)果基本一致,證實A組煤底板灰?guī)r裂隙發(fā)育,局部小溶洞發(fā)育,且A組煤底板灰?guī)r下局部有煤線發(fā)育。

2.2.2 示蹤試驗

為查明鉆孔導(dǎo)氣通道,選擇SF6作為示蹤氣體進(jìn)行示蹤試驗。SF6具有無毒無味、穩(wěn)定性高、物理活性大、檢出靈敏度高的優(yōu)點[15]。一般認(rèn)為釋放源量大于20 mL氣源,在漏風(fēng)匯收集到的SF6濃度中最大值＜l×10－9時,可認(rèn)為釋放源與漏風(fēng)匯之間幾乎不連通;最大值在l×10－9～15×10－9時,可認(rèn)為釋放源與漏風(fēng)匯之間具有連通;最大值＞15×10－9時,可認(rèn)為釋放源與漏風(fēng)匯之間具有較好的連通性[16]。

為了考察A1煤層與1號鉆孔導(dǎo)通性及A組煤底板巖溶聯(lián)通性,設(shè)計了3個實驗。

實驗1:9號孔施工完畢后立即注入SF6氣體,并在1號孔進(jìn)行5 h連續(xù)取樣化驗。

實驗2:4號孔施工完畢后立即注入SF6氣體,并在1號孔進(jìn)行9 h連續(xù)取樣化驗。

實驗3:3號孔施工完畢后立即注入SF6氣體,并在1號孔進(jìn)行6 h連續(xù)取樣化驗。

實驗測試結(jié)果如圖3所示。

實驗1測試段A1煤瓦斯含量約10 m3/t,9號示蹤孔向外涌出瓦斯較大,對SF6氣體擴(kuò)散起到阻礙作用,但測試過程中氣樣SF6濃度“幾乎沒有—急劇增大—逐漸減小”的變化趨勢明顯,涌出瓦斯并未從根本上影響測試結(jié)果。整個過程氣樣中SF6的濃度均小于1×10－9,亦可說明A1煤層與l號放水孔及9號孔所穿過區(qū)域?qū)ㄐ暂^差,幾乎不連通,無斷層帶通向1號放水孔。

圖3 SF6濃度隨時間的變化Fig.3 SF6 concentration varying with time

實驗2氣樣中SF6的最大濃度大于15×10－9,濃度“小—大—小”變化趨勢明顯,SF6濃度上升到峰值后濃度衰減快,表明A1煤煤層底板的灰?guī)r間連通性較好,且SF6氣體擴(kuò)散路徑較短,灰?guī)r之間就近連通,灰?guī)r間聯(lián)絡(luò)通道為氣體主要擴(kuò)散通道。

實驗3中3號孔施工完成后有一定出水現(xiàn)象,出水量0.3 m3/h,因水壓較大,封孔注入的SF6氣體被水頂出,共向3號孔注了3次SF6氣體。3號孔向外涌水,對SF6氣體向擴(kuò)散阻礙較大,取樣測試結(jié)果顯示,最大濃度大于1×10－9,亦可說明1號孔與3號孔之間有較好的導(dǎo)通性,3號孔取芯過程呈現(xiàn)的破碎情況,在一定程度上也證明了A1煤底板灰?guī)r間具有較好的連通性。1號孔瓦斯噴孔后期仍間斷向外噴出瓦斯,這些瓦斯只能是煤層解吸或周圍的灰?guī)r儲氣空間中的瓦斯通過這些導(dǎo)氣通過而來。

2.3 瓦斯氣源判別

在成煤作用過程中,成煤物質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化,揮發(fā)分和水含量減少,發(fā)熱量和固定碳含量增加,同時生成以甲烷為主的瓦斯氣體[17],而灰?guī)r的形成過程中一般不生成瓦斯氣體,因此,A1煤層及一灰～五灰的局部煤線均可能構(gòu)成瓦斯源。為準(zhǔn)確查明瓦斯氣體來源,采集放水孔瓦斯及A1煤層瓦斯共7個樣品,采用HP－6890氣相色譜串聯(lián)Finnigan MAT Delta+_XL質(zhì)譜儀相結(jié)合對樣品進(jìn)行了測試分析,測試結(jié)果見表2。由表2可見,樣品成分差異明顯,1,2,5,6號樣品CH4含量在45%～53%,O2含量均大于6.2%,CO2含量大于16.4%,而3,4,7號樣品CH4含量＞70%,O2含量均小于2.3%,CO2含量小于5.3%;樣品的同位素比值亦表現(xiàn)出相似的規(guī)律性,1,2,5,6號樣品在－25‰～－30‰,3,4號樣品在－45‰～－50‰,7號樣品稍大,比值超過－60‰。

表2 樣品測試分析結(jié)果Table 2 The test and analysis results of samples

綜合分析可知,1,2,5,6號瓦斯樣品為同一個來源或相似來源,其存在環(huán)境相近;3,4,7號瓦斯樣品(A1煤層瓦斯)來源為同一組(圖4)。噴出瓦斯與灰?guī)r瓦斯的主要成分及δ(13C)/δ(12C)相對比值的一致性,及其與A1煤瓦斯含量及δ(13C)/δ(12C)相對比值的差異性,說明造成灰?guī)r放水孔瓦斯噴孔的瓦斯氣源來自灰?guī)r煤系地層,系～灰?guī)r底部局部賦存0.1～0.4 m厚煤層產(chǎn)生,而非A1煤層產(chǎn)生。

圖4 樣品分析直方圖Fig.4 The histogram of sample analysis

3 噴孔瓦斯成因模式及噴孔機理

4 預(yù)防措施

(1)超前探測。在巷道掘進(jìn)過程中采用鉆孔和巷道綜合物探技術(shù)進(jìn)行連續(xù)跟蹤超前探測與預(yù)報。利用掘進(jìn)工作面施工的超前鉆孔進(jìn)行孔中電法探測,判定巷道前方地質(zhì)層位位置;利用孔中視電阻率剖面圈定超前鉆孔周圍的高電阻率值和低電阻率值異常區(qū)域,對前方掘進(jìn)地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測;利用巷道電磁法對巷道前方及后方底板下巖層高阻和低阻異常進(jìn)行判定,對掘進(jìn)前方的溶洞、溶隙發(fā)育和富水性進(jìn)行分析預(yù)報。

(2)循環(huán)邁步,交叉前探。仔細(xì)分析底抽巷掘進(jìn)前方的勘探資料,并結(jié)合最新的超前物探資料,采用“循環(huán)邁步,交叉前探”的層位及構(gòu)造探控方法,進(jìn)一步查明掘進(jìn)前方的地質(zhì)構(gòu)造情況,重點對地質(zhì)構(gòu)造及物探解釋的溶洞、溶隙及低阻異常區(qū)進(jìn)行探控,以便提前采取措施,保障安全生產(chǎn)。

(3)動態(tài)補探對。地質(zhì)異常地段采取停頭、施工瓦斯地質(zhì)前探孔等補探措施。

采用上述安全技術(shù)措施,1 800 m長的11223底抽巷順利貫通,未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

(2)灰?guī)r底部局部裂隙發(fā)育,裂隙、溶隙、溶洞形成良好的導(dǎo)氣通道,并為灰?guī)r瓦斯提供了聚集場所。

(3)灰?guī)r放水孔觸及高壓游離瓦斯包,巨大的壓差效應(yīng)導(dǎo)致瓦斯噴孔,圍巖裂隙空間水、瓦斯通過導(dǎo)通裂隙形成少量補給是瓦斯噴孔后期水與瓦斯間歇式噴出的原因。

(4)在巷道掘進(jìn)過程中采用鉆孔探測和巷道綜合物探技術(shù)對巷道前方進(jìn)行超前探測與“循環(huán)邁步,交叉前探”的層位及構(gòu)造探控方法對物探解釋的溶洞、溶隙及低阻異常區(qū)進(jìn)行驗證與探控,對瓦斯富集區(qū)實施抽采等措施,能有效預(yù)防巖層瓦斯噴孔,防止因誤揭灰?guī)r儲氣空間造成事故。

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Analysis on detection and prevention of disaster associated by water and gas

XU Chong1,2,REN Bo1,HAN Yun-chun1,ZHANG Han1

(1.State Key Laboratory of Deep Coal Mining&Environment Protection,Huainan Mining Industry(Group)Co.,Ltd.,Huainan 232000,China;2.National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection,Huainan Mining Industry(Group)Co.,Ltd.,Huainan 232000,China)

In order to ascertain the cause of the gas-jet in limestone relief hole in the second mine of Panji,Huainan coalfield,four technological methods were used to analyze the gas source of the gas from limestone relief hole,the guide channel of gas,the reservoir space of gas,the genetic model of gas and the preventive measures of gas-jet limestone relief hole in the second mine of Panji.The results show the gas is derived from the coal line under the limestone,contacted through fissure,solution crack and water-eroded cave of limestone where the gas collects in and forms free gas pocket with high-pressure under the action of groundwater.Relief hole cause the free gas pocket with high-pressure pressure relief,then lead gas-jet.The author developed a new approach to probe the disaster associated by water&gas and prevent the accident caused by mistaken exposing the gad space of limestone by geophysical prospecting ahead,“l(fā)oop move,cross exploration ahead”and dynamic supplementary probe.

water and gas;the source of disaster;limestone;gas-jet;detection and analysis;perventive measures

TD712;TD745

A

0253－9993(2014)04－0679－06

徐 翀,任 波,韓云春,等.水與瓦斯伴生災(zāi)害源探測分析及其預(yù)防[J].煤炭學(xué)報,2014,39(4):679－684.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0597

Xu Chong,Ren Bo,Han Yunchun,et al.Analysis on detection and prevention of disaster associated by water and gas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):679－684.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0597

2013－05－06 責(zé)任編輯:畢永華

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2012CB724206);國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF14B05)

徐 翀(1961—),男,安徽安慶人,高級工程師。Tel:0554－7627932,E－mail:2240225020@qq.com