義棠煤業(yè)局部瓦斯涌出異常原因分析

劉慧鵬

(長治三元吉安煤業(yè)， 山西 長治 046000)

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義棠煤業(yè)局部瓦斯涌出異常原因分析

劉慧鵬

(長治三元吉安煤業(yè)， 山西 長治 046000)

為了查找義棠煤業(yè)局部區(qū)域瓦斯涌出異常的原因，在分析煤層瓦斯參數(shù)和瓦斯涌出量的基礎(chǔ)上，針對煤層開采時影響瓦斯涌出的各種因素，分析了義棠煤業(yè)局部區(qū)域瓦斯異常涌出的原因，結(jié)果表明：異常涌出的瓦斯來源于9#煤層上覆的K2、K3、K4灰?guī)r裂隙，煤層開采時灰?guī)r裂隙瓦斯最大涌出量達(dá)3.36 m3/min，提出采取增加風(fēng)量、進(jìn)行圍巖注漿等措施，避免瓦斯異常涌出，確保礦井安全生產(chǎn)。

瓦斯異常涌出；瓦斯參數(shù)；瓦斯涌出量；灰?guī)r裂隙

我國是世界上煤礦瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，近年來隨著開采深度的進(jìn)一步加大，瓦斯問題越來越嚴(yán)重，部分瓦斯非突礦井正面臨著向高瓦斯突出礦井的升級[1]. 工作面回采發(fā)生瓦斯異常涌出時，處理不當(dāng)能引起礦井火災(zāi)甚至爆炸事故，因此，有必要對礦井回采過程中出現(xiàn)瓦斯異常涌出的原因進(jìn)行分析，采取合理的措施，保證礦井安全生產(chǎn)。

1 礦井及100402工作面概況

義棠煤業(yè)位于晉中盆地西南，西依呂梁山脈支脈銀錠山，批準(zhǔn)開采井田內(nèi)1#～11#煤層，生產(chǎn)能力1.80 Mt/a，現(xiàn)開采1#、2#、9#、10#煤層，井田面積17.726 3 km2. 井田內(nèi)主要含煤地層為上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，1#和2#煤層為山西組(上組煤)，9#和10#煤層為太原組(下組煤)。礦井采用斜井-立井開拓方式，一水平聯(lián)合開采1#和2#煤層，二水平同時開采9#和10#煤層，達(dá)產(chǎn)時布置1個長壁后退式綜放工作面。

100402工作面位于下組煤二水平的四盤區(qū)，東側(cè)為100401采空區(qū)，北側(cè)為100403備采工作面，南側(cè)和西側(cè)均為村莊保安煤柱線。100402工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤開采方法進(jìn)行回采，工作面長160 m，煤層傾角2°～6°，平均煤厚5.7 m，運(yùn)輸巷凈寬3.8 m，凈高2.7 m，凈斷面積10.26 m2；回風(fēng)巷凈寬4 m，凈高2.5 m，凈斷面積10 m2.

2 瓦斯涌出異常情況

義棠煤業(yè)歷年瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井。正常情況下，100402回采面回風(fēng)濃度為0.04%～0.46%，絕對瓦斯涌出量為0.31～1.00 m3/min，平均0.70 m3/min，但是在工作面推進(jìn)超過600 m后，工作面絕對瓦斯涌出量急劇增加，最大回風(fēng)濃度達(dá)1.1%，最大瓦斯涌出量高達(dá)4.36 m3/min，平均約為2.54 m3/min，增加了2.63倍(見圖1). 因此，義棠煤業(yè)100402工作面瓦斯涌出情況異常。

3 瓦斯涌出異常原因分析

影響瓦斯異常涌出的原因有：煤層瓦斯含量變化、煤層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造、大氣壓力變化、煤質(zhì)變化、頂?shù)装鍡l件變化等[2].

3.1 煤層厚度

經(jīng)研究，其他條件相同時，煤層厚度增大，瓦斯含量一般也增大，因此，煤層厚度會影響開采煤層時瓦斯的涌出量[3]. 根據(jù)100402工作面運(yùn)輸巷探煤鉆孔資料和掘進(jìn)資料(圖2)可知，100402工作面煤層賦存穩(wěn)定，瓦斯涌出異常區(qū)和正常區(qū)的煤層厚度均為5.2～6.5 m，煤質(zhì)為瘦煤。由圖1和100402工作面煤厚沿走向變化圖(圖2)對比可知，煤層厚度和瓦斯涌出量沒有明顯的線性相關(guān)性，說明煤層厚度不是影響100402工作面瓦斯異常涌出的主要因素。

圖1 100402回采工作面回風(fēng)瓦斯涌出量變化曲線圖

圖2 煤厚沿走向變化圖

3.2 大氣壓力

大氣壓力隨著氣溫的變化而變化，當(dāng)氣溫升高時大氣壓力下降，當(dāng)氣溫降低時大氣壓力上升[4]. 而地面大氣壓的變化與礦井瓦斯涌出有一定的關(guān)系[2]. 如果是大氣壓力變化的影響致使瓦斯異常涌出，在同時期回采的020703工作面也應(yīng)該發(fā)生類似情況，而在同時回采的020703工作面在相同的時期內(nèi)回風(fēng)濃度為0.07%～0.10%，瓦斯涌出量為0.26～0.47 m3/min，回風(fēng)濃度和瓦斯涌出量均比較穩(wěn)定，因此可以認(rèn)為大氣壓力不是引起100402工作面瓦斯異常涌出的原因。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造中的斷層破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯排放條件發(fā)生了變化。開放性斷層有利于瓦斯的排放；封閉性斷層對瓦斯的排放起阻擋作用[5]. 100402工作面范圍內(nèi)及周邊發(fā)現(xiàn)的斷層落差較小，目前在該工作面揭露的4個斷層均為開放性斷層，落差分別為10.5 m、1.1 m、1.5 m和5.5 m，延伸均不足百米，其中1個斷層(落差5.5 m)距離瓦斯異常涌出區(qū)域較近，其余3個斷層距離瓦斯異常涌出區(qū)域均在250 m以外，橫穿F7斷層的100402回采工作面在回采過程中接近斷層時，瓦斯涌出量最大達(dá)到3.97 m3/min，穿越斷層時，瓦斯涌出量為1.72～3.37 m3/min，遠(yuǎn)離斷層后涌出量為3.20～4.00 m3/min，平均為2.78 m3/min，基本與瓦斯異常涌出期間的平均量2.54 m3/min持平。100402工作面沒有發(fā)現(xiàn)褶皺和巖漿巖侵入。由此看來，地質(zhì)構(gòu)造不是引起瓦斯異常涌出的主因。

不同特性的生物保鮮劑對水產(chǎn)品的保鮮機(jī)理不盡相同。有些生物保鮮劑含有抗菌活性物質(zhì)[5]，如茶多酚、殼聚糖、雙歧桿菌、魚精蛋白和海藻酸鈉等，能夠抑制或殺死水產(chǎn)品中的腐敗菌，減緩TVB-N值的上升，保持水產(chǎn)品鮮度；有些生物保鮮劑具有抗氧化作用，防止水產(chǎn)品中不飽和脂肪酸等氧化造成品質(zhì)劣變[5]，如葡萄糖氧化酶、乳酸鏈球菌素和竹葉抗氧化物[6]等；還有些生物保鮮劑如茶多酚和植酸等能夠抑制酶的活性[5]，防止水產(chǎn)品的變色，保證良好的感官品質(zhì)。此外，像殼聚糖、谷氨酸胺轉(zhuǎn)氨酶和蜂膠等保鮮劑還可以在水產(chǎn)品表面形成一層保護(hù)膜，防止微生物侵染，并減少水分損失，保持水產(chǎn)品的品質(zhì)[2]。

3.4 瓦斯含量

瓦斯含量的變化也是引起瓦斯異常涌出的主要因素，經(jīng)實(shí)測，義棠煤業(yè)9#和10#煤層的瓦斯含量為0.31～0.96 m3/t.r，甲烷組分為2.89%～30.86%，說明義棠煤業(yè)9#和10#煤層處于瓦斯風(fēng)化帶。而義棠煤業(yè)瓦斯異常涌出區(qū)瓦斯含量為0.35～0.63 m3/t·r，在0.31～0.96 m3/t·r，瓦斯異常涌出區(qū)的含量沒有異常增大。說明瓦斯含量不是引起瓦斯異常涌出的因素。

3.5 開采技術(shù)因素

影響瓦斯涌出量的開采技術(shù)因素有：開采順序與回采方法、回采速度與產(chǎn)量、落煤工藝與基本頂來壓步距、通風(fēng)壓力與采空區(qū)封閉質(zhì)量、采場通風(fēng)系統(tǒng)。而100402工作面發(fā)生瓦斯異常涌出前后，該工作面的開采技術(shù)因素均沒有發(fā)生改變，由此可知，開采技術(shù)因素也不是引起100402工作面瓦斯異常涌出的原因。

3.6 頂?shù)装鍘r性

現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，在該工作面前600 m區(qū)域，9#煤層直接頂板K2石灰?guī)r裂隙不發(fā)育，而在異常涌出區(qū)域的K2頂板裂隙比較發(fā)育，裂隙寬度從幾毫米到10 cm不等，且裂隙相互連通。在這些裂隙發(fā)育區(qū)域，有大量瓦斯從這些裂隙中涌出，現(xiàn)場實(shí)測裂隙瓦斯?jié)舛冗_(dá)80%以上。這些裂隙的存在是否是引起瓦斯異常涌出的原因，下面做具體分析。

3.7 局部瓦斯異常涌出原因

綜上所述，煤層厚度、大氣壓力、瓦斯含量、開采技術(shù)和頂?shù)装鍘r性等因素均不是引起100402工作面瓦斯異常涌出的主要原因，研究認(rèn)為造成義棠煤業(yè)局部瓦斯異常涌出的主要原因?yàn)椋?/p>

1) 成煤過程中生成的大量瓦斯，在漫長的地質(zhì)史過程中，絕大部分瓦斯已經(jīng)逸散在古大氣中。煤層瓦斯在向古大氣逸散的過程中，遇到煤層上覆的沉積環(huán)境和時期相同的K2、K3、K4灰?guī)r，K2、K3、K4巖層節(jié)理發(fā)育，這就使得它們保持有豐富的體腔空隙，并且，這些灰?guī)r局部存在大量裂隙且相互溝通，處于游離狀態(tài)的瓦斯易儲存在這些裂隙、體腔空隙和局部發(fā)育的巖溶內(nèi)。因此，可以推斷，這3層灰?guī)r在局部地區(qū)均存在裂隙發(fā)育區(qū)域，K2、K3、K4灰?guī)r充當(dāng)了瓦斯儲集層的角色。

2) 受地質(zhì)運(yùn)動的影響，K2石灰?guī)r及其上部的K3、K4灰?guī)r節(jié)理發(fā)育，富含燧石結(jié)核、條帶及海相動物化石，質(zhì)堅性脆，這樣的巖性透氣性較好，利于9#和10#煤層瓦斯的逸散。但在K2、K3、K4灰?guī)r上部，即在太原組上段為灰～灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖和灰色中細(xì)粒砂巖，這些致密的巖層，將灰?guī)r裂隙中的瓦斯封存起來，這為在采掘過程中局部區(qū)域異常涌出的瓦斯提供了來源。

在煤層與灰?guī)r之間，一般夾泥巖或炭質(zhì)泥巖，這些泥巖和炭質(zhì)泥巖具有結(jié)構(gòu)致密、透氣性差的特點(diǎn)。在煤巖體沉積過程中，結(jié)構(gòu)致密、透氣性差的泥巖和炭質(zhì)泥巖隔斷了煤層與上覆砂巖之間的聯(lián)系。正常情況下，煤層透氣性要遠(yuǎn)大于灰?guī)r的透氣性，因此，煤層瓦斯較灰?guī)r瓦斯更易放散。在煤層瓦斯受地質(zhì)運(yùn)動等因素影響而逐漸減小時，灰?guī)r瓦斯得以更好地保存。這也是局部瓦斯異常涌出的重要原因之一。

3) 孔隙與裂隙發(fā)育的砂巖、礫巖和石灰?guī)r的透氣系數(shù)非常大，一般比致密而裂隙不發(fā)育的頁巖、泥巖等巖石透氣系數(shù)高出千倍以上。由于上覆于9#煤層之上的K2、K3、K4灰?guī)r充當(dāng)了瓦斯的儲集層，當(dāng)9#煤層采場周圍的巖體連續(xù)受到采動影響而充分卸壓時，圍巖中所含的瓦斯就會沿著K2灰?guī)r的裂隙涌入采掘空間，造成局部瓦斯涌出增大。

4 結(jié) 論

通過井下現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室測定瓦斯參數(shù)和理論分析等，綜合分析得出了義棠煤業(yè)局部瓦斯異常涌出的主要原因：儲存于9#煤層的上覆K2、K3、K4灰?guī)r瓦斯，當(dāng)9#煤層采場周圍的巖體受采動影響充分卸壓時，就會沿著裂隙涌入采掘空間，造成局部瓦斯涌出增大。

為了保證安全生產(chǎn)，建議礦井采用下列措施避免瓦斯異常涌出：通過增加風(fēng)量或減小局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)距離等方法，降低裂隙處的瓦斯?jié)舛?；進(jìn)行巷道圍巖注漿，改變圍巖中裂隙性質(zhì)，使圍巖成為致密的巖體，既封閉了巖體，防止瓦斯向工作空間涌出，又增加了圍巖強(qiáng)度；向K2灰?guī)r施工超前預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽灰?guī)r里的瓦斯。

[1] 于 紅，王公忠.低瓦斯礦井瓦斯涌出異常原因分析[J].煤礦技術(shù)，2010，29(6)：120-123.

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:36.

[3] 李中州.煤厚變化對煤與瓦斯突出危險性的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(9)：65-67.

[4] 劉 波.大氣壓力對采掘工作面瓦斯涌出的影響及防治措施[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2011(8)：38-39.

[5] 程功林，李 垚.瓦斯地質(zhì)[M].北京，煤炭工業(yè)出版社，2009:43.

[6] 于不凡. 煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊[M].北京，煤炭工業(yè)出版社，2005:49．

Analysis of Abnormal Gas Emission in Yitang Coal Mine

LIU Huipeng

In order to find out the cause of gas emission abnormally in Yitang coalmine, based on the analysis of coal seam gas parameters and gas emission volume, the factors influencing gas emission during mining is analyzed. The results show that the abnormal gas emission comes from the K2, K3, K4limestone fissures overlying the No.9 coal seam, with the maximum emission of 3.36 m3/min. The measures such as increasing the volume of ventilation, the surrounding rock grouting are proposed, to avoid abnormal gas emission and ensure coalmine safety in production.

Abnormal gas emission; Cause of abnormal emission; Gas emission quantity

2016-07-12

劉慧鵬(1986—)，男，山西長治人，2013年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，研究生，助理工程師，主要從事煤礦“一通三防”相關(guān)工作(E-mail)liuhuipeng1226@163.com

TD712

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1672-0652(2016)08-0053-04