石沖子煤礦煤與瓦斯突出成因分析及防治對策

李朝興(湖南省冷水江市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，湖南 冷水江 417500)

石沖子煤礦煤與瓦斯突出成因分析及防治對策

李朝興(湖南省冷水江市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，湖南 冷水江 417500)

通過相關(guān)鑒定資料與實(shí)際生產(chǎn)過程揭落的地質(zhì)、煤層情況,分析出該礦瓦斯突出現(xiàn)象發(fā)生的原因是:地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主采煤層斷層達(dá)到6條、部分褶曲構(gòu)造比較發(fā)育,頂?shù)装寰鶠樘假|(zhì)泥巖形成相對封閉的結(jié)構(gòu),造成該水平煤層瓦斯自然釋放率低,煤層內(nèi)的瓦斯含量高、壓力大，Ⅳ煤層相對突出危險性較大。通過實(shí)踐總結(jié)，提出相應(yīng)的綜合防治對策，防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

瓦斯突出； 成因； 對策

1 前言

煤層在形成過程中大量的瓦斯氣體以固體或游離兩種狀態(tài)附著在煤層中。蘊(yùn)藏于煤礦井下煤層或頂?shù)装逯械耐咚?，在極短的時間內(nèi)從巷道掘進(jìn)工作面或采煤工作面突然沖出，造成人員傷亡、設(shè)備設(shè)施損壞所引起的災(zāi)害，稱瓦斯突出。煤與瓦斯突出長期以來是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)面臨的主要災(zāi)害之一,湖南省煤炭賦存條件復(fù)雜，造成煤與瓦斯突出危害在全國屬重災(zāi)區(qū)。隨著礦井技改擴(kuò)能提升產(chǎn)量，開采深度逐年增加造成地應(yīng)力增大,煤與瓦斯突出的風(fēng)險增大。2005～2010年，湖南省安委辦對鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤與瓦斯突出礦井強(qiáng)制安裝地面瓦斯抽放系統(tǒng)，嚴(yán)格落實(shí)“四位一體”的綜合防突措施，技術(shù)指導(dǎo)推廣高低能瓦斯抽放發(fā)電，對防范煤與瓦斯突出起到了重要作用。從實(shí)際出發(fā)，對相同井田同一煤層煤瓦斯突出的成因分析總結(jié)，制訂符合實(shí)際的“一礦一策”綜合防治措施,預(yù)防煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

2 石沖子煤礦基本概況

石沖子煤礦位于湖南省婁底市雙峰縣蛇形山鎮(zhèn)境內(nèi)。礦井始建于1995年，2009年整合后設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為9萬t/a。礦井采用斜井單水平開拓,井田內(nèi)含煤6層，可采煤層為Ⅰ、Ⅲ、Ⅲ中、Ⅳ煤層，主采煤層為Ⅳ煤層。井田走向近東西，傾向北。井田面積0.631 2km2，地面主

井口標(biāo)高為+137.32m,生產(chǎn)水平為-180m水平,分東西兩翼,劃分為-60、-120m和-180m 3個區(qū)段。Ⅳ煤層呈單斜構(gòu)造，傾向北，存在煤層倒轉(zhuǎn)，平均厚2.15m。礦井采用中央對角式通風(fēng)方式，主、副井為進(jìn)風(fēng)，東、西2個風(fēng)井回風(fēng)，2個風(fēng)井各安裝了2臺型號為YBK56- Ⅱ- 4- №12軸流式風(fēng)機(jī)，配套電機(jī)功率為45kW。礦井總進(jìn)風(fēng)量1 982m3/min，其中主井進(jìn)風(fēng)1 320m3/min，副井進(jìn)風(fēng)642m3/min;總回風(fēng)量2 046m3/min,其中西風(fēng)井回風(fēng)1 360m3/min，東風(fēng)井回風(fēng)686m3/min。2013年鑒定礦井相對瓦斯涌出量為43.25m3/t,絕對瓦斯涌出量為4.56m3/min,-180m水平的IV原始煤層瓦斯壓力為2.29MPa，該礦屬煤與瓦斯突出礦井。

從2007～2014年石沖子煤礦發(fā)生多次煤與瓦斯突出現(xiàn)象，其中有記錄可查的有3次，見表1。

表1 2007～2014年石沖子煤礦煤與瓦斯突出情況

3 煤與瓦斯突出原因分析

分析石沖子煤礦-180m水平影響煤與瓦斯突出的相關(guān)因素如下。

(1)煤層厚度及煤質(zhì)影響。煤層厚度變化狀況反應(yīng)了煤形成過程中地應(yīng)力對煤層的相對作用力大小。通過-180m水平地質(zhì)探煤鉆孔資料、剖面圖、-120m和180m水平揭落Ⅳ煤層，煤厚1.5～6.0m，煤層傾角15°～32°，煤層傾角變化較大，Ⅳ煤層呈單斜構(gòu)造，傾向北，所處地段煤層倒轉(zhuǎn)變厚,顯示該水平受到水平地應(yīng)力擠壓作用較大。煤質(zhì)上部部分為光亮型寬條帶狀半塊煤，下部均為粉末煤,本煤層為低硫、低磷、低灰份、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)無煙煤，取實(shí)煤測定Ⅳ煤層堅(jiān)固性系數(shù)僅為0.17，小于煤與瓦斯突出堅(jiān)固系數(shù)臨界值0.5。

(2)地質(zhì)構(gòu)造影響。該水平特點(diǎn)是斷層多、褶曲構(gòu)造比較發(fā)育,頂?shù)装寰鶠槟鄮r。直接頂：碳質(zhì)泥巖,厚3.0m，灰黑色、薄層狀，層面平整光滑，節(jié)理不發(fā)育，不易垮落。直接底：砂質(zhì)泥巖，厚4.0m，灰黑色，薄層狀，節(jié)理發(fā)育，夾一煤線。石沖子礦處于蛇形山背斜的北翼，根據(jù)大巷、風(fēng)巷所揭露的地質(zhì)資料分析，其中落差大于采高或等于采高的斷層有6條，分別是FB、FF、FI、F2、F3、F4斷層，見表2，斷層、褶曲、低透氣性泥巖這3種地質(zhì)情況對煤層中瓦斯氣體的保存起到了重要作用，造成該水平瓦斯突出威脅嚴(yán)重。

大量褶曲構(gòu)造的存在,說明該水平地應(yīng)力較大,而地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用,是導(dǎo)致瓦斯突出的主要原因。頂?shù)装寰鶠槟鄮r,在巷道掘進(jìn)過程中, 由于泥巖堅(jiān)硬、致密、透氣性差, 具有良好的封閉性,所產(chǎn)生的封閉結(jié)構(gòu),很好地保存了該水平內(nèi)煤層生成的瓦斯,從而造成了該區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量高、壓力大。

表2 斷層情況表

注：表中斷層性質(zhì)都為正斷層。

(3)瓦斯含量、壓力、透氣性影響。-180m水平Ⅳ煤層經(jīng)鑒定與取樣實(shí)測，得出煤層瓦斯含量28.26～46.11m3/t,壓力1.6～2.53MPa(壓力臨界值標(biāo)準(zhǔn)<0.73MPa),煤層透氣性系數(shù)0.64m2/(MPa2·d)，透氣性差,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為 0.135 1(d-1)(d為鉆孔后天數(shù))，流量衰減較快，綜合決定該煤層突出指數(shù)高。-180m水平西二石門自2013年2月開門掘進(jìn)實(shí)施第一次長探，發(fā)現(xiàn)該處煤層變厚達(dá)5.0m，8月21日，布置12個炮眼，孔深3.5～8.5m，放出班炮，揭開了Ⅳ煤層，揭露煤層面積約3.3m2。采用MD- 2與WTC儀，實(shí)測Ⅳ煤層參數(shù)，確定有煤與瓦斯突出危險，參數(shù)見表3。

表3 Ⅳ煤層參數(shù)

注：K1為突出預(yù)測指標(biāo)臨界值。

4 煤與瓦斯突出防治對策

通過對石沖子煤礦-180m水平Ⅳ煤層賦存、煤質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量、瓦斯壓力、透氣性的分析,為防止煤與瓦斯突出事故的再次發(fā)生,提出如下對策措施。

(1)礦井開采的Ⅳ煤層具有煤與瓦斯突出危險性，按照煤與瓦斯突出防治“四位一體” 的原則,采取區(qū)域性綜合防突措施為主、局部防突措施補(bǔ)充的原則。揭煤、過煤門施工過程中，采取管道預(yù)抽與打超前排放孔，消除工作面的突出危險性。

(2)對總回風(fēng)巷、區(qū)段進(jìn)回風(fēng)巷進(jìn)行清理擴(kuò)大斷面，完善通風(fēng)設(shè)施，提高單位通風(fēng)效率。補(bǔ)充巖巷掘進(jìn)實(shí)行分區(qū)通風(fēng)，確保石門揭煤有專用回風(fēng)通道。

(3)完善現(xiàn)有地面2BEA- 203- 0水環(huán)式真空瓦斯抽放泵，新增低負(fù)壓高流量抽放泵、瓦斯發(fā)電設(shè)備，將煤層中賦存或釋放的瓦斯抽送到地面瓦斯發(fā)電機(jī)組。降低煤層中原有瓦斯含量和瓦斯壓力，消除突出威脅。

(4)因煤與瓦斯突出與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，該礦所處井田地質(zhì)變化大，應(yīng)安排專職地質(zhì)工程師負(fù)責(zé)地質(zhì)構(gòu)造分析、實(shí)測、總結(jié)。

(5)通過參考鑒定報告與揭落煤層實(shí)際測定，-180m水平Ⅳ煤層的上鄰近煤層Ⅲ中煤層突出危險小于Ⅳ煤層，間距適合作為上保護(hù)層開采，但Ⅲ中煤層屬薄煤層，均厚0.8～1.2m，開采難、效益低，建議首先進(jìn)行保護(hù)層開采。

(6)加強(qiáng)管理制度規(guī)范。嚴(yán)格按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》編寫，并且先施工后編制作業(yè)規(guī)程和揭煤安全技術(shù)措施，職責(zé)分工要明確，搞好安全培訓(xùn)教育，認(rèn)真組織貫徹學(xué)習(xí)作業(yè)規(guī)程、揭煤措施。

5 結(jié)語

通過對石沖子煤礦-180m水平Ⅳ煤層賦存、煤質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯含量、瓦斯壓力、透氣性的分析,實(shí)際測定已揭落煤層基本參數(shù)，得出-180m水平Ⅳ煤層突出危險性嚴(yán)重，提出防止Ⅳ煤層突出現(xiàn)象發(fā)生的6條對策。針對上鄰近煤層Ⅲ中煤層的分析、測定確定該煤層可以考慮作為Ⅳ煤層的保護(hù)層開采。

[1] 閆江偉，張小兵，張子敏.煤與瓦斯突出地質(zhì)控制機(jī)理探討[J].煤炭學(xué)報， 2013，38(7):1174-1178.

[2] 劉博文，王大尉，李華杰，舒龍勇.基于層次分析法的煤與瓦斯突出指標(biāo)研究[J].煤炭工程， 2013，45(4):77-79.

[3] 蘇振漢.浦溪井煤與瓦斯突出分析及防治措施[J].煤礦安全， 1998，29(5):31-33.

[4] 張懷民, 郭 杰.煤與瓦斯突出礦井掘進(jìn)工作面過斷層分析[J].煤炭技術(shù)， 2012，31(8):94-96.

[5] 黃旭超,孫東玲.我國煤礦煤與瓦斯突出現(xiàn)狀及預(yù)警技術(shù)的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2011，39(7)：61-63，69.

[6] 郭德勇,韓德馨.地質(zhì)構(gòu)造控制煤和瓦斯突出作用類型研究[J].煤炭學(xué)報，1998，23(4)：337-341.

[7] 賈 炳,倪小明.不同煤體結(jié)構(gòu)組合的煤與瓦斯突出臨界瓦斯壓力[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2012，40(11).

Cause analysis and countermeasures of coal and gas outburst in Shichongzi Coal Mine

According to the related identification information and the situation of geology and coal seam uncovered in production, it was concluded by analysis that the cause of coal and gas outburst were the complex geological structure, six faults in main mining coal seam, part of the folded structure development, roof and floor forming a relatively closed structure by carbargillite, which made low gas natural release rate, high gas content and pressure in the coal seam. So IV coal seam has high danger of outburst. Through the summarization of practice, the countermeasures were proposed to prevent coal and gas outburst.

gas outburst; cause; countermeasure

TD713.4

B

李朝興(1981-)，男，湖南冷水江人，采礦工程師，從事安全管理與瓦斯防治研究工作。