某礦區(qū)瓦斯地質(zhì)與瓦斯防治方案探析

楊太強(qiáng)

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

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某礦區(qū)瓦斯地質(zhì)與瓦斯防治方案探析

楊太強(qiáng)

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

通過(guò)井田瓦斯地質(zhì)資料,分析了構(gòu)造演化、地質(zhì)構(gòu)造、煤系地層巖性、煤層埋深與煤層厚度對(duì)瓦斯賦存產(chǎn)生的作用。研究表明,構(gòu)造演化是影響區(qū)域瓦斯賦存的首要因素,在井田內(nèi),隨著煤層埋藏深度的增加,煤層瓦斯含量逐漸升高,并且是影響瓦斯賦存的主控因素,地質(zhì)構(gòu)造、煤系地層巖性同樣發(fā)揮著重要作用。在某礦的瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)上根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》探析了某礦的瓦斯地質(zhì)問(wèn)題,并探討了安全生產(chǎn)中應(yīng)注意的問(wèn)題。

地質(zhì)構(gòu)造;瓦斯賦存;瓦斯含量;瓦斯涌出量;瓦斯防治

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

某礦業(yè)公司井田位于暴雨山井田西南端,走向長(zhǎng)約4.0km,南北寬0.95～1.50km,面積約4.81km2,井田范圍西以F44、F42斷層為界,南部以二1煤露頭、F63斷層和+200二1煤底板等高線(xiàn)為界,東以15勘探線(xiàn)為界,北以-200二1煤底板等高線(xiàn)為界,鄰近暴雨山礦。主采煤層為單一煤層二1煤層。截至2010年年底資源儲(chǔ)量1 747.8萬(wàn)噸,可采儲(chǔ)量1 004.3萬(wàn)噸,服務(wù)年限15年。

1.2 地質(zhì)特征

某礦業(yè)公司井田是一單斜構(gòu)造,為箕山背斜之北翼,走向近東西,向北傾斜。根據(jù)地質(zhì)資料知:此井田內(nèi)發(fā)育5條斷層,落差均大于20m,均為高角度正斷層,分別為F42紙坊斷層、F44臥單山斷層、F61盆窯斷層、F63紙坊泉斷層、F41大寺溝斷層等,并且落差大于20m的斷層均分布于井田邊界處,產(chǎn)生影響的褶曲為受紙坊斷層牽引產(chǎn)生紙坊背斜。各斷層特征見(jiàn)表1。

表1 礦井主要斷層(落差大于10 m的斷層)

紙坊背斜位于井田西界F42斷層北東側(cè),軸向近東西向,向西傾伏,燕山期F42斷層繼承復(fù)活時(shí)通過(guò)左旋牽引形成。南翼殘缺,北翼較完整。于紙坊附近活動(dòng)最強(qiáng)烈,涉及煤層主要為柔性煤系地層,牽引作用在核部寒武系的剛性灰?guī)r并不表現(xiàn),南翼地層走向288°,傾向南西,傾角20°～34°,北翼地層走向258°,傾向北西,傾角約18°。

根據(jù)某省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)三維地震勘探資料可知,其中大于1 000m的斷層1條:F42(紙坊斷層);大于等于50m小于100m的斷層1條(SF3);大于等于20m小于50m的斷層4條(SF5、SF18、F7、F18);大于等于10m小于20m的斷層6條(SF6、SF7、SF17、SF18、SF21、F4);大于等于5m小于10m的斷層4條(SF8、SF9、SF13、SF14);小于5m的斷層11條(SF1、SF2、SF10、SF11、SF12、SF16、SF19、SF20、SF22、SF23、SF24)。三維地震勘探前后,二1煤層底板形態(tài)變化不大,三維地震勘探前二1煤層底板形態(tài)是由30多個(gè)鉆孔控制的,其形態(tài)為一走向北東傾向北西單斜,煤層傾角17°左右。而三維地震勘探后二1煤層底板形態(tài)大致為一走向北東傾向北西單斜,只是通過(guò)三維地震勘探其控制更精細(xì),控制了一個(gè)次級(jí)褶曲形態(tài),煤層傾角17°～29°。

三維地震勘探前后斷層變化較大,勘探前,區(qū)內(nèi)二1煤層發(fā)育的斷層僅有6條?？碧胶?共解釋錯(cuò)斷二1煤層的斷層27條,其中新發(fā)現(xiàn)斷層23條,修改原有斷層4條(F4、F7、F18、F42)。由于臥單山斷層向西移出三維地震勘探區(qū),所以未能控制。井田斷層主要為正斷層,其主要特征為:斷層類(lèi)型主要是北東向高角度正斷層,分布于深部,控制井田邊界的斷層規(guī)模較大,含煤地層中出露斷層規(guī)模較小,落差30m左右,斷層主要為燕山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物,擁有較為清晰的斷層組合,由老至新主要分東西組、北東組、北西組三組。影響某礦的斷層有紙坊斷層、臥單山斷層和大寺溝斷層三斷層。

(1)煤層及頂?shù)装逄匦?井田一含煤地層屬石炭、二疊系。從老到新,依次為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組,總厚度為624.11m,共含煤9組,計(jì)41層。煤層總厚11.34m,含煤系數(shù)為1.81%。二1煤層為主采煤層,基本上全區(qū)可進(jìn)行開(kāi)采,其余局部或大部可采煤層有七2、五3、四3、二12、二2、一7、一1等,井田二主采單一煤層二1煤層。

二1煤層位于山西組下部,賦存在大占砂巖和老君堂砂巖之間,上距香炭砂巖28.09m,下距L7灰?guī)r26m左右,穿過(guò)層位點(diǎn)30個(gè),見(jiàn)煤點(diǎn)28個(gè),可采點(diǎn)25個(gè),可采含煤率88%,煤厚0～12.78m,平均3.5m,煤層可采性指數(shù)為0.94,變異指數(shù)30%。

煤層直接頂板巖性由泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖組成,部分為中、細(xì)粒砂巖;煤層直接底板為泥巖或粉砂巖,間接底板為細(xì)、中粒砂巖。煤層傾角16°～34°,平均22°。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,局部見(jiàn)煤點(diǎn)含夾矸1～6層,大多數(shù)見(jiàn)煤點(diǎn)僅含一層夾矸,巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。

(2)煤層開(kāi)采技術(shù)條件 某公司礦井是某礦唯一一對(duì)煤與瓦斯突出礦井,2010年礦井相對(duì)瓦斯涌出量16.4m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量6.37m3/min。統(tǒng)計(jì)1994—2010年歷年瓦斯鑒定結(jié)果,其中瓦斯等級(jí)鑒定為高瓦斯的年份分別為1994、1997、1998、1999、2000、2006六年,鑒定為突出瓦斯礦井的為2007、2008、2009、2010四年。

同時(shí)對(duì)瓦斯、煤層、自燃發(fā)火情況、水害和低溫作出了分析鑒定。根據(jù)某公司煤塵爆炸性鑒定,所采二1煤層煤塵爆炸指數(shù)為20.02%,具有煤塵爆炸性,二1煤自燃等級(jí)為Ⅲ類(lèi),屬不易自燃級(jí)別。隨著開(kāi)采深度不斷加深,某礦業(yè)公司主要水害類(lèi)型為頂板砂巖水、老空水及煤層底板灰?guī)r承壓水。該井田二1煤層直接充水含水層為山西組砂巖和太原群上段灰?guī)r,發(fā)育較弱的巖溶裂隙,大氣降水為主要補(bǔ)給水源,富水性較小,鉆孔抽水試驗(yàn),單位涌水量約小于0.1L/(m·s),公司井田水文地質(zhì)條件中等?，F(xiàn)階段正常涌水量200m3/h,最大涌水量275m3/h。該礦區(qū)屬地溫正常區(qū),無(wú)熱害現(xiàn)象。

2 礦井瓦斯賦存狀況及規(guī)律

2.1 煤與瓦斯突出鑒定及區(qū)域劃分

某礦二1煤層可根據(jù)井田瓦斯地質(zhì)條件劃分為3個(gè)瓦斯地質(zhì)單元,以瓦斯含量8m3/t和動(dòng)力顯現(xiàn)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系作為區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo),凡瓦斯含量低于8m3/t區(qū)域?yàn)闊o(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域,瓦斯含量大于8m3/t并且具有動(dòng)力顯現(xiàn)區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)域。單元Ⅰ:二1煤層-128m標(biāo)高以上為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域,-128m標(biāo)高以下為突出危險(xiǎn)區(qū)域;單元Ⅱ:標(biāo)高范圍+120m以上為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域,標(biāo)高值+120～+60m為突出危險(xiǎn)區(qū)域,標(biāo)高+60～-73m為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域,標(biāo)高-73m以下的為突出危險(xiǎn)區(qū)域;單位Ⅲ:全部突出危險(xiǎn)區(qū)域。按實(shí)際勘探結(jié)果與安全生產(chǎn)需要,某礦西翼-70m標(biāo)高以上按無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域生產(chǎn)管理。突出區(qū)域劃分如表2所列。

2.2 瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)情況

按照《某礦業(yè)有限公司 二1煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究報(bào)告》、《某礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律及瓦斯綜合治理技術(shù)研究課題報(bào)告》和《某公司二1煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定報(bào)告》,所測(cè)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)如表3、表4所列。

表2 突出區(qū)域劃分列表

表3 瓦斯基本參數(shù)實(shí)測(cè)及參考值

表4 礦井瓦斯壓力及含量

2.3 煤層瓦斯賦存狀況及規(guī)律

(1)瓦斯含量與煤層埋藏深度關(guān)系 隨著煤層埋藏深度的增加煤層瓦斯含量逐漸升高,但由于受井田內(nèi)瓦斯地質(zhì)條件影響與控制,瓦斯含量增減幅度存在差異。14勘探線(xiàn)西側(cè)為瓦斯含量中常區(qū),瓦斯含量為3.19～10.71m3/t;平均垂深每增加100m,瓦斯增量為2.53m3/t。介于14～18勘探線(xiàn)之間區(qū)域?yàn)橥咚垢患瘏^(qū),瓦斯含量2.23～12.75m3/t;平均垂深每增加100m,瓦斯增量為5.88m3/t。18勘探線(xiàn)東側(cè)為瓦斯放散區(qū)域,瓦斯含量0～5.49m3/t;平均垂深每增加100m,瓦斯增量為1.36m3/t。

(2)瓦斯分帶 某礦二1煤層露頭至煤層深部依次為瓦斯風(fēng)化帶與瓦斯帶。分帶方向總體和煤層走向平行或斜交。但在近15勘探線(xiàn)區(qū)域,瓦斯成分含量較高,無(wú)瓦斯風(fēng)化帶。總體瓦斯風(fēng)化帶處在煤層底板標(biāo)高+100m以上,CH4成分小于80%,含量在4.00m3/t以下;標(biāo)高+100m以下屬于瓦斯帶,CH4成分大于80%,含量4～12.7m3/t。

(3)瓦斯含量與煤層厚度關(guān)系 往往在同一深度和地質(zhì)條件下,若煤層厚度大,則有利于瓦斯生成與儲(chǔ)存,瓦斯含量較高。反之,相同條件下煤層厚度越小,瓦斯含量越低。但在14～18勘探線(xiàn)之間的瓦斯富集區(qū)仍存在一些反?，F(xiàn)象。煤層瓦斯含量與煤層厚度關(guān)系如表5所列。

表5 二1煤層瓦斯含量與煤層厚度的關(guān)系

2.4 煤與瓦斯突出情況

2004年10月以來(lái),二1煤層?xùn)|翼煤巷掘進(jìn)過(guò)程中,發(fā)生過(guò)2次瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象和數(shù)次噴孔、響煤炮等動(dòng)力顯現(xiàn)。瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象于2004年10月16日發(fā)生在某礦井田標(biāo)高+102.1m,巷道傾角18°～20°處,此處處在某礦東翼11140運(yùn)輸上山距11140機(jī)巷口約54m。壓出煤量13t左右,巷內(nèi)2.4m巷道大部分被煤體充填,瓦斯涌出量達(dá)500m3,噸煤瓦斯含量為38.4m3/t。煤與瓦斯突出統(tǒng)計(jì)如表6所列。

2.5 礦井區(qū)域瓦斯治理現(xiàn)狀

近年來(lái),某礦業(yè)公司為提高區(qū)域瓦斯治理水平,保證礦業(yè)安全生產(chǎn),嚴(yán)格遵循《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》相關(guān)原則,堅(jiān)持“區(qū)域措施先行,局部措施補(bǔ)充”,優(yōu)先采用保護(hù)層開(kāi)采區(qū)域防突措施,圈定了二1-11090、二1-11070兩個(gè)保護(hù)層工作面。

表6 煤與瓦斯突出統(tǒng)計(jì)表

在二1煤-11170機(jī)、風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中順層鉆孔、預(yù)抽采面回采區(qū)域煤層瓦斯。兩巷掘進(jìn)過(guò)程中,向采面施工順層預(yù)抽鉆孔,抽放鉆孔每3m布置一排,機(jī)巷設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔孔深不低于70m,風(fēng)巷設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔孔深不低于50m,鉆孔實(shí)現(xiàn)交叉10m,采面兩巷設(shè)計(jì)中本煤層順層鉆孔300個(gè),本煤層瓦斯使用地面瓦斯抽放泵站抽放。

3 瓦斯治理方案

礦山開(kāi)發(fā)所造成的人為災(zāi)害近些年層出不窮,如文獻(xiàn)[1-8]均介紹了近幾年發(fā)生的一些礦山災(zāi)難,并論述了相應(yīng)的治理方案。瓦斯作為煤炭開(kāi)發(fā)的附屬產(chǎn)品,在具有良好開(kāi)發(fā)前景的基礎(chǔ)上,也給煤炭安全開(kāi)采帶來(lái)了巨大的危害,通過(guò)瓦斯地質(zhì)與瓦斯相關(guān)參數(shù)測(cè)定,制定了相應(yīng)治理措施。

東翼±0m以上突出危險(xiǎn)區(qū)域區(qū)域治理方案:二1-11070、二1-11090機(jī)、風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中采取順層鉆孔,用以預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯。掘進(jìn)控制兩幫各14m、控制前方50m,預(yù)留20m區(qū)域措施孔超前距。兩巷掘進(jìn)過(guò)程,向采面施工順層預(yù)抽鉆孔,抽放鉆孔以3m為間距布置一排,機(jī)巷設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔孔深應(yīng)≥70m,風(fēng)巷設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔孔深不低于60m,鉆孔實(shí)現(xiàn)交叉10m,采面兩巷本煤層設(shè)計(jì)鉆孔521個(gè),煤層瓦斯使用地面瓦斯抽放泵站抽放。

東翼±0m以下及西翼-128m以下突出危險(xiǎn)區(qū)域治理方案:在二1煤層底板布置底板抽放巷,施工穿層預(yù)抽鉆孔保護(hù)二1煤層的二1-21030機(jī)風(fēng)兩巷掘進(jìn)。布置下一相鄰工作面時(shí),在上一工作面機(jī)巷下幫,采用順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯治理方案,保護(hù)下一工作面風(fēng)巷掘進(jìn)施工。底抽巷內(nèi)錯(cuò)二1煤層掘進(jìn)工作面14m布置,超前二1煤層掘進(jìn)工作面不小于200m。在底抽巷內(nèi)向二1煤層預(yù)抽區(qū)域打穿層抽放鉆孔,巷道兩側(cè)輪廓線(xiàn)外控制各15m。二1煤層抽放半徑可取2～3m,抽放終孔間距按4m布置。沿抽采巷走向以4m為間距布置一組鉆孔,鉆孔數(shù)為10個(gè),鉆孔直徑90mm,鉆孔穿透二1煤層。穿層鉆孔施工完畢后,應(yīng)采用水力沖孔、松動(dòng)爆破、水力壓裂等措施增加透氣性,提高抽放率。

為了更好地保證揭煤前區(qū)域預(yù)抽措施抽放效果,達(dá)到快速揭穿突出煤層目的,現(xiàn)將松動(dòng)爆破與水力沖孔相結(jié)合的技術(shù)手段應(yīng)用于石門(mén)揭煤區(qū)域的煤體增透,以提高區(qū)域預(yù)抽瓦斯抽放濃度與預(yù)抽效果,縮短預(yù)抽時(shí)間,達(dá)到快速揭開(kāi)突出煤層的目的。在實(shí)施松動(dòng)爆破措施過(guò)程中,距突出煤層法向距離10m(構(gòu)造帶20m)時(shí),應(yīng)采取探測(cè)手段去了解煤層層位與揭煤區(qū)域瓦斯賦存基本情況。另外為了縮短預(yù)抽期,可利用探煤鉆孔或補(bǔ)充鉆孔對(duì)揭煤區(qū)域進(jìn)行爆破,增加煤層松動(dòng)性和煤層透氣性。

4 結(jié)論與建議

按照相關(guān)要求,遵循“區(qū)域措施先行,局部措施補(bǔ)充”的原則,優(yōu)先采用開(kāi)采保護(hù)層區(qū)域防突措施,通過(guò)反復(fù)探索實(shí)踐得出以下結(jié)論與建議:

(1)隨著煤層埋藏深度的增加煤層瓦斯含量逐漸升高,但由于受井田內(nèi)瓦斯地質(zhì)條件影響與控制,瓦斯含量增減幅度存在差異。

(2)某礦二1煤層露頭至煤層深部依次為瓦斯風(fēng)化帶與瓦斯帶。分帶方向總體和煤層走向平行或斜交。

(3)一7煤保護(hù)層工作面煤層厚度0～0.6m,局部缺失煤層,賦存較不穩(wěn)定;傾角16°～37°,局部接近40°;落差2～6m的走向斷層沿走向方向分布;工作面現(xiàn)有30m3/h左右的底板水涌出。存在煤層薄、采高低、斷層多、傾角大、底板水涌出等不利因素。

(4)根據(jù)某公司煤層賦存狀況,沒(méi)有比較合適的保護(hù)層選擇,按照規(guī)定要求對(duì)井田內(nèi)所有測(cè)壓鉆孔統(tǒng)計(jì),目前井田-150m標(biāo)高以上瓦斯壓力均小于2MPa,因此需重新選擇區(qū)域瓦斯治理方案。

(5)某公司二1煤層預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊?需要進(jìn)一步采用新的封孔工藝提高封孔質(zhì)量。

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MineDistrictGasGeologyandGasControlSchemeAnalysis

YangTaiqiang

(FacultyofLandResourceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)

Basedonthewellfieldgasgeologicaldatatoanalyzetheinfluencesofstructuralevolution,geologicalstructure,coalmeasurestratalithology,coalburieddepthandcoalthicknessonthegasoccurrence.Theresearchshowsthatthestructuralevolutionisprimaryfactorinfluencingtheregionalgasoccurrence;inthewellfield,thecoalseamgas-bearingcapacityisincreasealongwiththeincreaseofcoalburieddepthandit'sthemaincontrollingfactorinfluencinggasoccurrence;geologicalstructureandcoalmeasurestratalithologyalsohavegreatinfluences.ExploreandanalyzethegasgeologyproblembasedongasgeologicalbasisofonecertainmineandaccordingtoCoalandGasOutburstPreventionandControlStipulationanddiscusstheproblemstobepaidattentiontoinsafetyproductiononthisbasis.

Geologicalstructure;Gasoccurrence;Gascontent;Gasemissionamount;Gaspreventionandcontrol

YangTaiqiang.MineDistrictGasGeologyandGasControlSchemeAnalysis[J].JournalofGansuSciences,2016,28(6):93-97.[楊太強(qiáng).某礦區(qū)瓦斯地質(zhì)與瓦斯防治方案探析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(6):93-97.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.019.

2015-10-14;

2016-03-03.

楊太強(qiáng)(1990-)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)與水文地質(zhì).E-mail:1058124254@qq.com.

TD

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