煤礦瓦斯賦存規(guī)律及防治措施的研究

劉 哲

（同煤集團(tuán)云岡礦通風(fēng)區(qū)瓦斯隊(duì)，山西 大同 037017）

大同煤礦集團(tuán)云崗井田位于山西省大同市西15km的云崗鎮(zhèn)西，是我國自行設(shè)計(jì)和施工的現(xiàn)代化大型礦井。采用一次設(shè)計(jì)、分期投產(chǎn)的方式，當(dāng)前核定的生產(chǎn)能力為120萬t/a。本文基于山西省煤炭地質(zhì)一一五勘查院為云崗礦井編制的生產(chǎn)礦井地質(zhì)報(bào)告，分析云崗礦瓦斯賦存規(guī)律，并提出有針對性的防治措施。

1 礦井地質(zhì)構(gòu)造概況

大同侏羅系煤田位于新華夏系第三隆起帶中段的北部。煤田的北部臨近天山-陰山緯向構(gòu)造體系，西面是走向南北的西石山，東面隔著大同平原是六棱山反射弧。南以洪濤山背斜與寧武煤田相隔。本井田位于大同煤田的東北部，大同煤田主向斜軸的西翼，距煤田東部邊緣NW向的青磁窯逆掩斷層較近，地層總體走向?yàn)镹W向，傾向SE，傾角2～10°。本井田斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，全井田共有鉆孔及生產(chǎn)揭露控制斷層173條，斷距大于5m的斷層有30條，斷距1～5m斷層有143條，其中以NE向斷裂最為發(fā)育，共計(jì)50條，占總數(shù)的35%，此組中多發(fā)育壓扭性斷裂，斷面擦痕明顯，破壞帶不發(fā)育，斷層呈條帶狀分布。NW向斷裂有66條，占46%，斷層性質(zhì)多屬扭性斷裂，走向多為N35°～40°W，主斷層近于一直線。SN向斷裂共有17條占12%，該種斷裂一般以孤立狀態(tài)出現(xiàn)，破壞性不大，對生產(chǎn)影響較小。逆斷層有8條占6%。井田內(nèi)明顯近EW向斷層有2條占1%，延展較長，斷距較小。

2 煤層瓦斯參數(shù)和礦井瓦斯等級

本次收集2012年至2016年云崗礦瓦斯等級鑒定結(jié)果，瓦斯相對涌出量3.56～4.71m3/t，二氧化碳相對涌出量8.22～10.14m3/t，瓦斯絕對涌出量33.03～46.54m3/min，二氧化碳絕對涌出量75.26～102.39m3/min，礦井瓦斯等級鑒定批復(fù)均為高瓦斯礦井，近年瓦斯等級鑒定統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

云崗礦12號煤層瓦斯采樣實(shí)測含量見表2所示，氣體成分占比分析，甲烷為0～27.51%，氮?dú)鉃?2.49～99.83%，甲烷成分遠(yuǎn)低于80%，瓦斯分帶屬于氮?dú)鈳Ш偷獨(dú)?甲烷帶。

表1 云崗礦近年瓦斯等級鑒定統(tǒng)計(jì)表

表2 12號煤層瓦斯采樣實(shí)測含量統(tǒng)計(jì)表

3 礦井瓦斯賦存規(guī)律

3.1 構(gòu)造對煤層瓦斯影響

該井田位于大同煤田的東北部，大同煤田主向斜軸的西翼，距煤田東部邊緣的青磁逆掩斷層較近，本井田褶曲較發(fā)育，較大的褶曲及穹隆構(gòu)造有9個，軸向多為NE及NW向，在向斜區(qū)其頂部為壓性閉合，是主要的儲氣構(gòu)造，進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)會有瓦斯大量涌出，然后在背斜翼部為張性的開放性裂隙，在煤層埋深較小時(shí)不利于瓦斯集聚。

3.2 陷落柱對煤層瓦斯影響

生產(chǎn)揭露大小陷落柱40個，形狀為橢圓、圓形及不規(guī)則形，陷落高度大小不等，有的陷到地表，也有只陷到7號煤層底板下，陷落柱周圍多發(fā)育小型環(huán)狀斷裂。陷落柱對煤層瓦斯賦存影響較大，陷落柱的發(fā)育裂隙溝通強(qiáng)含水層就會在煤礦開采時(shí)增加水流量，提高瓦斯排放能力。隱伏于地表以下的陷落柱，瓦斯保存條件較好，瓦斯容易積聚。

3.3 斷層對煤層瓦斯影響

井田內(nèi)斷層較多，共有鉆孔及生產(chǎn)揭露控制斷層173條，最大斷層落差F1為60m，F(xiàn)2落差為30m，F(xiàn)3為20m，其他斷層落差在16m以下。壓性斷層面為封閉性，斷層面附近成為構(gòu)造應(yīng)力集中帶，吸附瓦斯量增多，同時(shí)不易運(yùn)移散放，張性斷層面附近由于構(gòu)造應(yīng)力釋放而成為低壓區(qū)，因解吸作用使煤層瓦斯含量下降，較大的開放性斷層（斷至地表或接近地地表的）是煤層瓦斯散放的通道，對瓦斯賦存影響較大，但本井田斷層斷距相對較小且斷層的延展長度較短，對煤層瓦斯散放作用不大。

3.4 煤層埋藏深度對煤層瓦斯影響

煤層埋藏深度與煤層瓦斯含量關(guān)系密切，埋藏深度增加不僅會因地應(yīng)力增高而使煤層和圍巖的透氣性降低，而且瓦斯向地表運(yùn)移距離增大，有利于瓦斯封存，埋深和瓦斯含量之間相關(guān)性R2=0.8188，二者成顯著相關(guān)，如圖1所示。

圖1 埋深和瓦斯含量回歸趨勢圖

4 瓦斯綜合防治措施的研究

針對歷年來云崗礦瓦斯涌出量以及瓦斯突出動力現(xiàn)象，提出了云崗礦的瓦斯綜合防治措施辦法，主要是從以下三方面來進(jìn)行。

4.1 優(yōu)化礦井通風(fēng)方式

云崗礦的回采工作面采用全負(fù)壓通風(fēng)，六巷布置，三進(jìn)三回。8615回采工作面先前采用的“U+L”型通風(fēng)方式，主要是在“U”型通風(fēng)的回風(fēng)側(cè)增加排瓦斯尾巷，可以起到改變采空區(qū)漏風(fēng)流場的作用，將瓦斯經(jīng)過聯(lián)絡(luò)巷排至尾巷。在回采后期因瓦斯涌出量增大，“U+L”型通風(fēng)方式已起不到治理的效果，改用使工作面回風(fēng)全部離開工作面向采空區(qū)方向流動的“Y”型通風(fēng)方式，它能改變工作面通風(fēng)線路及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移線路，從而達(dá)到排放瓦斯的目的。

4.2 綜合瓦斯抽采措施

綜合考慮云崗礦煤層瓦斯賦存、巷道布置、抽采瓦斯及利用要求等因素，確定對其采用地面與井下抽采相結(jié)合，采掘前預(yù)抽采與邊抽邊采、采空區(qū)抽采等綜合瓦斯抽采措施。礦井抽采方式為本煤層長鉆孔預(yù)抽、采空區(qū)抽采和地面水平多分支煤層氣抽采井預(yù)抽的立體交叉抽采方式。井下抽采方式主要以世界領(lǐng)先的VLD-1000系列深孔定向千米鉆機(jī)施工的長孔預(yù)抽為主。地面布置6個Ф150mm的多分支水平羽狀抽采井，單井瓦斯抽采量最高達(dá)到20000m3/d，形成了地面多分支水平羽狀井和井下千米鉆機(jī)順煤層鉆孔立體交叉抽采新模式。

4.3 建立可靠的瓦斯突出預(yù)警措施

井下掘進(jìn)期間，采用人工檢查與甲烷傳感器監(jiān)測相結(jié)合的方式監(jiān)測巷道內(nèi)瓦斯情況。掘進(jìn)工作面嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》中監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)安設(shè)的有關(guān)規(guī)定，在工作面、回風(fēng)流、巷道中部及機(jī)電硐室上風(fēng)側(cè)5m范圍內(nèi)安設(shè)瓦斯傳感器，巷道工作面、回風(fēng)流瓦斯傳感器的報(bào)警值為≥0.8%，機(jī)電硐室前瓦斯傳感器的報(bào)警值為≥0.5%；一旦掘進(jìn)巷道瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警值，掘進(jìn)巷內(nèi)安設(shè)的瓦斯傳感器即發(fā)出聲光報(bào)警信號；同時(shí)監(jiān)控中心站也發(fā)出聲光報(bào)警提示，以便能及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

一旦井下各掘進(jìn)工作面出現(xiàn)瓦斯超限事故，應(yīng)急指揮中心立即啟動應(yīng)急響應(yīng)，并召集指揮部成員，詳細(xì)分析瓦斯超限可能存在的原因：（1）局部通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停電停風(fēng)；（2）工作面風(fēng)筒漏風(fēng)或出現(xiàn)破口等造成工作面巷內(nèi)風(fēng)量不足；（3）掘進(jìn)巷內(nèi)局部地點(diǎn)出現(xiàn)瓦斯異常涌出；（4）局部地點(diǎn)容易出現(xiàn)瓦斯積聚。同時(shí)施工單位負(fù)責(zé)人、通風(fēng)負(fù)責(zé)人、機(jī)電負(fù)責(zé)人待命，隨時(shí)聽從指揮中心的調(diào)遣，指揮中心根據(jù)瓦斯超限的原因，采取針對性的處置措施；指揮中心根據(jù)現(xiàn)場情況通知通風(fēng)部、機(jī)電科、電氣隊(duì)等相關(guān)人員第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理。

5 結(jié)論

本文主要是從地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、斷層、煤層埋藏深度四個方面對云崗礦的瓦斯賦存情況進(jìn)行了研究，并用線性回歸方法對煤層瓦斯含量進(jìn)行了預(yù)測。采取了優(yōu)化通風(fēng)方式和立體交叉瓦斯抽采措施，降低了瓦斯?jié)舛龋骄椴闪繛?.11m3/min，抽采濃度達(dá)72～95%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定于0.35%左右，達(dá)到了工作面瓦斯零超限要求。同時(shí)建立的瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)有效地保障了井下煤礦生產(chǎn)的安全。