陳龍照,吳志山,江化寨,郭騰飛,沈開和,高曉文,方樹元
(中國冶金地質(zhì)總局第二地質(zhì)勘查院,福建 閩侯 350108)
隨著我國礦井逐漸向深部延伸,礦井瓦斯問題日益嚴(yán)重,成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的重要因素[1-3]。某礦井屬煤與瓦斯突出礦井,水文地質(zhì)條件中等,無沖擊地壓傾向,現(xiàn)正在回采的二2煤層平均厚度2.6 m,自燃傾向性等級為Ⅲ類,屬不易自燃煤層,煤塵無爆炸危險(xiǎn)性。針對該礦井基本情況,本文研究了某煤礦瓦斯地質(zhì)特征,表明礦區(qū)中、深部的斷層和良好的隔水層段,給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件,分析了瓦斯防治和防突技術(shù)路線,確定了礦井高效的抽采瓦斯制度及技術(shù)。研究為類似工程地質(zhì)條件的瓦斯治理提供了技術(shù)支持。
某煤礦于1992年10月開工建設(shè),1999年12月29日正式生產(chǎn),礦井設(shè)計(jì)能力180萬t/a,2009年礦井核定生產(chǎn)能力為280萬t/a,2016年礦井重新確定生產(chǎn)能力為180萬t/a。井田南北走向長14 km,東西傾向?qū)?~5 km,井田面積61.4 km2。礦井開拓方式為立井單水平上下山開拓,運(yùn)輸大巷布置在-550 m水平。
某煤礦根據(jù)相關(guān)文件要求,對礦井正在開采的二2煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的破壞類型和堅(jiān)固性系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測,同時與高校合作,測定瓦斯抽采基礎(chǔ)參數(shù)。具體情況如下:二2煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.042 6~0.365 3 d-1,屬于可以抽采—較難抽采煤層;二2煤層透氣性系數(shù)為0.210 3~2.010 9 m2/(MPa2·d),屬于可以抽采煤層;百米鉆孔瓦斯流量為0.015 m3/(min·hm)。根據(jù)《某煤礦二2煤層抽采半徑測試報(bào)告》顯示,礦井二2煤抽采時間為157 d時,有效影響半徑為3 m;抽采時間為103~125 d時,有效影響半徑為2.5 m;抽采時間為60~85 d時,有效影響半徑為2 m。根據(jù)《某煤礦水力沖孔瓦斯抽采影響半徑測試報(bào)告》顯示,礦井二2煤層在現(xiàn)有水力沖孔技術(shù)措施下,即沖孔煤量為0.5 t/m時,抽采時間在48~51 d時,有效影響半徑為3 m;抽采時間在81~85 d時,有效影響半徑為4 m;抽采時間在107~117 d時,有效影響半徑為5 m。
某礦區(qū)位于永城背斜的東翼,是一個單斜構(gòu)造,各煤層的露頭被平均厚度223.24 m的新生界地層所覆蓋。風(fēng)氧化帶厚度最大32.75 m,風(fēng)氧化帶的巖石常風(fēng)化成黏土狀或砂質(zhì)黏土狀。由于上覆地層厚度較薄以及斷層與新生界地層發(fā)生構(gòu)造作用,煤和煤中的瓦斯發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)氧化作用,淺部(-600 m以上)屬氮?dú)狻淄閹?。燕山期?gòu)造運(yùn)動的作用及煤層埋藏深度的增加構(gòu)成了保存煤層瓦斯的有利條件,該區(qū)(-600 m以下)屬甲烷帶。
(1)礦井瓦斯賦存規(guī)律[4-6]。對該礦區(qū)煤層瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行分析。①煤層埋深對瓦斯賦存的影響。隨著煤層埋深的增加、地應(yīng)力增高,圍巖的透氣性降低,瓦斯向地表運(yùn)移的距離相應(yīng)也增大,礦井整體瓦斯含量隨埋深的增加而變大。但從礦井實(shí)測的瓦斯含量情況分析,瓦斯含量與煤層埋深并非簡單的線性關(guān)系。瓦斯含量隨煤層埋深增加而變大的趨勢,目前僅在瓦斯富集區(qū)(26采區(qū)深部和27采區(qū))較為明顯,其他區(qū)域未出現(xiàn)。②巖漿巖分布對瓦斯賦存的影響。當(dāng)巖漿巖侵入或穿過煤層和含煤巖系時,由于巖漿巖本身帶的高溫、揮發(fā)性氣體和壓力的影響導(dǎo)致煤的變質(zhì)程度增高,從而促進(jìn)了煤層瓦斯的生成。在井田中深部發(fā)育一條基本貫穿整個井田的巖墻,巖墻的通氣、導(dǎo)氣性比煤層弱,煤層中的瓦斯由深部向淺部運(yùn)移時,巖墻起到阻隔作用,使得深部瓦斯不易向外擴(kuò)散,而向煤層深部富集。沒有受到巖漿巖烘烤的煤層垂向節(jié)理不發(fā)育,受到巖漿巖烘烤的煤層垂向節(jié)理較發(fā)育,一般40條/m,因此,高變質(zhì)煤與天然焦中的煤層瓦斯儲集方式明顯不同于正常煤層。27采區(qū)中部巖漿巖侵入條帶和26采區(qū)中部巖漿巖侵入條帶使煤層變成天然焦。在天然焦中,煤層瓦斯儲存的主要狀態(tài)為游離氣,正常煤以吸附氣為主。而27、26采區(qū)瓦斯不僅有煤中的吸附氣,也有天然焦中的游離氣,這也是造成27采區(qū)及26采區(qū)深部煤層瓦斯富集的原因之一。同時也改變了原生煤的構(gòu)造、孔隙和裂隙通道,巖漿巖附近煤的吸附性降低,使得瓦斯易于散失、運(yùn)移并且不易圈閉保存,當(dāng)煤層賦存條件發(fā)生改變時,煤中的瓦斯含量會有明顯的降低。③構(gòu)造對瓦斯賦存的影響。斷層群同時破壞煤層的完整性,破壞了煤的原始結(jié)構(gòu),煤層受到擠壓、揉搓,形成的構(gòu)造煤增大了吸附表面積,提高了吸附能力。因此,礦區(qū)中、深部的斷層往往成為阻止煤層瓦斯逸散的天然屏障,使煤層瓦斯得以保存,煤層瓦斯含量相對較高,瓦斯壓力相對較大,給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件,同時起到一定的隔氣作用。而地下水越往深部礦化度越高,水動力越弱,對煤層瓦斯富集越有利。
自2013年起至今,經(jīng)認(rèn)定某煤礦為煤與瓦斯突出礦井。依據(jù)《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》礦井瓦斯類型評定標(biāo)準(zhǔn),礦井瓦斯類型為極復(fù)雜。
(1)防突機(jī)構(gòu)設(shè)置[7-10]。某煤礦成立有以礦長為核心的防突管理機(jī)構(gòu)和專業(yè)防突隊(duì)伍,并建立以總工程師為核心的技術(shù)管理機(jī)構(gòu),設(shè)置有防突副礦長、通防副總工程師及地測副總工程師;設(shè)有防突科、地測科、調(diào)度室監(jiān)控組、通風(fēng)隊(duì)、抽放隊(duì)等專業(yè)防突管理機(jī)構(gòu)和施工隊(duì)伍,并定期組織培訓(xùn)、考核。防突技術(shù)力量和人員配備均滿足礦井瓦斯治理工作的需要。
(2)防突制度落實(shí)。為明確責(zé)任,促進(jìn)瓦斯治理水平提升,礦井制定有《某煤礦防治煤與瓦斯突出管理辦法》《某煤礦瓦斯抽采管理辦法》《某煤礦“一通三防”管理辦法》等制度,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充完善相關(guān)規(guī)定。同時,礦井編制有《某煤礦瓦斯治理責(zé)任制》《某煤礦通風(fēng)瓦斯分析速報(bào)制度》《采掘、打鉆異常情況零匯報(bào)制度》《某煤礦瓦斯管理預(yù)警分析處置及煤與瓦斯突出調(diào)查處理制度》等文件制度,嚴(yán)格落實(shí)各級管理人員的瓦斯治理責(zé)任制,堅(jiān)持瓦斯超限立即停電撤人、分析原因、停產(chǎn)整改和追究責(zé)任四項(xiàng)措施,并對各地點(diǎn)通風(fēng)和瓦斯異常情況進(jìn)行分析、總結(jié),采取針對性措施。
(3)防突設(shè)計(jì)編制。礦井已編制礦井、采區(qū)和各采掘工作面防突設(shè)計(jì),并嚴(yán)格審批、落實(shí);同時編制有《某煤礦2019年瓦斯區(qū)域治理計(jì)劃編制說明書》和《某煤礦2019—2021年區(qū)域瓦斯治理規(guī)劃編制說明書》,明確采掘工作面瓦斯治理措施、工程施工隊(duì)伍、工程計(jì)劃和相關(guān)資金計(jì)劃,并經(jīng)礦長和總工程師審批,報(bào)公司審核后嚴(yán)格執(zhí)行。
(4)防突措施落實(shí)情況[11-13]。①區(qū)域防突措施落實(shí)情況。礦井堅(jiān)決做到不掘突出頭、不采突出面,未按要求采取區(qū)域綜合防突措施的,嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》、河南省瓦斯防治“雙十條”等文件要求,嚴(yán)格執(zhí)行區(qū)域和局部兩個“四位一體”綜合防突措施,區(qū)域防突措施和措施效果檢驗(yàn)結(jié)果按照要求上報(bào)審批,嚴(yán)格落實(shí)出現(xiàn)突出預(yù)兆時立即停止作業(yè),重新執(zhí)行區(qū)域防突措施。②防突職責(zé)落實(shí)情況。礦井根據(jù)各采區(qū)瓦斯賦存情況及采掘布置情況,明確各采掘工作面防突措施,并通過明確職責(zé),確定管理范圍,嚴(yán)格落實(shí)防突措施的現(xiàn)場驗(yàn)收、監(jiān)督管理,通過礦領(lǐng)導(dǎo)、職能科室現(xiàn)場監(jiān)督防突環(huán)節(jié)實(shí)施,規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)、施工工序,從流程、環(huán)節(jié)上減少失誤,確保各項(xiàng)防突措施落實(shí)到位。同時,建立健全瓦斯異常情況速報(bào)制度,通過瓦斯異常信息“零匯報(bào)、日分析”,強(qiáng)化采掘工作面特殊地點(diǎn)(瓦斯異常區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造區(qū))瓦斯治理措施,提升礦井瓦斯治理水平。
(5)瓦斯等級鑒定情況。某煤礦每年在7、8月份進(jìn)行瓦斯及二氧化碳涌出量測定工作,2019年測定礦井絕對瓦斯涌出量10.67 m3/min,相對瓦斯涌出量3.03 m3/t。
(1)礦井采用的突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值[14-16]。礦井目前區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測和效果檢驗(yàn)采用雙指標(biāo),其中瓦斯含量臨界值為6 m3/t,瓦斯壓力臨界值為0.6 MPa,2個指標(biāo)只要有任何一個指標(biāo)超限或者在打鉆過程中出現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預(yù)兆時,均視為有突出危險(xiǎn),必須進(jìn)行區(qū)域治理,只有將瓦斯含量降至6 m3/t以下、瓦斯壓力降至0.6 MPa以下,且無動力現(xiàn)象或突出預(yù)兆時方可進(jìn)行采掘作業(yè)。礦井采掘工作面區(qū)域驗(yàn)證、工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測和效果檢驗(yàn)主要采用復(fù)合指標(biāo)法(q值和S值),其中:q值臨界值為4.8 L/min,S值臨界值為5.8 kg/m。石門揭煤工作面區(qū)域驗(yàn)證主要采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法(即K1值或Δh2),其中,K1值臨界值為干煤樣0.48 mL/(g·min1/2),濕煤樣0.38 mL/(g·min1/2);Δh2臨界值為干煤樣190 Pa,濕煤樣150 Pa。
(3)防突技術(shù)路線。參照鄰近礦井某煤礦始突標(biāo)高(-600 m)。各采區(qū)采掘工作面的瓦斯治理按照始突標(biāo)高深淺和沿空情況制定具體實(shí)施方案。①位于始突標(biāo)高以淺的采掘工作面,若開拓后區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測結(jié)果為無突出危險(xiǎn),則在采用安全防護(hù)措施的條件下,執(zhí)行區(qū)域驗(yàn)證向前掘進(jìn)或回采;若開拓后區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測結(jié)果為有突出危險(xiǎn),則按照始突標(biāo)高以深的采掘工作面的瓦斯治理措施執(zhí)行。②位于始突標(biāo)高以深的沿空掘進(jìn)工作面,采用采空區(qū)卸壓帶掩護(hù)掘進(jìn),在采用安全防護(hù)措施的條件下,執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證向前掘進(jìn)。③位于始突標(biāo)高以深的實(shí)體煤掘進(jìn)工作面,先采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶或區(qū)段煤層瓦斯治理措施,再采用實(shí)測煤層殘余瓦斯含量及瓦斯壓力的方法進(jìn)行措施效果檢驗(yàn),只有當(dāng)殘余瓦斯含量小于6 m3/t、瓦斯壓力小于0.6 MPa且未發(fā)現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預(yù)兆時,方可在采用安全防護(hù)措施的條件下,執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證向前掘進(jìn);否則,需繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施或延長抽采時間,直至效果檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。④位于始突標(biāo)高以深的采煤工作面,先采用順層或穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域或區(qū)段煤層瓦斯治理措施,再采用實(shí)測煤層殘余瓦斯含量及瓦斯壓力的方法進(jìn)行措施效果檢驗(yàn),只有當(dāng)殘余瓦斯含量小于6 m3/t、瓦斯壓力小于0.6 MPa且未發(fā)現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預(yù)兆時,方可在采用安全防護(hù)措施的條件下,執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證進(jìn)行回采;否則,需繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施或延長抽采時間,直至效果檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。⑤區(qū)域驗(yàn)證采用復(fù)合指標(biāo)法,若鉆孔出現(xiàn)q值和S值超標(biāo)或出現(xiàn)卡鉆、噴孔、頂鉆及其他明顯突出預(yù)兆,則執(zhí)行區(qū)域防突措施,經(jīng)區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)和區(qū)域驗(yàn)證后,并保留不小于20 m的區(qū)域措施超前距、不小于2 m的區(qū)域驗(yàn)證超前距后,方可采取安全防護(hù)措施的條件下進(jìn)行掘進(jìn)或回采。⑥工作面處于煤層的構(gòu)造破壞帶,包括斷層、劇烈褶曲、火成巖侵入等,煤層賦存條件急劇變化,采掘應(yīng)力疊加,施工前需執(zhí)行工作面防突措施,并進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)。⑦石門揭煤工作面在巷道距煤層最小法向距離10 m前(在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖石破碎的區(qū)域,距離不小于20 m),工作面至少布置3個穿層鉆孔對揭煤區(qū)域進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測,測定瓦斯含量和瓦斯壓力。若區(qū)域預(yù)測有突出危險(xiǎn)性時,則在巷道距煤層最小法向距離7 m前(在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖石破碎的區(qū)域,適當(dāng)增大距離)執(zhí)行穿層鉆孔預(yù)抽揭煤區(qū)域煤層瓦斯,區(qū)域措施效果檢驗(yàn)以實(shí)際測定的預(yù)抽區(qū)域的煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力為主要指標(biāo)進(jìn)行;若區(qū)域措施效果檢驗(yàn)無突出危險(xiǎn),則巷道可采用邊探邊掘至距煤層最小法向距離5 m位置進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證,否則需繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域防突措施;距煤層最小法向距離5 m位置的區(qū)域驗(yàn)證為無突出危險(xiǎn),則巷道可采用邊探邊掘至距煤層最小法向距離2 m位置進(jìn)行最后驗(yàn)證,否則返回執(zhí)行區(qū)域防突措施。距煤層最小法向距離2 m位置的最后驗(yàn)證為無突出危險(xiǎn),則執(zhí)行遠(yuǎn)距離爆破揭開煤層,否則返回執(zhí)行區(qū)域防突措施。揭開煤層后按照過煤門的瓦斯治理措施執(zhí)行,直至揭煤施工結(jié)束。
(1)采煤工作面瓦斯治理情況。礦井目前布置有2個采煤工作面(2604采煤工作面和2905采煤工作面),其瓦斯治理情況如下:①2604采煤工作面。工作面位于26采區(qū)北翼上部,工作面標(biāo)高在-754~-809 m,工作面南北走向長1 120~1 226 m,東西傾向?qū)?20~185 m,煤厚1.1~3.2 m,平均厚2.77 m,煤層較穩(wěn)定。2604采煤工作面原始瓦斯含量1.38~5.40 m3/t,采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯的治理措施,瓦斯抽采鉆孔施工時間為2016年10月5日至2017年12月30日,2604工作面殘余瓦斯含量為1.55~5.35 m3/t,實(shí)測殘余瓦斯壓力為0。2604采煤工作面自2018年5月1日開始回采,截至8月底剩余回采長度302.8 m,工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行淺孔卸壓措施并執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證措施。②2905采煤工作面。2905采煤工作面位于29采區(qū)南翼下部,工作面標(biāo)高-527.4~-595.0 m。工作面南北走向長858~909 m,東西傾斜長134~241 m,煤厚0.5~3.8 m,平均2.82 m,煤層較穩(wěn)定。測定2905工作面原始瓦斯含量為1.14~3.28 m3/t,實(shí)測原始瓦斯壓力為0,故未采取區(qū)域防突措施。2905采煤工作面自2019年4月12日開始回采,截至止8月底剩余回采長度519.2 m,工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行淺孔卸壓措施,并執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證措施。
(2)掘進(jìn)工作面瓦斯治理情況。礦井目前布置有3個煤巷掘進(jìn)工作面(2611回風(fēng)巷、2901回風(fēng)巷和2901運(yùn)輸巷)和4個巖巷掘進(jìn)工作面(2613回風(fēng)巷里段底板抽放巷、2615運(yùn)輸巷底板抽放巷車場、211采區(qū)回風(fēng)下山和211采區(qū)膠帶下山),其瓦斯治理情況如下:①2611回風(fēng)巷(停掘)。2611回風(fēng)巷位于26采區(qū)中下部,工作面設(shè)計(jì)長度1 340 m,標(biāo)高-805.8~-843.1 m。工作面采用采空區(qū)卸壓帶掩護(hù)掘進(jìn),執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證,測定最大原始瓦斯含量為2.67 m3/t,實(shí)測原始瓦斯壓力為0。2611回風(fēng)巷自2018年11月3日開始掘進(jìn),截至8月底剩余566.4 m。工作面過斷層等構(gòu)造期間執(zhí)行工作面防突措施。②2901回風(fēng)巷。2901回風(fēng)巷位于29采區(qū)上部,工作面設(shè)計(jì)長度為1 054 m,標(biāo)高為-463.4~-380.3 m。工作面執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證向前掘進(jìn),測定最大原始瓦斯含量為1.62 m3/t,實(shí)測原始瓦斯壓力為0 MPa。2901回風(fēng)巷自2019年2月19日開始掘進(jìn),截止8月底剩余161.6 m。掘進(jìn)期間工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行工作面防突措施。③2901運(yùn)輸巷。2901運(yùn)輸巷位于29采區(qū)中部,工作面設(shè)計(jì)長度1 039 m,標(biāo)高-483.5~-398.7 m。工作面執(zhí)行連續(xù)區(qū)域驗(yàn)證向前掘進(jìn),測定最大原始瓦斯含量為1.91 m3/t,實(shí)測原始瓦斯壓力為0。2901運(yùn)輸巷自2019年5月19日開始掘進(jìn),截至8月底剩余517.9 m。工作面過斷層、火成巖等構(gòu)造期間執(zhí)行工作面防突措施。④2615運(yùn)輸巷底板抽放巷車場。2615運(yùn)輸巷底板抽放巷車場位于26采區(qū)中下部,工作面設(shè)計(jì)長度210 m,標(biāo)高-898.0~-898.5 m。工作面采用地質(zhì)超前探措施,準(zhǔn)確控制煤層層位及構(gòu)造發(fā)育情況,并制定有防誤揭煤措施。工作面測定的最大瓦斯含量為7.6 m3/t。工作面自2019年5月6日開始掘進(jìn),截至8月底剩余29 m。⑤211采區(qū)回風(fēng)下山。211采區(qū)回風(fēng)下山位于211采區(qū),工作面設(shè)計(jì)長度為920 m,標(biāo)高為-532.6~-601.8 m。工作面采用地質(zhì)超前探措施,準(zhǔn)確控制煤層層位及構(gòu)造發(fā)育情況,并制定有防誤揭煤措施。工作面測定的最大瓦斯含量為2.21 m3/t。工作面自2019年1月9日開始掘進(jìn),截至8月底剩余510 m。⑥211采區(qū)膠帶下山。211采區(qū)膠帶下山位于211采區(qū),工作面設(shè)計(jì)長度1 018 m,標(biāo)高-520.9~-601.8 m。工作面采用地質(zhì)超前探措施,準(zhǔn)確控制煤層層位及構(gòu)造發(fā)育情況,并制定有防誤揭煤措施。工作面測定的最大瓦斯含量為2.21 m3/t。工作面自2019年5月1日開始掘進(jìn),截至8月底剩余852.8 m。
(1)通過對某煤礦瓦斯地質(zhì)特征的分析得出,礦區(qū)中、深部的斷層往往成為阻止煤層瓦斯逸散的天然屏障,煤層瓦斯得以保存,具有良好的隔水層段,同時起到一定的隔氣作用,給深部瓦斯富集創(chuàng)造了條件。
(2)通過對瓦斯防治和防突技術(shù)路線的研究,確定了礦井高效的抽采瓦斯制度及技術(shù),也為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。