金發(fā)煤礦開采層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究及危險性預測

殷澤蒼，李偉亮，趙峻民

(1.昆明煤炭科學研究所，云南 昆明 650041；2.曲靖市能源局，云南 曲靖 655000)

1 礦井概況

金發(fā)煤礦位于云南省富源縣，礦區(qū)面積 1.303 9 km2，開采深度 +1 950 m～+1 600 m，生產(chǎn)能力為30萬t/a，采用斜井開拓，現(xiàn)有4個井筒。區(qū)內(nèi)含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，平均厚度 240.00 m，全區(qū)可采煤層15層，自上而下編號為C7、C8、C9、C11、C13-2、C14、C15、C16、C18、C19-1、C19-2、C21-2、C22-2、C23、C24。礦井的水文地質(zhì)條件復雜程度總體屬以弱裂隙含水充水為主的中等類型；礦床工程地質(zhì)條件為以碎屑巖類層狀結(jié)構(gòu)軟硬相間工程地質(zhì)巖組為主的中等類型；環(huán)境地質(zhì)條件屬以次生環(huán)境地質(zhì)問題為主的中等類型。金發(fā)煤礦現(xiàn)為高瓦斯礦井，煤塵有爆炸性，煤層自燃傾向性為Ⅱ類、自燃。

礦井目前有一個生產(chǎn)水平，即 +1 760 m 水平。井下布置2個采煤工作面(1903采煤工作面和1806上段工作面)和3個掘進工作面(1910機運巷掘進工作面、1910回風巷掘進工作面和1808機運巷掘進工作面)。1903采煤工作面開采C9煤層，1806上段工作面開采C8煤層，均采用走向壁式采煤方法，采煤機落煤，刮板輸送機運輸，單體液壓支柱配π型鋼梁支護，全部垮落法管理頂板。1910機運巷掘進工作面，采用掘進機掘進，巖巷掘進工作面采用風鉆打眼，爆破掘進，支護采用U型鋼、礦工鋼、錨桿及錨索支護。

2 煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

2.1 斷層、褶皺構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于滇東新華夏構(gòu)造帶南部，夾持于富源—彌勒大斷裂，平關(guān)—阿崗大斷裂之間的恩洪復向斜的東部中段，地層總體為一傾向北西的單斜構(gòu)造。地層傾角6～10°，構(gòu)造中等、斷層較發(fā)育，對礦區(qū)有影響的主要斷層有：F2、F3、F42、F43、F45等，如表1所示。

表1 金發(fā)煤礦斷層統(tǒng)計表

金發(fā)煤礦構(gòu)造對C8、C9煤層瓦斯的影響，符合褶皺對瓦斯賦存影響的普遍規(guī)律，在褶皺及構(gòu)造復合部位，瓦斯賦存條件復雜，瓦斯含量、瓦斯壓力相對較高，瓦斯動力現(xiàn)象危險性較大；在地應力作用強烈部位造成的扭轉(zhuǎn)、斷裂擠壓、剪切活動會對煤層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，從而形成一定厚度的構(gòu)造煤，也是瓦斯賦存的主要部位。F2斷層位于礦區(qū)南東部邊緣，地表破碎帶現(xiàn)象明顯，對礦區(qū)煤層開采及瓦斯聚集無影響；F3正斷層出露于礦區(qū)中部，貫穿整個礦區(qū)，切割T1f1地層，T1f1地層屬于泥巖，黏土質(zhì)粉砂巖。因F3正斷層出露于地表，地表水及雨水通過裂隙流入斷層，使T1f1地層透氣性變差，阻礙瓦斯逸散，排放瓦斯量較少，瓦斯含量相對增大；F42、F43、F45正斷層分別位于礦區(qū)南西部、礦區(qū)南西部和礦區(qū)東部，雖然是正斷層，但斷層斷距較小，對煤層瓦斯自然逸散幫助有限。

2.2 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

煤層圍巖主要是指煤層直接頂、老頂和直接底等在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。瓦斯之所以能夠封存于煤層中某個部位，決定于它的隔氣、透氣性能，與圍巖的孔隙性、滲透性和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。

金發(fā)煤礦C8、C9含煤地層為層狀巖類半堅硬夾軟弱巖組，直接頂板為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，巖石較堅硬，裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性稍差，但C8、C9煤層間接頂板為厚層粉砂巖，巖層強度高，完整性和穩(wěn)固性好，由于頂?shù)装鍑鷰r較為致密且在橫向上發(fā)育較為平穩(wěn)，形成良好的儲氣構(gòu)造。

2.3 巖漿巖分布對瓦斯賦存的影響

礦區(qū)巖漿活動主要為二疊統(tǒng)基性巖漿的噴溢作用，形成了區(qū)域內(nèi)廣泛分布的峨眉山玄武巖。依據(jù)火山的巖相及含礦性特征，區(qū)域上可劃分為2個規(guī)模較大的噴發(fā)旋回以及多個噴發(fā)亞旋回，底部未見爆發(fā)堆積。各噴發(fā)(亞)旋回以“紅頂綠底”為標志，顯示從溢流相至空落相和間歇噴發(fā)堆積層序。構(gòu)成了含煤巖系沉積基底，與含煤地層假整合接觸，對煤層、煤質(zhì)無影響。金發(fā)煤礦沒有巖漿侵入，不作討論。

2.4 煤層上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

金發(fā)煤礦為恩洪礦區(qū)九井田中部礦，地層走向、山脈走向與主體構(gòu)造線方向基本一致，總體為一傾向北西的單斜構(gòu)造，出露地層與區(qū)域地層基本一致，地層走向北東—南西，傾向北西，地層傾角一般6～10°，屬緩傾斜近水平巖層，礦區(qū)F2、F3、F42、F43、F45斷層較發(fā)育，還發(fā)現(xiàn)微波狀起伏及小錯動。C8、C9煤埋深范圍分別在8～598 m、5～615 m。通過調(diào)研分析埋深是影響礦井C8、C9煤瓦斯含量最重要因素(圖1)。

根據(jù)不同地點瓦斯含量和埋深，經(jīng)數(shù)據(jù)融合處理，得到金發(fā)煤礦C8、C9煤埋深和瓦斯含量關(guān)系圖和關(guān)系式。從圖1可以看出，隨埋深增加，煤層瓦斯含量明顯上升，并且具有很好的相關(guān)性。說明本區(qū)內(nèi)煤層瓦斯含量與煤層的埋藏厚度有著密切的關(guān)系，煤層埋藏厚度大則煤層瓦斯含量就大，反之亦然。

C8煤層埋深和瓦斯含量的關(guān)系式為：

Y=1.403 6ln(X)-3.119 6

(1)

C9煤層埋深和瓦斯含量的關(guān)系式為：

Y=2.593 6ln(X)-9.072 1

(2)

式(1)(2)中Y為煤層瓦斯含量，X為埋深。

(a)C8煤層 (b)C9煤層

如圖2所示，從金發(fā)煤礦煤層瓦斯含量分布看，區(qū)內(nèi)C8、C9煤層的瓦斯含量從南向北方向增高，在礦區(qū)中北部達到最高值，變化規(guī)律和煤層埋深變化基本一致，瓦斯含量及煤層開采時瓦斯涌出特征符合“煤層埋深較淺時瓦斯含量相對較小、涌出量相對較小；煤層埋藏加深時瓦斯含量相對較大、涌出量相對增大”的規(guī)律。

3 礦井瓦斯涌出量預測

C8、C9煤層采煤工作面瓦斯涌出量分別為 10.16 m3/t、10.96 m3/t，C8、C9煤層單個掘進工作面瓦斯涌出量分別為 0.87 m3/min、1.96 m3/min，按采區(qū)日產(chǎn)量 909 t 計，C8、C9煤層首采區(qū)瓦斯相對涌出量分別為 13.34 m3/t、17.60 m3/t，絕對涌出量分別為 8.42 m3/min、11.11 m3/min。采區(qū)瓦斯和礦井瓦斯涌出不均衡系數(shù)取1.2，這樣采區(qū)最大瓦斯涌出量將可能分別達到10.10m3/min、13.33m3/min；礦井最大瓦斯涌出量將可能分別達到 12.12 m3/min、16.00 m3/min。

根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)測定報告和歷年瓦斯等級鑒定(涌出量測定)報告(表2)，對其中的絕對瓦斯涌出量和瓦斯含量進行數(shù)據(jù)融合處理，可以得到C8、C9煤層采煤工作面絕對瓦斯涌出量和瓦斯含量對應關(guān)系(圖3)，即：

Y=0.289e0.182X

(3)

式(3)中Y為工作面絕對瓦斯涌出量，X為瓦斯含量。

表2 礦井瓦斯涌出量計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of mine gas emission

以式(1)為依據(jù)，對所選取各預測點計算工作面瓦斯絕對涌出量，礦井C8、C9煤層工作面瓦斯絕對涌出量為1.41～6.70 m3/min、1.43～7.00 m3/min。

(a)C8煤層 (b)C9煤層

4 煤與瓦斯區(qū)域突出危險性預測

4.1 煤與瓦斯突出危險性參數(shù)測定及分析

如前所述，煤層埋深是控制瓦斯參數(shù)的主要因素，基本原理是埋深控制著地應力、瓦斯含量和瓦斯壓力。同時構(gòu)造軟煤厚度、煤層頂板巖性與地質(zhì)構(gòu)造也是影響金發(fā)煤礦C8、C9煤瓦斯特性的重要因素。

金發(fā)煤礦本次C8、C9煤要按《防治煤與瓦斯斯突出細則》的單項指標法(表3)對礦井突出危險性進行預測。

表3 煤層突出危險性鑒定指標

煤層突出危險性鑒定應當首先根據(jù)實際發(fā)生的瓦斯動力現(xiàn)象進行。瓦斯動力現(xiàn)象特征基本符合煤與瓦斯突出特征或者拋出煤的噸煤瓦斯涌出量≥ 30 m3(或者為本區(qū)域煤層瓦斯含量2倍以上)的，應當確定為煤與瓦斯突出，該煤層應當確定為突出煤層。金發(fā)煤礦未出現(xiàn)突出動力現(xiàn)象。

當根據(jù)瓦斯動力現(xiàn)象特征不能確定為突出，或者沒有發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象時，應當根據(jù)實際測定的原始煤層瓦斯壓力(相對壓力)P、煤的堅固性系數(shù)f、煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度ΔP等突出危險性指標進行鑒定。當f≤0.3、P≥0.74 MPa;或者0.3

4.2 煤與瓦斯區(qū)域突出危險性預測

煤層瓦斯突出參數(shù)包括瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數(shù)和煤的破壞類型4個單項指標，根據(jù)金發(fā)煤礦開采煤層瓦斯基本參數(shù)測定統(tǒng)計表和開采煤層瓦斯基本參數(shù)(表4)報告可知如下內(nèi)容。

1)構(gòu)造煤類別：構(gòu)造煤研究表明，井田內(nèi)主采煤層C8、C9煤全層構(gòu)造軟煤發(fā)育，煤的破壞類型一般達到Ⅲ類。因此，全井田煤的破壞類型達到了突出煤層判定的臨界值。

2)煤的堅固性系數(shù)f：根據(jù)煤樣檢測結(jié)果，C8、C9煤的堅固性系數(shù)f為0.33、0.23。C9煤指標達到了全井田判斷煤層突出危險性的臨界值。

3)瓦斯放散初速度ΔP：從測試結(jié)果來看，C8、C9煤ΔP為15.0，該指標達到了判斷煤層突出危險的臨界值。

4)瓦斯壓力測定P：金發(fā)煤礦C8、C9煤層瓦斯壓力分別為 0.52 MPa、0.68 MPa，較接近臨界值(0.74 MPa)。

表4 金發(fā)煤礦C8、C9煤層瓦斯基本參數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》第十一條的規(guī)定，雖然從瓦斯條件上來說，瓦斯含量是決定煤與瓦斯突出的根本因素，但最終還應以瓦斯壓力和煤的堅固性系數(shù)來作為煤層是否有煤與瓦斯突出危險性的關(guān)鍵因素。其中瓦斯壓力是否超過臨界值是首要指標。

金發(fā)煤礦沒有進行過瓦斯壓力的實測工作，本研究使用煤層瓦斯含量與瓦斯壓力的計算公式計算瓦斯壓力，其數(shù)據(jù)有明顯> 0.74 MPa 的區(qū)域，但 0.74 MPa 不能代表煤層自然條件下始突壓力臨界值。依據(jù)單項指標法和瓦斯地質(zhì)的方法，煤層突出危險性預測的指標是瓦斯壓力，其臨界值為 0.74 MPa。由于礦界范圍內(nèi)其它3個指標都已達到臨界值，因此把 0.74 MPa 壓力值作為礦界內(nèi)有無瓦斯突出危險的分界值，即礦界內(nèi)煤層瓦斯壓力> 0.74 MPa 的區(qū)域具有突出危險性。如圖4所示，煤礦的突出危險區(qū)主要在礦界西北邊靠近礦2坐標點附近(黑色區(qū)域)。

5 結(jié) 語

本文以金發(fā)煤礦為研究背景，分析其各種地質(zhì)因素對于該礦瓦斯規(guī)律分布的影響；在此基礎上通過現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)和必要檢測數(shù)據(jù)，確定煤層埋深是控制瓦斯含量的主要因素，建立瓦斯含量預測數(shù)學模型，預測全礦井C8、C9煤層瓦斯含量。

按照《防治煤與瓦斯斯突出細則》的煤體結(jié)構(gòu)分類方案，本文確定該礦構(gòu)造煤的類型為Ⅲ類；采樣測定C8、C9煤瓦斯放散初速度ΔP值為15.0，f值分別為0.33、0.23。瓦斯壓力(瓦斯含量)是判定該礦C8、C9煤瓦斯突出危險性的最重要指標(即≥0.74 MPa 為突出危險區(qū))。煤礦的突出危險區(qū)主要在礦界西北邊靠近礦2坐標點附近。