成莊礦煤層瓦斯積聚的地質因素及防治對策

成蘇平(晉城煤業集團技術中心,山西晉城048000)

摘　要:運用瓦斯地質邊緣學科理論,03manbetx 了成莊礦煤層瓦斯分布規律與地質因素的關係,及時進行瓦斯預測預報,有針對性地製訂出瓦斯防治措施,對確保礦井安全生產具有重要的意義。

關鍵詞:瓦斯積聚;地質因素;瓦斯預測預報

中圖分類號:TD712+.54　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006) 06-0014-03

　　礦井瓦斯就是井下以CH4為主的有毒、有害氣體的總稱,有時單獨指CH4。瓦斯是在礦井采掘過程中,從煤層、岩層、采空區放出的和生產過程中產生的。煤層的瓦斯含量越高,開采煤層時湧入井巷和工作麵的瓦斯就越多,瓦斯災害的威脅也越大。

因此,在煤層開采之前,需要先確定煤層瓦斯含量,根據煤層瓦斯含量的大小,確定開拓開采方法、巷道布置及通風方式等,建立瓦斯管理製度。

煤礦井巷和工作麵的瓦斯主要有4個來源:①采落下來的煤炭中釋放出的瓦斯;②從采掘工作麵煤壁內釋放出的瓦斯;③從煤巷兩幫及頂底板釋放出的瓦斯;④從采空區及鄰近煤層中放出瓦斯。礦井瓦斯的湧出有2種形式:即普通湧出和特殊湧出。普通湧出是指煤層或岩層中的瓦斯,均勻、緩慢、長期地向工作麵和巷道湧出,它是礦井瓦斯湧出量的主要形式,礦井的日常瓦斯管理主要是針對這部分瓦斯。特殊湧出包括瓦斯噴出和煤與瓦斯突出:瓦斯噴出是指大量瓦斯在壓力狀態下,從煤岩裂縫中突然噴出;煤與瓦斯的突然噴出是指在采掘過程中,在極短的時間內,突然由煤體內噴出大量的煤與瓦斯,並伴隨有強烈的聲響和強大的機械效應的

一種動力現象。瓦斯特殊湧出帶有突然性和集中性,有很大的破壞性,對礦井的安全生產影響很大。在治理普通瓦斯湧出的同時,切不可忽視瓦斯的特殊湧出,應采取特殊的專門治理措施。

1　影響礦井瓦斯含量的地質因素

1.1　地質構造

地質構造是影響瓦斯存儲最重要的條件之一,封閉型地質構造有利於封閉瓦斯,開放性地質構造有利於排放瓦斯。瓦斯噴出大多發生在地質構造破壞帶、溶洞裂縫區、背斜和向斜軸部儲瓦斯區以及其它儲瓦斯構造與原始洞縫相通的區域,是發生瓦斯噴出的良好通道,對礦井的安全生產起著關鍵性的作用。

(1)褶曲構造。成莊井田位於太行複背斜西翼,沁水盆地東端,為陽城山字型構造體係脊柱部分南端東側及馬蹄形盾地的北側與新華夏構造的複合部位。井田內主要為一走向北北東逐漸轉為北東向,傾向為北西的單斜構造。井田內地層平緩,傾角3°~15°,一般在10°以內。在此單斜基礎上發育著幅度不大兩翼平緩、開闊的背向斜褶曲構造,使井田內地層呈波狀起伏。據地形地質圖,井田內一水平範圍內有3條短軸褶曲,另據3#煤層底板等高線圖,一水平中北部有2條明顯的背斜構造。它們是楊莊北向斜、楊莊北背斜、常坡西背斜、47#背斜、54#背斜,其中47#背斜是一水平內最大背斜構造,背斜軸向長 280 m ,延伸長度 300 m 左右,幅度 35 m 左右。按瓦斯積聚規律可知:在軸曲的軸部,尤其是背斜軸部地區瓦斯含量較高。

(2)斷裂構造。斷層對煤層瓦斯含量的影響比較複雜,一方麵要看斷層的封閉性,另一方麵還要看與煤層接觸的對盤岩層的透氣性。開性斷層不論其與地表是否直接相通都會引起斷層附近的煤層瓦斯含量降低,當與煤層接觸的對盤岩層透氣性大時,瓦斯含量降低的幅度大,封閉性斷層而且與煤層接觸的對盤岩層透氣性低時,可以阻止瓦斯的排放,在這種條件下,煤層具有較高的瓦斯含量。據地質填圖,井田一水平範圍內出露出12條正斷層。井下共揭露22條正斷層,從現有的斷層資料來看,均為高角度小型正斷層,最大落差 10 m ,最大延伸長度 300m 。按斷層麵走向基本分為2組,一組為北向東,另一組為北向西,北向東斷層較北向西斷層發育,占斷層總數的80%。所有斷層落差均未超過 10 m 。

(3)陷落柱。陷落柱是指埋藏在地下的可溶性岩層、礦層(如石灰岩、白雲岩、泥灰岩及石膏等)在地下水的物理、化學作用下,形成大量的岩溶洞穴,並在上覆岩層的作用下產生塌陷現象,破壞岩層和礦層的完整性。由於塌陷體的形狀麵是一柱狀,故稱其為陷落柱。成莊礦的地質條件複雜,賦存大量的陷落柱,以一水平計,平均3.28個/km2,陷落柱平均麵積3 350 m2 /個,大量陷落柱的存在不僅影響著成莊礦采掘設計、街接和正常生產,而且給成莊礦井的瓦斯管理工作帶來了很大的難度,這是因為瓦斯的噴出大多發生在地質破壞帶、石灰岩溶洞,它為瓦斯的噴出提供了通道,而且陷落柱越大,它對周圍的岩層破壞越嚴重,發生瓦斯噴出的可能性就越大。

1.2　煤的變質程度

煤的變質程度對煤層瓦斯的影響,這是由於煤的變質程度不僅影響瓦斯的生成量,而且對煤的結構、孔隙率和吸附性等存在明顯的影響,從統計資料來看,瓦斯湧出量是隨煤的變質程度的增加而有規律的增長。這是因為隨著變質程度的增高,生成的瓦斯量也不斷增大,煤中的微孔隙率和煤的比表麵積增加。吸附瓦斯能力增強,瓦斯含量增加,在開采過程中瓦斯湧出量也就大。

1.3　圍岩性質

煤層的頂底板岩性在一定程度上也影響煤層內瓦斯賦存,當頂底板岩性屬砂岩,特別是裂隙發育的砂岩時,煤層內賦含的瓦斯就相對較少。成莊礦目前開采的3#煤位於山西組下部,沉積穩定,上距KS底板 24.15 m ,下距K7頂板 6.12 m ,距5#煤幫 2.18m 。煤厚5.68~ 7.20 m ,平均 6.05 m ,結構簡單,煤層頂板多為粉砂岩,少數為泥岩,底板多為泥岩,少數為粉砂岩。在開采過程中,工作麵的瓦斯含量受圍岩影響比較小。

1.4　水文地質

地下水活躍的地區,通常煤層瓦斯含量較小,反之,煤層瓦斯含量高。成莊礦的井田構造以單斜為主,斷裂較少,各含水層間泥岩類隔水層的存在,使各含水層地下水無水力聯係,煤層主要充水含水層為太原組及山西組含水層,其富水性弱。

1.5　井田內及周邊小煤礦

目前,在成莊礦井田內及周邊生產的地方煤礦有17座(有證礦16座,私開礦1座即師莊礦,已於2001年5月底暫停,但未按標準關閉)。其中史村、段都、劉村、楊莊、郭河、白沙等10座煤礦有不同程度越界開采現象。據初步統計:小煤窖越界開采麵積達288.62萬m2,破壞3#煤層地質儲量2 620.78萬t。首采一盤區儲量幾乎破壞殆盡,三、四、五盤區和備用區也遭到不同程度破壞。尤其是西山聯營礦、祥和聯營礦2#井2礦已越界進入成莊礦正在布置的四盤區開采,直接破壞了4301、4302、4307、4308等4個綜采放頂煤工作麵。嚴重影響了成莊礦的整體開拓布署,給礦井的安全生產也造成了重大的威脅。這是由於小煤礦的生產缺乏統一規劃,合理布置,雖然目前政府三令五申關閉小煤礦,但是情況仍不容樂觀,再加上大礦與小煤礦的複雜的關係,很難知道其井下的巷道和采麵的布置,來自小煤礦采空區的瓦斯和水就成為威脅成莊礦安全生產的至關重要的因素。

2　防治對策

2.1　準確預測預報采區工作麵的瓦斯湧出量

(1)掘進巷道瓦斯湧出量Q掘的計算:

Q掘=W×K掘

式中　W———瓦斯含量,m3/t;

　K掘———掘進巷道絕對瓦斯湧出量與煤層瓦

斯儲量的比值,當Q> 1 m3 /min時,

取0.20~0.23;當Q< 1 m3 /min時,

取0.11~0.15。

(2)采煤麵瓦斯湧出量Q采的計算:

Q采=WK采式中　K采———采煤麵相對瓦斯湧出量與煤層瓦斯含量的比值,取1.4~1.9。

(3)采區相對瓦斯湧出量的q區的計算:

q區=K區(∑q采+∑q掘)/A

式中　K區———生產采區采空區瓦斯湧出係數,取1.4~1.20;

　A———日產量,t。

(4)礦井相對瓦斯湧出量q礦的計算:

q礦=K礦[(1440∑q)/A]式中　K礦———已采采空區瓦斯湧出係數,1.27~1.36。

2.2　提高地質構造探測的準確率

隨著煤礦生產機械自動化程度的不斷提高,采掘方法對地質構造的控製精度的要求也越來越高,原地質精查階段對地質構造的控製精度已不能滿足煤礦生產的需要,必須進行多種物探方式的補充勘探,根據調研,采用地麵三維地震勘探方法進行地麵探製,控製網為 5 m × 5 m ,在三盤區地麵 1.1 km 2範圍內查明井下賦存直徑大於 30 m 的陷落柱12個,準確率為75%,並能夠測定陷落柱的麵積,但陷落柱中心位置偏移,準確率低。為此,又采取以下2步走的方法加以驗證:第一步,工作麵每掘進 1 km 立即進行最終坑透,並把曆次數據與最終數據進行對比,確定可靠性較大的懷疑區;第二步,用取芯鑽探方法探測懷疑區,其準確率為100%。

2.3　建立一支高素質的礦井地質隊伍

礦井地質是一門探索性、區域性、綜合性和應用性很強的技術學科,這就要求首先要改善地質技術隊伍的層次結構,不斷提高技術人員的文化、業務素質,為礦井的安全生產提供強力的技術保證;其次要加強礦井地質基礎工作的研究,注重各專業基礎資料的標準化、規範化的編製與管理,圖件要符合01manbetx 規定,各類台帳做到整潔、美觀、實用性強,提高“地質三書”的技術含量;三是要加強基礎資料的03manbetx 研究,注重廣大地質人員綜合03manbetx 能力的培養,不斷提高對地質規律性的認識,提高預測水平;四要開展地質經濟的研究,在礦井、盤區或工作麵設計前從地質的角度提出經濟效益03manbetx 報告,為生產設計提供更合理、更有效地開、掘、采;五是要對生產設計與管理人員加強地質專業技術培訓,提高他們的地質技術水平,才能從根本上發揮礦井地質的作用。

2.4　采取有效措施製止小煤礦的無序發展首先應采取堵、截措施、加強地麵調查,開展預測預報工作。根據近幾年來製止小煤礦的情況來看,既要依靠法治,更要依靠自己的力量,爭取主動權。從已開采的小煤礦的分布情況來看,集團公司和礦設計部門在部署新工作麵時應根據現有巷道的開拓情況,對小煤礦生產能起到限製其發展及破壞作用,對盤區破壞較嚴重的小煤礦,可打巷道包圍,放落井筒,迫使其無法正常生產。對某些影響不大又不能進行破壞的小煤礦,應采取開巷道堵割限製擴大的辦法。

加強地麵調查,搞好預測工作。對礦區隨時發生的小煤窯的井口位置,經營單位、井型大小以及其建井日期都來要作詳細調查。對其開采範圍,由於調查難,可根據其產量,結合地質情況,粗略的進行預測,並把預測的範圍,及時填繪在采掘工程平麵圖上,供設計時進行全盤考慮。在井下,凡是在小煤礦區或接近小煤礦邊界進行掘進、生產工作麵、都要依靠廣大職工和地質人員進行觀察,一旦發現小煤礦存在的信息,就要組織人員進行探測,一直到探明情況為止。

3　結　語

成莊礦應樹立礦井地質技術是第一生產力的思想,在礦井地質技術方麵加大投入,加速對礦井煤層瓦斯分布規律的研究和探討,必定會提高瓦斯災害的預測水平,對確保礦井的安全生產具有重要的現實意義。

　　作者簡介:成蘇平(1971-),1995年畢業於山東礦業學院工程測量專業,參加工作以來一直從事地測工作,有著豐富的實踐經驗。

·國外煤礦安全信息·

抽放瓦斯鑽孔的結構

從含煤岩係抽放瓦斯的鑽孔首先應當保證安全,也就是使開采項目下部和上部含煤層隔離,甚至不能使瓦斯溢流到上部含水層。這樣,鑽孔結構應當簡單和“輕便”,以便減少固孔的金屬和水泥的消耗量,並利用輕便型的鑽孔設備。鑽孔結構取決於區域的地質結構,瓦斯賦存的溫度和氣壓條件,在岩體中瓦斯存在形狀(自由的,吸附的),以及鑽孔的目標作用等。按鑽孔結構分為4個組:Ⅰ—抽放含煤岩係瓦斯;Ⅱ—抽放生產活動的含煤岩係的瓦斯(采空區);Ⅲ—抽放砂岩和岩層—集聚層自由集聚的瓦斯;Ⅳ—抽放層間水中溶解的瓦斯。對於各組的鑽孔結構都一樣,隻是在作業段安置過濾孔筒不一樣。過濾管選擇要根據作業段的礦山—地質條件和岩石的構造。在實際中采用鑽孔的2種過濾部分的結構:第一種的過濾管直接安置在作業套

管的下部;第二種的過濾管通過作業套管單獨下在套管鞋下部。