成蘇平(晉城煤業(yè)集團(tuán)技術(shù)中心,山西晉城048000)

摘　要:運(yùn)用瓦斯地質(zhì)邊緣學(xué)科理論,分析了成莊礦煤層瓦斯分布規(guī)律與地質(zhì)因素的關(guān)系,及時進(jìn)行瓦斯預(yù)測預(yù)報,有針對性地制訂出瓦斯防治措施,對確保礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞:瓦斯積聚;地質(zhì)因素;瓦斯預(yù)測預(yù)報

中圖分類號:TD712+.54　　文獻(xiàn)標(biāo)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(dú)指CH4。瓦斯是在礦井采掘過程中,從煤層、巖層、采空區(qū)放出的和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的。煤層的瓦斯含量越高,開采煤層時涌入井巷和工作面的瓦斯就越多,瓦斯災(zāi)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(jù)煤層瓦斯含量的大小,確定開拓開采方法、巷道布置及通風(fēng)方式等,建立瓦斯管理制度。

煤礦井巷和工作面的瓦斯主要有4個來源:①采落下來的煤炭中釋放出的瓦斯;②從采掘工作面煤壁內(nèi)釋放出的瓦斯;③從煤巷兩幫及頂?shù)装遽尫懦龅耐咚?④從采空區(qū)及鄰近煤層中放出瓦斯。礦井瓦斯的涌出有2種形式:即普通涌出和特殊涌出。普通涌出是指煤層或巖層中的瓦斯,均勻、緩慢、長期地向工作面和巷道涌出,它是礦井瓦斯涌出量的主要形式,礦井的日常瓦斯管理主要是針對這部分瓦斯。特殊涌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(tài)下,從煤巖裂縫中突然噴出;煤與瓦斯的突然噴出是指在采掘過程中,在極短的時間內(nèi),突然由煤體內(nèi)噴出大量的煤與瓦斯,并伴隨有強(qiáng)烈的聲響和強(qiáng)大的機(jī)械效應(yīng)的

一種動力現(xiàn)象。瓦斯特殊涌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(chǎn)影響很大。在治理普通瓦斯涌出的同時,切不可忽視瓦斯的特殊涌出,應(yīng)采取特殊的專門治理措施。

1　影響礦井瓦斯含量的地質(zhì)因素

1.1　地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是影響瓦斯存儲最重要的條件之一,封閉型地質(zhì)構(gòu)造有利于封閉瓦斯,開放性地質(zhì)構(gòu)造有利于排放瓦斯。瓦斯噴出大多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造破壞帶、溶洞裂縫區(qū)、背斜和向斜軸部儲瓦斯區(qū)以及其它儲瓦斯構(gòu)造與原始洞縫相通的區(qū)域,是發(fā)生瓦斯噴出的良好通道,對礦井的安全生產(chǎn)起著關(guān)鍵性的作用。

(1)褶曲構(gòu)造。成莊井田位于太行復(fù)背斜西翼,沁水盆地東端,為陽城山字型構(gòu)造體系脊柱部分南端東側(cè)及馬蹄形盾地的北側(cè)與新華夏構(gòu)造的復(fù)合部位。井田內(nèi)主要為一走向北北東逐漸轉(zhuǎn)為北東向,傾向?yàn)楸蔽鞯膯涡睒?gòu)造。井田內(nèi)地層平緩,傾角3°~15°,一般在10°以內(nèi)。在此單斜基礎(chǔ)上發(fā)育著幅度不大兩翼平緩、開闊的背向斜褶曲構(gòu)造,使井田內(nèi)地層呈波狀起伏。據(jù)地形地質(zhì)圖,井田內(nèi)一水平范圍內(nèi)有3條短軸褶曲,另據(jù)3#煤層底板等高線圖,一水平中北部有2條明顯的背斜構(gòu)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(nèi)最大背斜構(gòu)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(guī)律可知:在軸曲的軸部,尤其是背斜軸部地區(qū)瓦斯含量較高。

(2)斷裂構(gòu)造。斷層對煤層瓦斯含量的影響比較復(fù)雜,一方面要看斷層的封閉性,另一方面還要看與煤層接觸的對盤巖層的透氣性。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(dāng)與煤層接觸的對盤巖層透氣性大時,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巖層透氣性低時,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(jù)地質(zhì)填圖,井田一水平范圍內(nèi)出露出12條正斷層。井下共揭露22條正斷層,從現(xiàn)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。按斷層面走向基本分為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(fā)育,占斷層總數(shù)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巖層、礦層(如石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r及石膏等)在地下水的物理、化學(xué)作用下,形成大量的巖溶洞穴,并在上覆巖層的作用下產(chǎn)生塌陷現(xiàn)象,破壞巖層和礦層的完整性。由于塌陷體的形狀面是一柱狀,故稱其為陷落柱。成莊礦的地質(zhì)條件復(fù)雜,賦存大量的陷落柱,以一水平計(jì),平均3.28個/km2,陷落柱平均面積3 350 m2/個,大量陷落柱的存在不僅影響著成莊礦采掘設(shè)計(jì)、街接和正常生產(chǎn),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?yàn)橥咚沟膰姵龃蠖喟l(fā)生在地質(zhì)破壞帶、石灰?guī)r溶洞,它為瓦斯的噴出提供了通道,而且陷落柱越大,它對周圍的巖層破壞越嚴(yán)重,發(fā)生瓦斯噴出的可能性就越大。

1.2　煤的變質(zhì)程度

煤的變質(zhì)程度對煤層瓦斯的影響,這是由于煤的變質(zhì)程度不僅影響瓦斯的生成量,而且對煤的結(jié)構(gòu)、孔隙率和吸附性等存在明顯的影響,從統(tǒng)計(jì)資料來看,瓦斯涌出量是隨煤的變質(zhì)程度的增加而有規(guī)律的增長。這是因?yàn)殡S著變質(zhì)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面積增加。吸附瓦斯能力增強(qiáng),瓦斯含量增加,在開采過程中瓦斯涌出量也就大。

1.3　圍巖性質(zhì)

煤層的頂?shù)装鍘r性在一定程度上也影響煤層內(nèi)瓦斯賦存,當(dāng)頂?shù)装鍘r性屬砂巖,特別是裂隙發(fā)育的砂巖時,煤層內(nèi)賦含的瓦斯就相對較少。成莊礦目前開采的3#煤位于山西組下部,沉積穩(wěn)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(jié)構(gòu)簡單,煤層頂板多為粉砂巖,少數(shù)為泥巖,底板多為泥巖,少數(shù)為粉砂巖。在開采過程中,工作面的瓦斯含量受圍巖影響比較小。

1.4　水文地質(zhì)

地下水活躍的地區(qū),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(gòu)造以單斜為主,斷裂較少,各含水層間泥巖類隔水層的存在,使各含水層地下水無水力聯(lián)系,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(nèi)及周邊小煤礦

目前,在成莊礦井田內(nèi)及周邊生產(chǎn)的地方煤礦有17座(有證礦16座,私開礦1座即師莊礦,已于2001年5月底暫停,但未按標(biāo)準(zhǔn)關(guān)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(xiàn)象。據(jù)初步統(tǒng)計(jì):小煤窖越界開采面積達(dá)288.62萬m2,破壞3#煤層地質(zhì)儲量2 620.78萬t。首采一盤區(qū)儲量幾乎破壞殆盡,三、四、五盤區(qū)和備用區(qū)也遭到不同程度破壞。尤其是西山聯(lián)營礦、祥和聯(lián)營礦2#井2礦已越界進(jìn)入成莊礦正在布置的四盤區(qū)開采,直接破壞了4301、4302、4307、4308等4個綜采放頂煤工作面。嚴(yán)重影響了成莊礦的整體開拓布署,給礦井的安全生產(chǎn)也造成了重大的威脅。這是由于小煤礦的生產(chǎn)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃,合理布置,雖然目前政府三令五申關(guān)閉小煤礦,但是情況仍不容樂觀,再加上大礦與小煤礦的復(fù)雜的關(guān)系,很難知道其井下的巷道和采面的布置,來自小煤礦采空區(qū)的瓦斯和水就成為威脅成莊礦安全生產(chǎn)的至關(guān)重要的因素。

2　防治對策

2.1　準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報采區(qū)工作面的瓦斯涌出量

(1)掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量Q掘的計(jì)算:

Q掘=W×K掘

式中　W———瓦斯含量,m3/t;

　K掘———掘進(jìn)巷道絕對瓦斯涌出量與煤層瓦

斯儲量的比值,當(dāng)Q>1 m3/min時,

取0.20~0.23;當(dāng)Q<1 m3/min時,

取0.11~0.15。

(2)采煤面瓦斯涌出量Q采的計(jì)算:

Q采=WK采式中　K采———采煤面相對瓦斯涌出量與煤層瓦斯含量的比值,取1.4~1.9。

(3)采區(qū)相對瓦斯涌出量的q區(qū)的計(jì)算:

q區(qū)=K區(qū)(∑q采+∑q掘)/A

式中　K區(qū)———生產(chǎn)采區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù),取1.4~1.20;

　A———日產(chǎn)量,t。

(4)礦井相對瓦斯涌出量q礦的計(jì)算:

q礦=K礦[(1440∑q)/A]式中　K礦———已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù),1.27~1.36。

2.2　提高地質(zhì)構(gòu)造探測的準(zhǔn)確率

隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械自動化程度的不斷提高,采掘方法對地質(zhì)構(gòu)造的控制精度的要求也越來越高,原地質(zhì)精查階段對地質(zhì)構(gòu)造的控制精度已不能滿足煤礦生產(chǎn)的需要,必須進(jìn)行多種物探方式的補(bǔ)充勘探,根據(jù)調(diào)研,采用地面三維地震勘探方法進(jìn)行地面探制,控制網(wǎng)為5 m×5 m,在三盤區(qū)地面1.1 km2范圍內(nèi)查明井下賦存直徑大于30 m的陷落柱12個,準(zhǔn)確率為75%,并能夠測定陷落柱的面積,但陷落柱中心位置偏移,準(zhǔn)確率低。為此,又采取以下2步走的方法加以驗(yàn)證:第一步,工作面每掘進(jìn)1 km立即進(jìn)行最終坑透,并把歷次數(shù)據(jù)與最終數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,確定可靠性較大的懷疑區(qū);第二步,用取芯鉆探方法探測懷疑區(qū),其準(zhǔn)確率為100%。

2.3　建立一支高素質(zhì)的礦井地質(zhì)隊(duì)伍

礦井地質(zhì)是一門探索性、區(qū)域性、綜合性和應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科,這就要求首先要改善地質(zhì)技術(shù)隊(duì)伍的層次結(jié)構(gòu),不斷提高技術(shù)人員的文化、業(yè)務(wù)素質(zhì),為礦井的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)力的技術(shù)保證;其次要加強(qiáng)礦井地質(zhì)基礎(chǔ)工作的研究,注重各專業(yè)基礎(chǔ)資料的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的編制與管理,圖件要符合規(guī)程規(guī)定,各類臺帳做到整潔、美觀、實(shí)用性強(qiáng),提高“地質(zhì)三書”的技術(shù)含量;三是要加強(qiáng)基礎(chǔ)資料的分析研究,注重廣大地質(zhì)人員綜合分析能力的培養(yǎng),不斷提高對地質(zhì)規(guī)律性的認(rèn)識,提高預(yù)測水平;四要開展地質(zhì)經(jīng)濟(jì)的研究,在礦井、盤區(qū)或工作面設(shè)計(jì)前從地質(zhì)的角度提出經(jīng)濟(jì)效益分析報告,為生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供更合理、更有效地開、掘、采;五是要對生產(chǎn)設(shè)計(jì)與管理人員加強(qiáng)地質(zhì)專業(yè)技術(shù)培訓(xùn),提高他們的地質(zhì)技術(shù)水平,才能從根本上發(fā)揮礦井地質(zhì)的作用。

2.4　采取有效措施制止小煤礦的無序發(fā)展首先應(yīng)采取堵、截措施、加強(qiáng)地面調(diào)查,開展預(yù)測預(yù)報工作。根據(jù)近幾年來制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(quán)。從已開采的小煤礦的分布情況來看,集團(tuán)公司和礦設(shè)計(jì)部門在部署新工作面時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有巷道的開拓情況,對小煤礦生產(chǎn)能起到限制其發(fā)展及破壞作用,對盤區(qū)破壞較嚴(yán)重的小煤礦,可打巷道包圍,放落井筒,迫使其無法正常生產(chǎn)。對某些影響不大又不能進(jìn)行破壞的小煤礦,應(yīng)采取開巷道堵割限制擴(kuò)大的辦法。

加強(qiáng)地面調(diào)查,搞好預(yù)測工作。對礦區(qū)隨時發(fā)生的小煤窯的井口位置,經(jīng)營單位、井型大小以及其建井日期都來要作詳細(xì)調(diào)查。對其開采范圍,由于調(diào)查難,可根據(jù)其產(chǎn)量,結(jié)合地質(zhì)情況,粗略的進(jìn)行預(yù)測,并把預(yù)測的范圍,及時填繪在采掘工程平面圖上,供設(shè)計(jì)時進(jìn)行全盤考慮。在井下,凡是在小煤礦區(qū)或接近小煤礦邊界進(jìn)行掘進(jìn)、生產(chǎn)工作面、都要依靠廣大職工和地質(zhì)人員進(jìn)行觀察,一旦發(fā)現(xiàn)小煤礦存在的信息,就要組織人員進(jìn)行探測,一直到探明情況為止。

3　結(jié)　語

成莊礦應(yīng)樹立礦井地質(zhì)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的思想,在礦井地質(zhì)技術(shù)方面加大投入,加速對礦井煤層瓦斯分布規(guī)律的研究和探討,必定會提高瓦斯災(zāi)害的預(yù)測水平,對確保礦井的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　作者簡介:成蘇平(1971-),1995年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院工程測量專業(yè),參加工作以來一直從事地測工作,有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

·國外煤礦安全信息·

抽放瓦斯鉆孔的結(jié)構(gòu)

從含煤巖系抽放瓦斯的鉆孔首先應(yīng)當(dāng)保證安全,也就是使開采項(xiàng)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,鉆孔結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)簡單和“輕便”,以便減少固孔的金屬和水泥的消耗量,并利用輕便型的鉆孔設(shè)備。鉆孔結(jié)構(gòu)取決于區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu),瓦斯賦存的溫度和氣壓條件,在巖體中瓦斯存在形狀(自由的,吸附的),以及鉆孔的目標(biāo)作用等。按鉆孔結(jié)構(gòu)分為4個組:Ⅰ—抽放含煤巖系瓦斯;Ⅱ—抽放生產(chǎn)活動的含煤巖系的瓦斯(采空區(qū));Ⅲ—抽放砂巖和巖層—集聚層自由集聚的瓦斯;Ⅳ—抽放層間水中溶解的瓦斯。對于各組的鉆孔結(jié)構(gòu)都一樣,只是在作業(yè)段安置過濾孔筒不一樣。過濾管選擇要根據(jù)作業(yè)段的礦山—地質(zhì)條件和巖石的構(gòu)造。在實(shí)際中采用鉆孔的2種過濾部分的結(jié)構(gòu):第一種的過濾管直接安置在作業(yè)套

管的下部;第二種的過濾管通過作業(yè)套管單獨(dú)下在套管鞋下部。