成庄矿煤层瓦斯积聚的地质因素及防治对策

成苏平(晋城煤业集团技术中心,山西晋城048000)

摘　要:运用瓦斯地质边缘学科理论,分析了成庄矿煤层瓦斯分布规律与地质因素的关系,及时进行瓦斯预测预报,有针对性地制订出瓦斯防治措施,对确保矿井安全生产具有重要的意义。

关键词:瓦斯积聚;地质因素;瓦斯预测预报

中图分类号:TD712+.54　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-496X(2006)06-0014-03

　　矿井瓦斯就是井下以CH4为主的有毒、有害气体的总称,有时单独指CH4。瓦斯是在矿井采掘过程中,从煤层、岩层、采空区放出的和生产过程中产生的。煤层的瓦斯含量越高,开采煤层时涌入井巷和工作面的瓦斯就越多,瓦斯灾害的威胁也越大。

因此,在煤层开采之前,需要先确定煤层瓦斯含量,根据煤层瓦斯含量的大小,确定开拓开采方法、巷道布置及通风方式等,建立瓦斯管理制度。

煤矿井巷和工作面的瓦斯主要有4个来源:①采落下来的煤炭中释放出的瓦斯;②从采掘工作面煤壁内释放出的瓦斯;③从煤巷两帮及顶底板释放出的瓦斯;④从采空区及邻近煤层中放出瓦斯。矿井瓦斯的涌出有2种形式:即普通涌出和特殊涌出。普通涌出是指煤层或岩层中的瓦斯,均匀、缓慢、长期地向工作面和巷道涌出,它是矿井瓦斯涌出量的主要形式,矿井的日常瓦斯管理主要是针对这部分瓦斯。特殊涌出包括瓦斯喷出和煤与瓦斯突出:瓦斯喷出是指大量瓦斯在压力状态下,从煤岩裂缝中突然喷出;煤与瓦斯的突然喷出是指在采掘过程中,在极短的时间内,突然由煤体内喷出大量的煤与瓦斯,并伴随有强烈的声响和强大的机械效应的

一种动力现象。瓦斯特殊涌出带有突然性和集中性,有很大的破坏性,对矿井的安全生产影响很大。在治理普通瓦斯涌出的同时,切不可忽视瓦斯的特殊涌出,应采取特殊的专门治理措施。

1　影响矿井瓦斯含量的地质因素

1.1　地质构造

地质构造是影响瓦斯存储最重要的条件之一,封闭型地质构造有利于封闭瓦斯,开放性地质构造有利于排放瓦斯。瓦斯喷出大多发生在地质构造破坏带、溶洞裂缝区、背斜和向斜轴部储瓦斯区以及其它储瓦斯构造与原始洞缝相通的区域,是发生瓦斯喷出的良好通道,对矿井的安全生产起着关键性的作用。

(1)褶曲构造。成庄井田位于太行复背斜西翼,沁水盆地东端,为阳城山字型构造体系脊柱部分南端东侧及马蹄形盾地的北侧与新华夏构造的复合部位。井田内主要为一走向北北东逐渐转为北东向,倾向为北西的单斜构造。井田内地层平缓,倾角3°~15°,一般在10°以内。在此单斜基础上发育着幅度不大两翼平缓、开阔的背向斜褶曲构造,使井田内地层呈波状起伏。据地形地质图,井田内一水平范围内有3条短轴褶曲,另据3#煤层底板等高线图,一水平中北部有2条明显的背斜构造。它们是杨庄北向斜、杨庄北背斜、常坡西背斜、47#背斜、54#背斜,其中47#背斜是一水平内最大背斜构造,背斜轴向长280 m,延伸长度300 m左右,幅度35 m左右。按瓦斯积聚规律可知:在轴曲的轴部,尤其是背斜轴部地区瓦斯含量较高。

(2)断裂构造。断层对煤层瓦斯含量的影响比较复杂,一方面要看断层的封闭性,另一方面还要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。开性断层不论其与地表是否直接相通都会引起断层附近的煤层瓦斯含量降低,当与煤层接触的对盘岩层透气性大时,瓦斯含量降低的幅度大,封闭性断层而且与煤层接触的对盘岩层透气性低时,可以阻止瓦斯的排放,在这种条件下,煤层具有较高的瓦斯含量。据地质填图,井田一水平范围内出露出12条正断层。井下共揭露22条正断层,从现有的断层资料来看,均为高角度小型正断层,最大落差10 m,最大延伸长度300m。按断层面走向基本分为2组,一组为北向东,另一组为北向西,北向东断层较北向西断层发育,占断层总数的80%。所有断层落差均未超过10 m。

(3)陷落柱。陷落柱是指埋藏在地下的可溶性岩层、矿层(如石灰岩、白云岩、泥灰岩及石膏等)在地下水的物理、化学作用下,形成大量的岩溶洞穴,并在上覆岩层的作用下产生塌陷现象,破坏岩层和矿层的完整性。由于塌陷体的形状面是一柱状,故称其为陷落柱。成庄矿的地质条件复杂,赋存大量的陷落柱,以一水平计,平均3.28个/km2,陷落柱平均面积3 350 m2/个,大量陷落柱的存在不仅影响着成庄矿采掘设计、街接和正常生产,而且给成庄矿井的瓦斯管理工作带来了很大的难度,这是因为瓦斯的喷出大多发生在地质破坏带、石灰岩溶洞,它为瓦斯的喷出提供了通道,而且陷落柱越大,它对周围的岩层破坏越严重,发生瓦斯喷出的可能性就越大。

1.2　煤的变质程度

煤的变质程度对煤层瓦斯的影响,这是由于煤的变质程度不仅影响瓦斯的生成量,而且对煤的结构、孔隙率和吸附性等存在明显的影响,从统计资料来看,瓦斯涌出量是随煤的变质程度的增加而有规律的增长。这是因为随着变质程度的增高,生成的瓦斯量也不断增大,煤中的微孔隙率和煤的比表面积增加。吸附瓦斯能力增强,瓦斯含量增加,在开采过程中瓦斯涌出量也就大。

1.3　围岩性质

煤层的顶底板岩性在一定程度上也影响煤层内瓦斯赋存,当顶底板岩性属砂岩,特别是裂隙发育的砂岩时,煤层内赋含的瓦斯就相对较少。成庄矿目前开采的3#煤位于山西组下部,沉积稳定,上距KS底板24.15 m,下距K7顶板6.12 m,距5#煤帮2.18m。煤厚5.68~7.20 m,平均6.05 m,结构简单,煤层顶板多为粉砂岩,少数为泥岩,底板多为泥岩,少数为粉砂岩。在开采过程中,工作面的瓦斯含量受围岩影响比较小。

1.4　水文地质

地下水活跃的地区,通常煤层瓦斯含量较小,反之,煤层瓦斯含量高。成庄矿的井田构造以单斜为主,断裂较少,各含水层间泥岩类隔水层的存在,使各含水层地下水无水力联系,煤层主要充水含水层为太原组及山西组含水层,其富水性弱。

1.5　井田内及周边小煤矿

目前,在成庄矿井田内及周边生产的地方煤矿有17座(有证矿16座,私开矿1座即师庄矿,已于2001年5月底暂停,但未按标准关闭)。其中史村、段都、刘村、杨庄、郭河、白沙等10座煤矿有不同程度越界开采现象。据初步统计:小煤窖越界开采面积达288.62万m2,破坏3#煤层地质储量2 620.78万t。首采一盘区储量几乎破坏殆尽,三、四、五盘区和备用区也遭到不同程度破坏。尤其是西山联营矿、祥和联营矿2#井2矿已越界进入成庄矿正在布置的四盘区开采,直接破坏了4301、4302、4307、4308等4个综采放顶煤工作面。严重影响了成庄矿的整体开拓布署,给矿井的安全生产也造成了重大的威胁。这是由于小煤矿的生产缺乏统一规划,合理布置,虽然目前政府三令五申关闭小煤矿,但是情况仍不容乐观,再加上大矿与小煤矿的复杂的关系,很难知道其井下的巷道和采面的布置,来自小煤矿采空区的瓦斯和水就成为威胁成庄矿安全生产的至关重要的因素。

2　防治对策

2.1　准确预测预报采区工作面的瓦斯涌出量

(1)掘进巷道瓦斯涌出量Q掘的计算:

Q掘=W×K掘

式中　W———瓦斯含量,m3/t;

　K掘———掘进巷道绝对瓦斯涌出量与煤层瓦

斯储量的比值,当Q>1 m3/min时,

取0.20~0.23;当Q<1 m3/min时,

取0.11~0.15。

(2)采煤面瓦斯涌出量Q采的计算:

Q采=WK采式中　K采———采煤面相对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的比值,取1.4~1.9。

(3)采区相对瓦斯涌出量的q区的计算:

q区=K区(∑q采+∑q掘)/A

式中　K区———生产采区采空区瓦斯涌出系数,取1.4~1.20;

　A———日产量,t。

(4)矿井相对瓦斯涌出量q矿的计算:

q矿=K矿[(1440∑q)/A]式中　K矿———已采采空区瓦斯涌出系数,1.27~1.36。

2.2　提高地质构造探测的准确率

随着煤矿生产机械自动化程度的不断提高,采掘方法对地质构造的控制精度的要求也越来越高,原地质精查阶段对地质构造的控制精度已不能满足煤矿生产的需要,必须进行多种物探方式的补充勘探,根据调研,采用地面三维地震勘探方法进行地面探制,控制网为5 m×5 m,在三盘区地面1.1 km2范围内查明井下赋存直径大于30 m的陷落柱12个,准确率为75%,并能够测定陷落柱的面积,但陷落柱中心位置偏移,准确率低。为此,又采取以下2步走的方法加以验证:第一步,工作面每掘进1 km立即进行最终坑透,并把历次数据与最终数据进行对比,确定可靠性较大的怀疑区;第二步,用取芯钻探方法探测怀疑区,其准确率为100%。

2.3　建立一支高素质的矿井地质队伍

矿井地质是一门探索性、区域性、综合性和应用性很强的技术学科,这就要求首先要改善地质技术队伍的层次结构,不断提高技术人员的文化、业务素质,为矿井的安全生产提供强力的技术保证;其次要加强矿井地质基础工作的研究,注重各专业基础资料的标准化、规范化的编制与管理,图件要符合规程规定,各类台帐做到整洁、美观、实用性强,提高“地质三书”的技术含量;三是要加强基础资料的分析研究,注重广大地质人员综合分析能力的培养,不断提高对地质规律性的认识,提高预测水平;四要开展地质经济的研究,在矿井、盘区或工作面设计前从地质的角度提出经济效益分析报告,为生产设计提供更合理、更有效地开、掘、采;五是要对生产设计与管理人员加强地质专业技术培训,提高他们的地质技术水平,才能从根本上发挥矿井地质的作用。

2.4　采取有效措施制止小煤矿的无序发展首先应采取堵、截措施、加强地面调查,开展预测预报工作。根据近几年来制止小煤矿的情况来看,既要依靠法治,更要依靠自己的力量,争取主动权。从已开采的小煤矿的分布情况来看,集团公司和矿设计部门在部署新工作面时应根据现有巷道的开拓情况,对小煤矿生产能起到限制其发展及破坏作用,对盘区破坏较严重的小煤矿,可打巷道包围,放落井筒,迫使其无法正常生产。对某些影响不大又不能进行破坏的小煤矿,应采取开巷道堵割限制扩大的办法。

加强地面调查,搞好预测工作。对矿区随时发生的小煤窑的井口位置,经营单位、井型大小以及其建井日期都来要作详细调查。对其开采范围,由于调查难,可根据其产量,结合地质情况,粗略的进行预测,并把预测的范围,及时填绘在采掘工程平面图上,供设计时进行全盘考虑。在井下,凡是在小煤矿区或接近小煤矿边界进行掘进、生产工作面、都要依靠广大职工和地质人员进行观察,一旦发现小煤矿存在的信息,就要组织人员进行探测,一直到探明情况为止。

3　结　语

成庄矿应树立矿井地质技术是第一生产力的思想,在矿井地质技术方面加大投入,加速对矿井煤层瓦斯分布规律的研究和探讨,必定会提高瓦斯灾害的预测水平,对确保矿井的安全生产具有重要的现实意义。

　　作者简介:成苏平(1971-),1995年毕业于山东矿业学院工程测量专业,参加工作以来一直从事地测工作,有着丰富的实践经验。

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抽放瓦斯钻孔的结构

从含煤岩系抽放瓦斯的钻孔首先应当保证安全,也就是使开采项目下部和上部含煤层隔离,甚至不能使瓦斯溢流到上部含水层。这样,钻孔结构应当简单和“轻便”,以便减少固孔的金属和水泥的消耗量,并利用轻便型的钻孔设备。钻孔结构取决于区域的地质结构,瓦斯赋存的温度和气压条件,在岩体中瓦斯存在形状(自由的,吸附的),以及钻孔的目标作用等。按钻孔结构分为4个组:Ⅰ—抽放含煤岩系瓦斯;Ⅱ—抽放生产活动的含煤岩系的瓦斯(采空区);Ⅲ—抽放砂岩和岩层—集聚层自由集聚的瓦斯;Ⅳ—抽放层间水中溶解的瓦斯。对于各组的钻孔结构都一样,只是在作业段安置过滤孔筒不一样。过滤管选择要根据作业段的矿山—地质条件和岩石的构造。在实际中采用钻孔的2种过滤部分的结构:第一种的过滤管直接安置在作业套

管的下部;第二种的过滤管通过作业套管单独下在套管鞋下部。