地质构造和开采对瓦斯涌出的影响

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1 井田概况

张新煤矿井田位于鸡西煤盆地南部条带中部的主背斜的南翼。含煤地层为中生界上侏罗纪鸡西群城子河含煤组。城子河含煤组共有30个煤层，在张新矿井田内，可采煤层自上而下依次是8^#、7^#、7^#下、6D上、6D下、6C、6B、6A、3^#、2^#、1^#共11层可采煤层，底板间距在200～240m之间，是主要含煤段，其间以中砂岩、细砂岩、粉砂岩、煤组成；含有泥岩及凝灰岩夹层。

井田呈东西走向倾向南，属缓倾斜的单斜煤层，北有平阳一麻山逆断层，东有落差为500m北东向F49断层，井田内除平阳一麻山逆断层外，共有大中型断支75条，性质均为正断层，无褶曲。在煤层走向剖面上，地堑、地垒相间排列。断层走向北东落差大于北西落差，从断层的力学性质分析都属于张性和张扭性，断层面倾角60°～80°密度为24。1条/km²，展布长度7 361.5m/ km2 。

井田内主采煤层有8#、6D、6C、6A、3#、2#，共6层。煤层厚度由西向东逐渐变薄，3#层由西三的2.4m，到东西只有0.9m。其余各层在东四都大部有可采。

井田内煤层大都是弱粘结煤，各煤层的煤尘都具有爆炸性，煤尘爆炸指数均在30％以上。

2 矿井生产情况

张新煤矿立井是多水平开拓，一水平是一对立井和分区斜井联合开拓，二水平为暗斜井延深。井田内按断层自然划分为7个采区，即西三、西二、西一、东一、东二、东三、东四。立井地面标高为＋220m，一水平标高±0m，开采深度170m，二标高－300m，垂深300m。

立井设计生产能力及核定能力为45万t/a，1992年实际生产能力创历史最高为58万t，左右。巷道掘进均采用钻爆法，采煤工作面都是走向长壁后退式，工作面使用单位液压支柱支护，采空区全部陷落法处理。

3 矿井通风瓦斯情况

3.1矿井通风情况

立井采用分区对角抽出的通风方式。西二、西三采区由2K60－№24#轴流式通风机排风。排风量为5 1000m3/min,负压2.5Pa，西一采区由4-72-20离心式通风机排风，排风量为1 710 m3/min，负压610Pa，东一采区由KBZ-12.5轴流式通风机排风，风量1 320 m3/min，负压930Pa。

立井总排风量为10 680 m3/min。

3.2 矿井瓦斯情况

自移交生产以后，从1967年开始有瓦斯煤尘鉴定成果表。从历年瓦斯鉴定为高瓦斯矿井后，以后一直是高瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量的总趋势是上升的。说明随着开采深度的增加，煤层中的瓦斯含量是逐渐增加的。

4 瓦斯地质对瓦斯涌出的影响

煤层瓦斯含量的大小，决定于成煤过程中产生的瓦斯量和煤层保存瓦斯的条件，由于成煤过程中产生的瓦斯量远远超过煤层的保存能力。因此，瓦斯含量的大小主要取决于煤炭生产后保存瓦斯的条件，主要因素有以下几个方面：①煤的变质程度；②煤层露头；③煤层的赋存深度；④围岩性质；⑤地质构造；⑥煤层倾角；⑦水文地质条件；⑧含煤地层煤层累积厚度。

对于张新煤矿来说，影响各采区瓦斯含量的主要因素是煤层露头、围岩性质、地质构造、含煤地层的煤层累积厚度4个方面。

因为在同一生产时期，开采深度相差不大，同一井田内的煤炭变质程度、煤层倾角、水文地质条件无明显差异。

根据历年瓦斯鉴定情况扯，从东向西瓦斯相对涌出量（即瓦斯含量）是呈逐渐增加的。这与从东向西煤层厚度逐渐增大是相一致的。因此，在同一井田内，煤岩层中的瓦斯含量与煤层厚度成正比。

在立井东一、西三采区，形成煤田之后，都有岩浆活动。东一采区上部覆盖一层厚度在30～120m的火山岩，面积4km2。西三采区在8#上部，岩浆以岩床形成侵入，厚度80～230m，面积3.2 km2。

岩浆岩覆盖在煤田上部，对下部煤层起着封闭作用，使煤、岩层及断层带内的瓦斯不易释放，从而大量储存起来，一旦被揭露，就会大量涌出（喷出）。我矿在生产过程中，发生的11次较大的瓦斯喷出都是在西三和东一区域，喷出情况汇总表见表1。

表1 瓦斯喷出情况汇总表

序号

地点

层别

地质

条件

垂深/m

喷出浓度

/％

绝对涌出量/m³·min^-1

持续时间

/d

喷出瓦斯量

/m³·min^-1

备注

1

东一采三路3^#/运输下山

3^#

裂隙

395

10～90

0.6

85

73 440

与F16断层连同

2

东一采三路3^#/切割上山

3^#

裂隙

330

10～90

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td="14317">

0.43

37

22 910

与F14断层连同

3

东一采右一卷6D平巷

6D

断层

239

30～90

1.2

30

51 840

与F16断层连同

4

西三采右六车场

岩

断层

305

>95

1.2

90

155 520

与F6E断层连同

5

西三采右六水仓

8^#

断层

304

>95

1.5

60

129 600

与F6E断层连同

6

西三采反上胶带道

3^#

断层

428

>95

2.0

75

216 600

与F6E断层连同

7

西三采反上绞车道

2^#

断层

460

>95

1.1

26

41 184

与F6E断层连同

8

西三采反上风道

3^#

断层

440

>95

1.4

47

94 752

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td="14317">与F6E断层连同

9

西三采－300回风道

3^#

断层

508

>95

1.4

156

314 496

与F6E断层连同

10

西三采－300大巷

3^#

断层

459

>95

0.3

120

51 840

与F6E断层连同

11

运输石门

岩

断层

496

>95

2.5

46

16 500

与F6E断层连同

在西三采区岩浆侵入时，因受到上部巨厚的（1 500m）穆棱组与桦山群覆盖层阻挡没有喷出地表，完整地封闭在地层中，形成岩床。岩体的高温、高压对周围的岩体变质起到巨大作用，西三采区影响最突出的是8#层。在接近岩体侵入处，依次变为天然焦、贫煤、瘦煤、肥煤。从而使西三采区局部地区的8#层瓦斯含量特别高。

西部采区有较厚的冲积层覆盖，厚度在5～15m，冲积层为灰绿、黄褐色之腐植土、砂质粘土、淤泥等组成。冲积层下层的洪积层为风化碎玄武岩砾块及少量粗砂和亚粘土。煤层露头没有露出地表，煤层中瓦斯释放受到阻碍；东部采区地貌为丘陵，没有冲积层覆盖，煤层露头露出地表，地表有大冲沟4条，加大了露头暴露面积，风化裂隙很发育，达70～110m。为中等透气层，瓦斯释放条件好。开采期间证明，东部煤层比西部煤层瓦斯含量小。

5 开采对瓦斯涌出的影响

影响瓦斯涌出量主要有以下几个方面：①煤、岩的瓦斯含量；②开采规模；③开采顺序与回采方法；④生产工艺；⑤地面大气压变化；⑥风量变化；⑦采区通风系统；⑧采空区封闭质量。

对于我矿现有的通风系统，长期观测总结瓦斯涌出规律，及时预测各采掘工作面的绝对瓦斯涌出量，合理分配风量是最切合实际的工作。通过风年观测，现已发现采掘之间绝对瓦斯涌出的关系，为指导生产发挥过重要作用。

煤层中的瓦斯在自然状态下是以一定压力赋存煤体中的，掘进巷道时，瓦斯从崩落的煤炭及巷道四周向掘进空间涌出，瓦期的涌出速度与揭露时间基本是负指数关系，一般在6～7d后成恒定值，为此我们以观测掘进工作面50m以内瓦斯绝对涌出量来推断该范围内采煤时的绝对瓦斯涌出量。

巷道掘进后，在围岩中产生应力重新分布，使围岩发生变形，形成了非弹性变形区（裂隙区），弹性变形区和原岩应力区，掘进巷疲乏以后，在4～5d的时间内，瓦斯涌出主要来源于非弹性变形区及弹性变形区。采煤工作面在老顶初次来压后，瓦斯涌出的主要来源可分为本层应力集中区，上、下临过层，而且由于产部因冒落形成冒落带、裂隙带、无裂隙沉降带。如果按下行开采顺序，先采上层，逐步采下层，这样采面上部为采空区，瓦斯一般不易向开采空间涌出，由于现在提出经济可采煤层，经常出现违序开采，首采层成了“解放层”，造成瓦斯涌出异常高，配风困难。通过分析，我们发现了掘采之间相对瓦斯涌出量存在相对固定的比例关系（见表2）。表2中这个偏差值相差不大，最大与最小的偏差在实践中都可做出可靠的预测。例如西三－140m与－150m采面初压后比值偏低是由于采面较长，达180m，而采动影响范围差别不大造成的。回采期间的最大值均发生在跳面老顶初次来压后的一个月内，这是由于采空区断层煤柱被压垮后造成大量瓦斯涌出产生的。

表2 采掘工作面瓦斯涌出情况对比表

观测地点

相对瓦斯涌出量/m³·t^-1

比值/％

是否为首采面首采层

说明

掘进时

Q₁

回采时

Q₂

初压后Q₃

最大值Q₄

Q₂/Q₁

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td="14317">Q₃/Q₁

Q₄/Q₁

1

西三采3^#/-230与-260顺槽

8.89

6.70

22.1

31.3

75

249

353

是

最大值均为断层，跳面，新面老顶初次来压后的一个月内观测值

2

西三采3^#/140与-150顺槽

8.10

6.20

21.3

26.4

76

263

297

是

3

西三采3^#/-180与-240顺槽

6.5

5.30

14.2

16.7

82

218

256

是

4

东一采3^#/-110与-150顺槽

7.1

5.80

17.3

23.4

82

243

330

是

5

西三采3^#/-260与-290顺槽

9.3

6.10

11.3

17.4

66

121

187

非

6

西二采2^#/-140与顺槽

4.6

3.70

6.9

10.4

80

150

226

非

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6 应采取的安全技术措施

虽然我矿是高瓦斯矿井，但掘进过程中如果不发生瓦斯喷出，绝对瓦斯涌出量一般在0.6m3/min以下，按《煤矿安全规程》规定及实际情况，利用局部通风机排除完全可以满足需要，只是对喷出点可用风机吹散，并设消尘喷头对准喷出点喷水来消除隐患。

对首采层的首采面，如果观测瓦斯绝对涌出最较大，有造成回风巷瓦斯超限的可能性。首先应考虑施工一条专用排瓦斯尾巷。尾巷与回风巷之间每隔30～50m施工联络巷。头一个联络巷距离开切眼应小于老顶初次来压步距，以便老顶初次来压后的大量瓦斯从尾排巷释放。这样可以避免采面上隅角的瓦斯超限，为防止尾排巷内产生火花，要求尾排巷不用钢铁支护，撤除一切铁器，并在每个联络巷交岔口处设置净化喷雾，一是防止积尘，二也可以使巷道充分湿润，避免冒落岩石之间产生火花。

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