1、龍山煤礦瓦斯治理技術研究 技術報告技術報告 目 錄 礦 區 概 況 .4 一、礦井基本概況：.4 二、礦區生產礦井開采及瓦斯概況.5 礦區瓦斯分布特征 .7 一、煤層瓦斯資料及其評價.7 二、瓦斯風化帶.10 三、瓦斯分布特征.11 影響瓦斯分布的主要地質因素 .14 一、地質構造控制.14 二、煤層埋藏深度.15 三、煤層特征.17 3、煤的變質程度 .18 4、水文地質條件 .21 5、 巖漿活動 .22 煤與瓦斯突出特征與機理 .24 一、煤與瓦斯突出的特征.24 瓦斯治理技術 .28 一、瓦斯治理技術現狀.28 二、煤與瓦斯突出預測技術 .29 結 論 與 建 議 .36 礦礦 區區

2、概概 況況 一、一、礦礦井基本概況：井基本概況： 龍山煤業公司位于河南省安陽縣水冶鎮南約 6km 處，南距鶴壁 市 17km，井田東起 f165 斷層，西至 f303 斷層。南以煤層露頭和老窯 開采為界，北部以煤層底板等高線為界。井田走向長 3.68km，傾斜寬 2.65km，面積 5.1378km2。 安陽鑫龍煤業集團龍山煤業公司由安陽礦務局龍山煤礦于 2006 年 7 月改制而成。始建于 1969 年，1978 年簡易投產。 本礦井主采煤層為二1煤層，平均厚度為 46 米，傾角為 728； 煤塵爆炸指數最高為 9.04%，為無爆炸危險性煤層；煤自燃傾向性為三 類不易自燃。 根據 2008

3、年瓦斯等級鑒定結果，龍山煤礦為煤與瓦斯突出礦井， 相對瓦斯涌出量為 25.73m3/t，絕對瓦斯涌出量為 18.76m3/min。 煤層的透氣性系數為 2.928.36m2/mpad，煤層的瓦斯壓力為 0.671.89mpa。 礦井水文地質簡單，正常涌水量 180m3/h。最大涌水量 300m3/h， 目前礦井實際涌水量 100m3/h。 龍山公司是單水平反斜井上下山開采，開采水平為-220m。目前井 下共布置 4 個采區，11、23 采區為生產采區，21、25 采區為接替采區， 采煤方法為走向長壁傾斜采煤法，回采工藝為炮采。 圖圖 2-12-1 交交通通位位置置圖圖 二、二、礦礦區生區生產礦

4、產礦井開采及瓦斯概況井開采及瓦斯概況 1 1、礦區生產礦井開采概況、礦區生產礦井開采概況 安陽鑫龍煤業集團龍山礦開采主要依據河南省安陽煤田天喜鎮井田地質精查報 告 ，始建于 1968 年，1978 年 12 月建成投產，設計生產能力 50 萬噸/年，設計服務年 限 68 年。目前實際生產能力為 40 萬噸/年。礦井開采二1煤層，煤類為無煙煤。礦井 采用斜井開拓，走向長壁采煤法，放炮落煤，全部垮落法頂板管理。開采水平-220m， 最大采深 500m。自建礦以來累計開采了 457.3 萬噸，礦山平均回采率為 75。通風方 式為分區獨立通風，主副斜井進風，天喜鎮風井和馮家洞風井回風。礦井開采正常涌

5、水量為 150200m3/h。 2 2、生產礦井瓦斯情況、生產礦井瓦斯情況 目前，安陽鑫龍煤業（集團）所屬礦井均為煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井，瓦 斯參數、突出情況及礦井等級如表 2-2。目前各礦均建成有井下瓦斯抽放系統，井下瓦 斯抽放系統運行正常，2007 年集團公司共抽放純瓦斯 847 萬 m3。 表表 2 2- -2 2 礦礦井井瓦瓦斯斯情情況況一一覽覽表表 礦 名 礦井位 置 瓦斯含 量 瓦斯遞 增率 瓦斯相 對涌出 量 瓦斯絕 對涌出 量 瓦斯壓 力 瓦斯壓 力梯度 p f 煤體結 構 礦井瓦 斯等 級 是否發 生過重 大事故 龍山煤 礦 安陽市 龍安區 17.56 m3/t 1.4

6、3 m3/t/100 m 32.08 m3/t.d 27.44m3/ min 0.671.8 9 （平均 為 1.004） 0.47 （-500 標高以 淺） 380.98、突 出 發生過 煤與瓦 斯突出 事故 礦區瓦斯分布特征 一、一、煤煤層層瓦斯瓦斯資資料及其料及其評評價價 瓦斯含量測試方法瓦斯含量測試方法 瓦斯含量測試方法有三種：真空罐、集氣式和解吸法。 （1）真空罐法 工作原理是利用煤芯管上下兩端的結構，將含有瓦斯的煤芯的孔底嚴密封閉在煤 芯管內。鉆具提至地面后，卸下已裝有煤芯的煤芯管，送到實驗室進行脫氣，得出煤 層甲烷含量。 （2）集氣式 工作原理是在普通煤芯采取器的上部安裝帶閥門的

7、集氣室，收集提鉆過程中煤芯 泄出的瓦斯。鉆具提至地面后，卸下已裝有瓦斯及煤芯的帶集氣室的取樣器保持密閉 狀態送到實驗室進行脫氣，得出煤層甲烷含量。 （3）解吸法 解吸法主要優越之處是由專用儀器在孔內采樣，改為利用普通煤芯管在孔底鉆取 煤芯，當煤芯提升至孔口后，裝入密封罐。這樣既減少了鉆孔采樣的困難、提高了含 量測定成功率，又不影響正常施工鉆進。該方法自 1973 年起在美國得到廣泛應用，撫 順分院在 19781981 年期間經過在我國一些煤田試驗后，改進了測定所用的儀器和工 具，并已形成部標，在我國廣泛應用。 當采用該法測定煤層甲烷含量時，由于煤樣裝罐前，氣體已經損失，利用裝罐后 所測定的煤層

8、甲烷解吸規律和煤樣暴露時間推算損失氣體量是該方法的關鍵。具體測 定步驟如下： (1) 采樣 用普通煤芯管采取煤芯，當煤芯提到地表后，先取煤樣 300400g，立即放進密封 罐中。在采樣過程中，標定提升煤芯和煤樣在空氣中的暴露時間。 (2) 氣體解吸規律測定 煤樣裝罐后與氣體解吸速度測定儀連接，測定煤層甲烷解吸量與時間的關系。測 定 2h 后，將裝有煤樣的煤樣罐送到試驗室進行脫氣和氣體分析。 (3) 損失氣體量的計算 損失氣體量的計算是按經驗公式近似計算的，即該法未考慮煤芯在鉆孔和空氣中 解吸規律的差異，且煤樣在鉆孔中解吸的時間未準確確定，因此計算的損失氣體量僅 是估算。其具體方法是，煤樣從提鉆

9、至地面解吸測定初期 1012min 以內，由解吸儀 測定的解吸量與暴露時間的平方根近似成正比。存在如下關系（見式 6-1） （6-1）attq0b 式中：q煤樣暴露時起至解吸測定時間為(t0+t)時的氣體解吸總量，ml； t0煤樣在解吸測定前的暴露時間，min； t0+t2； 2 1 t t1煤樣在鉆孔內提鉆時間，min； t2煤樣在地表解吸測定前的暴露時間，min； t煤樣解吸測定時間，min； a、b待定系數，可以根據最小二乘法求出。a 值即為所求的損失氣體量。 (4) 煤樣殘存氣體含量測定及氣體成份分析 將經過解吸測定的煤樣，在密封狀態下盡快送到試驗室進行加熱脫氣，首次脫氣 完后將煤樣粉

10、碎，再進行一次脫氣。每次脫出氣體后進行氣體組份分析。脫氣過程在 撫順分院研制的 fh-4 型脫氣儀上進行。 殘存氣體含量的測定方法同樣適用于井下解吸法測定煤層甲烷含量殘存量和礦井 甲烷涌出量預測中測定采落煤炭中的殘存量。 (5)煤層甲烷含量計算 煤層甲烷含量是上述各程序放出的氣體量之和同煤樣重量的比值。即： w=(q1+q2+q3+q4)g （6-2） 式中：w煤層甲烷原始含量，ml/g； q1煤樣解吸測定過程累計解吸的氣體體積，ml； q2推算出的氣體損失量，ml； q3煤樣粉碎前的脫出氣體量，ml； q4煤樣粉碎后脫出的氣體量，ml； g煤樣重量，g。 地勘鉆孔解吸法在我國應用以來，經在淮

11、南、淮北、鐵法、陽泉和焦作等礦區用 間接法和實測涌出量反推法驗證，該方法的測定結果偏小 10%25%。且有鉆孔越深、 煤越粉碎、偏差越大。究其原因主要是由損失氣體量估算產生誤差過大。在損失氣體 量計算中，除該法未考慮煤芯在鉆孔和空氣中解吸規律的差異及煤樣在鉆孔中解吸的 開始時間未準確確定外，另一個重要原因是采用 t 式造成的。目前我國的煤田鉆具提鉆 速度大部分均小于 20m/min，500m 孔深提鉆時間要超過 25min，若地面裝罐前時間為 3min，解吸測定 6 個點要 12min，這樣用 t 式計算時，要求在 252+3+12=27.5min，呈 直線式。 瓦瓦斯斯含含量量評評價價和和校

12、校正正 由于勘探時期的不同，勘探單位所采取的測試方法也不盡相同。為保證資料的可 靠性，并使各種方法的測試結果之間具有可比性，有必要對收集到的地質勘探期間鉆 孔瓦斯含量進行評價和校正。 凡屬于下列情況的鉆孔煤層瓦斯資料，認為不可靠，棄而不用。 （1）瓦斯成分百分比之和大于 105%及小于 80%的數據。 （2）根據瓦斯含量算出的甲烷百分比與實測瓦斯成分之中的甲烷百分比之差大于 20%的數據。 （3）評價為“不合格”、 “不采用”、 “漏氣”、 “灰分過高”、 “氧超限”、 “煤樣超重”、 “廢”； 備注為“未利用”的數據。 （4）無“煤層埋深”、或“水分”、或“灰分”數據，而不能得到應有校正的數

13、據。 瓦斯含量的測試結果受測試方法和采樣深度的影響，故地質勘探階段的瓦斯含量， 為使其更接近于真實值，根據其測試方法特點和采樣深度，均采取一定的校正系數。 據統計，真空罐和集氣式方法測得的瓦斯含量較解吸法大約偏低 30%和 20%；當埋藏 深度大于 500m 后，由于樣品暴露時間較長，測得的瓦斯含量大約偏低 20%。據此制 定校正原則為：真空罐和集氣式測試的瓦斯含量分別乘以 1.3 和 1.2，解吸法乘以 1， 當深度大于 500m 時，各種測試方法獲得的瓦斯含量均再乘以 1.2，見表 61。 各種測試方法測得的均為可燃基瓦斯含量，而原煤的瓦斯含量要考慮水分和灰分 的影響，所以有必要進行水分和

14、灰分的校正，把可燃基瓦斯含量換算為原煤瓦斯含量。 校正公式如下： （6-3） 100 100 daf ma vv 式中：v原煤瓦斯含量，ml/g； vdaf可燃基瓦斯含量，ml/g； a煤中灰分，無鉆孔灰分資料時，取井田煤層平均灰分，%； m煤中水分，無鉆孔水分資料時，取井田煤層平均水分，%； 表表 6-16-1 校正原則一覽表校正原則一覽表 校正系數 采樣方法 500m 以淺500m 以深 真空灌1.3 1.31.2 集氣式1.2 1.21.2 解吸法1 11.2 校正后數據見附件一（表 6-2） 。 二、瓦斯二、瓦斯風風化化帶帶 據煤炭資源地質勘探規范（1985 年修訂稿）中的分帶標準：c

15、o2n2帶：ch4 成分10%；n2ch4帶：ch4成分 1080%，co220%；ch4帶：ch4成分80%，co2 含量20%。以 ch4成分 80%作為煤層瓦斯風化帶的分界線，瓦斯風化帶主要分布在煤 田淺部地段，形態和煤層露頭大體一致。 安陽礦區北部二1煤層甲烷逸散條件較好，二1煤瓦斯風化帶沿標高-75m 煤層底 板等高線擺動。礦區中部煤層露頭大部分為第三系粘土層覆蓋，且構造復雜，多為壓 性、壓扭性正斷層，甲烷逸散條件相對較差，二1煤層都處在甲烷帶內。 根據各礦井地質報告，主焦礦 f12 斷層以淺為風化帶，以深應為 ch4 帶；紅嶺礦 f30 斷層以淺為風化帶，以深應為 ch4 帶；龍山

16、礦+25m 以淺為風化帶，以深為 ch4 帶；大眾礦二1煤層埋深 250m850m，瓦斯成分 ch4兩極值為 86.9097.18%，平均含 量為 92.83%，co2平均 3.90%、n2平均為 3.28%，均為沼氣帶。 三、瓦斯分布特征三、瓦斯分布特征 經過評價和校正，安陽礦區共有合格的鉆孔煤層瓦斯樣 72 個，目前所開采的均為 二1煤層。煤層瓦斯的總體分布情況如表 63。由表 6-3 可以看出：龍山、大眾 2 個 井田主采煤層瓦斯含量最高，平均在 14m3/t 以上；其次為彰武-倫掌及龍宮 2 個深部開 發區，其二1煤層瓦斯含量次之，平均值在 12.91m3/t 和 15.09m3/t；

17、紅嶺主采煤層瓦斯 含量較低，平均值為 7.67m3/t。上述只是對各井田煤層瓦斯情況的總體進行了評價，而 對于不同礦井，由于地質條件各異，導致其瓦斯分布的局部差異。 表 6-3 安陽礦區鉆孔煤層瓦斯資料一覽表 序號井田鉆孔數最大值/m3/t平均值/m3/t埋深/m平均埋深/m 1紅嶺1314.297.67321.54646.19518.58 2主焦511.617.18567.79649.6620.35 3彰武-倫掌537.1515.09155.111195.96872.57 4龍宮勘探區1927.2912.91514.79858.72694.62 5龍山827.8517.56149.51686

18、.51478.06 6大眾734.2814.28303.16576.78433.71 7 北善應 414.149.15205.04285.92253.83 通過對安陽礦區主采煤層二1煤瓦斯資料分析研究，其瓦斯分布特征（圖 6-1）主 要表現在： 南北呈條帶狀分布。從西向東由淺部至深部，瓦斯含量整體呈現沿煤層傾向， 隨煤層埋深增加而增高的趨勢；煤層瓦斯風化帶下界至埋深 750m 范圍內，瓦斯含量 變化梯度為 3.42m3/t/100m；埋深 7501200m 范圍內，瓦斯含量變化梯度則為 1.42m3/t/100m，即深部瓦斯含量增幅較小，淺部瓦斯含量增幅相對較大。 三個構造小區從北到南，瓦斯含

19、量由低到高。從最北部的（f1斷層以北構造小 區）主焦、紅嶺至中部（f1f174構造小區）的大眾再到最南部（f174以南構造小區） 的龍山煤礦，其瓦斯含量平均值分別由 6.74 m3/t、8.36m3/t、12.81 m3/t 和 15.46m3/t。 向斜構造的翼部、仰起端瓦斯含量相對較高，而核部及接近核部瓦斯含量相對 較低。如礦區南部龍山礦，煤層底板標高同為-500，向斜翼部 ck30 鉆孔瓦斯含量為 27.85m3/t，而位于核部的 ck22 的鉆孔瓦斯含量為 20.65m3/t；同樣，煤層底板標高同 為-300處，向斜翼部 ck24 鉆孔瓦斯含量為 18.93 m3/t，而接近核部的 c

20、k5 為 13.24 m3/t。又如，龍山瓦斯遞增率為 1.43 m3/t/hm，處于0 的 ck7 鉆孔瓦斯含量為 13.24 m3/t，處于-150 的 ck8 為 13.37m3/t，處于-200 的 ck9 為 9.63m3/t，處于-350 的 ck5 為 14.42m3/t。 斷層附近瓦斯涌出量變化較大。如礦區南部龍山井田，在 f303斷層（斷距為 140m）的東翼的三個工作面依次為 11041、11061、11081，其瓦斯相對涌出量分別為 10.61m3/t、18.02 m3/t、11.99 m3/t，在距斷層約 300m 時涌出量出現峰值；礦區中部的 大眾井田：1995 年

21、8 月揭露 f101斷層，巷道與斷層垂直相交，掘進巷道距斷層 186 米 范圍出現峰值內（12 m3/t） ，距斷層 65 米出現峰谷（3.5 m3/t） ；在礦區北部紅嶺：08 年 11 月 f5101 斷層，落差 5.6 米，距 50 米時出現涌出峰值。 圖圖 6-16-1 安陽礦區瓦斯地質圖安陽礦區瓦斯地質圖 影響瓦斯分布的主要地質因素 煤層瓦斯主要以吸附狀態和游離狀態賦存于煤層中，二者在一定溫壓條件下保持 動態平衡。煤層瓦斯含量的多少是煤層瓦斯生成量及保存條件共同作用的結果。 ba烏斯別斯基根據地球化學與煤化作用反應物與生成物平衡原理，計算出各煤化階 段的煤生成的甲烷量，如表 7-1

22、所示。 表 7-1 各煤化階段的煤生成的甲烷量 煤 階褐煤長焰煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤 生氣量 （m3/t）68168212229270287333419 階段生氣量（m3/t）100441741174686 由表 7-1 可見，肥煤階段已經能夠生成足夠的甲烷量，而安陽各煤礦主采煤層為中、 高變質煤，故其含氣量主要取決于保存條件。 綜合分析安陽礦區瓦斯地質條件，影響煤層瓦斯賦存的主要地質因素有地質構造、 煤層埋藏深度、煤的變質程度、煤層厚度及其變化、圍巖類型及破碎程度、地下水活 動、巖漿巖等。 一、地一、地質質構造控制構造控制 從廣義上講，地質構造因素直接或間接控制著從含煤地層形成至煤層瓦

23、斯生成聚 集過程中的每個環節，是所有地質因素中最為重要和直接的控氣因素。在聚煤期，構 造控制著含煤地層和煤層發育的特征，在聚煤期后，構造特征及其演化通過對瓦斯地 質條件的改變，不僅對煤層瓦斯的生成、賦存產生影響，而且直接控制煤層瓦斯的運 移、聚集、保存特征，從而決定著煤層瓦斯的分布規律。 位于 f1斷層以北構造小區內的紅嶺、主焦兩煤礦瓦斯較低，瓦斯含量最大值 14.29 m3/t，平均 7.4m3/t；因為該區總體是一個地壘構造，地層抬升使煤層埋藏深度變 淺；區內 nne 向正斷層密集發育，盡管從目前來看，這些斷層均屬壓性、壓扭性正 斷層（這是由于喜山期構造應力為 nee 向所導致） ，但在燕

24、山晚期形成時屬張性，其 間使瓦斯部分散失，導致瓦斯含量較低。 位于 f1斷層以南兩個構造小區內的龍山和大眾兩煤礦都處于不同斷層所構成的 地塹內，瓦斯含量相對較高。龍山礦瓦斯含量最大值 27.85 m3/t，平均 17.56 m3/t；大 眾礦最大值 34.28 m3/t，平均 14.28 m3/t。同時龍山礦受龍山向斜、馮家垌背斜控制， 大眾礦受銅冶背向斜與安林向斜控制，造成瓦斯分布不均衡， 在褶皺轉折端瓦斯含量 較高，這是因為在封閉的條件下，瓦斯向上運移的結果。 區內發育的斷裂多屬正斷層，由于喜山期構造應力方向為 nee，現代應力方向為 se 向，使斷層性質轉變為壓性或壓扭性，封閉瓦斯逸散通

25、道，有利于瓦斯保存。 斷 裂附近煤層由于受到構造應力的作用，原生結構被破壞形成軟煤（構造煤） ，增強吸附 瓦斯能力，減弱抵抗瓦斯壓力助力，形成遇斷層瓦斯含量和涌出量增高的現象。 煤層傾角變化對瓦斯賦存也有影響。在其它條件近似，煤層圍巖封閉條件較好的 情況下，一般傾角平緩的煤層所含的瓦斯量較傾角陡的煤層要大。這是因為前者的瓦 斯運移路線長，所受阻力大，去氣難，后者，則相反。如龍山向斜，其北西翼，傾角 一般在 415，瓦斯含量相對較高；南東翼傾角一般在 1428，瓦斯含量相對較低。 二、煤二、煤層層埋藏深度埋藏深度 在瓦斯風化帶以下，煤的瓦斯含量、涌出量隨著深度加深而有規律的增加。從瓦 斯含量等值

26、線圖上可以看出，礦區內瓦斯含量與埋藏深度密切相關。從整體趨勢看， 瓦斯含量總體呈現由西向東沿煤層傾向，隨煤層埋深增加而增高。 并且隨著標高絕對 值的增加，相對瓦斯涌出量也在增加，見圖 7-1。一般地，隨著埋深的增加瓦斯含量隨 之增高，兩者呈正相關關系（見圖 7-2，圖 7-3） 。但不完全是線性關系(圖 7-4)，隨著 煤層埋藏深度增加，地壓增加，封閉條件相對變好，煤的甲烷吸附能力變強，游離瓦 斯向吸附瓦斯轉化，使大量氣體保存下來，但到一定深度，煤層密度加大，孔隙減少， 氣體滲透率下降，瓦斯含量的增長幅度減弱，逐漸趨于平穩。 在研究區內，根據統計對 72 個鉆孔數據進行計算，煤層瓦斯風化帶下界

27、至埋深 750m 范圍內，瓦斯含量變化梯度為 3.42m3/t/100m；埋深 7501200m 范圍內，瓦斯 含量變化梯度則為 1.42m3/t/100m，即深部瓦斯含量增幅較小，淺部瓦斯含量增幅相 對較大。 y = -0.2142x - 47.786 r2 = 0.9104 0 5 10 15 20 25 30 35 -370-360-350-340-330-320-310-300 煤層底板標高（m） 相對瓦斯涌出量（m3/t） 圖 7-1 龍山煤礦二1煤層底板標高與瓦斯相對涌出量趨勢圖 y = -0.0143x + 20.793 r2 = 0.8186 0 5 10 15 20 25 3

28、0 -500-400-300-200-1000100200 底板標高(m) 瓦斯含量(m3/t) 圖 7-2 龍山井田煤層底板標高與瓦斯含量趨勢圖 y = 0.0242x + 0.1556 r2 = 0.4743 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0200400600800100012001400 埋藏深度/m 瓦斯含量/m3/t 圖圖 7 7- -3 3 二二1 1煤煤瓦瓦斯斯含含量量變變化化梯梯度度示示意意圖圖 圖圖 7 7- -4 4 安安陽陽礦礦區區二二 1 1煤 煤層層甲甲烷烷含含量量變變化化 趨趨勢勢圖圖 三、煤三、煤層層特征特征 1 1、 煤層頂底板煤層頂底

29、板 煤層圍巖主要指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度范圍的層段。煤 層的頂底板巖性決定于成煤泥炭沼澤發育的背景和泥炭層形成后掩埋沉積物的環境。 煤層頂底板封閉條件是控制煤層甲烷含量的主要因素之一。據長慶石油勘探研究院研 究結果，在裂隙不發育的條件下，泥質含量大于 40%的泥巖和泥質粉砂巖的巖體滲透率 變化范圍為 10-410-6md，滲透性極差。 研究區內二1煤層頂板為泥巖、砂質泥巖或泥巖夾粉砂巖，厚度一般 0.515m，節 理、裂隙均不發育，滲透系數遠遠小于 0.001m/d，具有較好的隔氣阻水性能。 二1煤層底板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖互層，以泥巖、砂質泥巖為主，厚度 達 30

30、50m，節理、裂隙不發育，滲透性差，滲透系數遠小于 0.001m/d，阻水隔氣性能 極佳。 二1煤層的直接頂底板都屬隔氣阻水型，具有良好的封閉性，有利于煤層瓦斯氣體 的富集。 2 2、煤層厚度、煤層厚度 根據菲克定律和質量平衡原理建立的煤層甲烷擴散的數學模型可知，在其他初始 條件相似的情況下，煤儲層厚度越大，達到中值濃度或擴散終止所需時間就越長。進 一步分析可知，煤儲層本身就是一種高度致密的低滲透性巖層，上部分層和下部分層 對中部分層有封蓋作用，煤儲層厚度越大，中部分層煤層瓦斯向頂底板擴散的路徑就 越長，擴散阻力就越大，對煤層瓦斯的保存越有利。 本區主采二1煤層層位穩定，煤厚 0.5614.4

31、9，平均 6.95，屬全區可采的中厚厚煤層。 大部分含夾矸 12 層，結構簡單，唯紅嶺井田夾矸 15 層，結構較復雜。煤層厚度整體呈現北西 薄南東厚的變化規律，煤層瓦斯含量也隨之呈現規律性的變化北西部的主焦、紅嶺至南東部的 龍山煤礦，瓦斯含量在增加，同時也加大了煤與瓦斯突出的危險性。從圖 7-5圖 7-10 可以看出： 整體趨勢是隨著煤層厚度的增加瓦斯含量也在增加，盡管大眾規律不是很明顯（原因可能是由于受 地塹式向斜構造影響，煤體結構破碎，瓦斯重新分布不均衡所造成） ，但不違背整體趨勢。 3、煤的變質程度 煤的變質程度是決定煤層甲烷生成、儲集的主導因素。煤的變質程度控制著煤層 甲烷的生成量，也

32、是煤內部分子結構、微組分的變化過程，從而影響煤層甲烷含量。 本區主要為高變質煙煤無煙煤，煤化程度高，有較大的生氣量，煤中微孔隙發育， 對甲烷吸附能力強。因此，全區主采二1煤層瓦斯含量普遍較高。 通過對研究區內數據進行統計分析可知，在中高變質階段，隨著煤變質程度的增 高，鏡質組和絲質組成分在煤中所占比例愈大。在高變質階段，煤中甲烷含量主要取 決于鏡質組在煤中所占比例，即鏡質組比例越大，煤中甲烷含量就越大。見表 7-4，以 及圖 7-11、圖 7-12。 表 7-4 煤巖組分與瓦斯含量表 煤種鏡質組惰質組殼質組原煤瓦斯含量 jm65.9617.545.756.74 sm6619.93.47.67

33、wy76.1816.690.3311.71 0 10 20 30 40 50 60 70 80 jmsmwy煤變質程度 煤巖組分（） 鏡質組惰質組 圖 7-11 煤變質程度與煤巖組分關系圖 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 jmsmwy 煤變質程度 煤巖組分（） 0 2 4 6 8 10 12 14 瓦斯含量（m3/t） 鏡質組分原煤瓦斯含量 圖 7-12 煤變質程度與原煤瓦斯含量關系圖 瓦斯主要是煤變質作用的產物，隨著煤的變質程度增高，瓦斯含量與變質程度成 正比關系變化。見表 7-5，圖 7-13。由此可以看出，在圍巖等條件無大的改變之情況下， 研究區內由北向南隨著

34、煤變質程度的增加，瓦斯含量整體呈現加大的趨勢。 表 7-5 不同變質階段的瓦斯含量 煤類揮發份 vdaf(%)瓦斯含量(m3/t) jm21.326.74 sm 20.316 7.67 pm 10.91 11.71 wy 6.995 17.56 0 5 10 15 20 25 jmsmpmwy 煤類 瓦斯含量（m3 /t） 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 揮發份（） 揮發份瓦斯含量 圖 7-13 不同煤種瓦斯含量變化示意圖 4、水文地質條件 通過對安陽礦區礦井涌水量和瓦斯相對涌出量的資料分析統計，繪出了安陽礦區 相對瓦斯涌出量與涌水量關系圖（見表 7-6，圖 7-14）

35、 。從圖 7-14 可以看出，一般情況 下，涌水量大，瓦斯涌出量小。由此可以得出一個明顯的規律是：含水豐度大，則含 氣豐度小。 但就龍山煤礦而言，這一規律表現的不是很明顯。龍山煤礦現開采二1煤層，礦井 充水水源主要為二1煤層頂板砂巖水，多以淋水、滴水為主，水量較小，全礦建井至今 除頂板淋水外，共發生頂板突水 6 次，其水量 3-55 m3/h，宜于疏干。礦井正常涌水量 多年來一直保持在 150 m3/h，最大時也僅為 200m3/h，隨開采深度增加，礦井涌水量增 加不明顯。 表表 7-67-6 安陽礦區瓦斯相對涌出量與礦井涌水量安陽礦區瓦斯相對涌出量與礦井涌水量 礦名礦名瓦斯涌出量瓦斯涌出量涌

36、水量涌水量 紅嶺18.9780 主焦11.59120 大眾1580 銅冶12.7220 果園12.9980 龍山32.08150 0 5 10 15 20 25 30 35 紅嶺主焦大眾銅冶果園龍山 瓦斯涌出量（m3 /t） 0 50 100 150 200 250 涌水量（m3/h) 瓦斯涌出量涌水量 圖 7-14 安陽礦區相對瓦斯涌出量與涌水量關系圖 5、 巖漿活動 深成變質作用通常是一個地區煤化作用的主要營力，但巖漿熱作用的影響也不能 忽視，特別在巖漿活動強烈的地區，巖漿熱作用對煤的變質程度可有很大影響。大量 研究表明，巖漿侵入對煤層含氣性具有雙重作用。 （1）改善煤層含氣性、增加氣含量

37、 巖漿侵入的熱作用一方面促使煤層進一步熱演化和煤層甲烷的進一步生成，為煤 層甲烷的吸附聚集提供大量的氣源；另一方面，進一步的熱演化導致煤級的升高，提 高了煤層的吸附能力，有利于煤層甲烷的吸附儲集。 該區三疊紀后遭受了廣泛的抬升剝蝕作用，至中侏羅世，已有部分煤層甲烷散失， 導致煤層含氣量降低。而中侏羅早白堊世廣泛發生的巖漿侵入所導致的煤的再次熱 演化，即提高了煤層的儲集能力，又提供了大量的氣源，使得煤層能再次吸附更多的 煤層甲烷，增加了煤層的氣含量。因此，遭受過抬升剝蝕和煤層甲烷散失，其后又經 歷了再次熱演化的含煤區具有較好的含氣性，為煤層甲烷保存的有利地區。 三疊紀末，印支運動使本區整體抬升，

38、遭受剝蝕，深層變質作用減弱乃至終止。 到晚侏羅早白堊世，燕山運動巖漿活動熱事件處于主導地位，區域巖漿熱變質作用 使本區煤的變質程度劇增，造成以巖漿體為中心，由天然焦無煙煤貧煤分瘦 煤瘦煤焦煤組成的環帶狀變質帶，呈由南到北、由西至東變質程度減小的規律。 煤的變質程度是決定煤層甲烷生成、儲集的主導因素。煤的變質程度控制著煤層 甲烷的生成量，也是煤內部分子結構、微組分的變化過程，從而影響煤層甲烷含量。 由于區域巖漿熱變質作用，使本區煤變質程度較高，生氣量較大，煤層甲烷含量普遍 較高。 （2）破壞煤層的儲集結構，使煤層喪失儲集能力 這種作用可在兩種情況下出現：一是巖漿熱作用十分強烈，導致煤過渡熱演化。

39、 當煤級達到超天然無煙煤甚至石墨階段時，由于儲集結構遭到嚴重破壞，煤層的儲集 能力急劇降低，甚至徹底喪失；二是各種巖漿侵入體直接侵入煤層。由于強烈的熱接 觸變質作用，受侵入體影響的煤將會被焦化，形成天然焦，喪失對煤層甲烷的儲集能 力。 煤與瓦斯突出特征與機理 一、煤與瓦斯突出的特征一、煤與瓦斯突出的特征 安陽礦區 6 對礦井中有 4 對為煤與瓦斯突出礦井，其中龍山煤礦突出相對比較嚴 重，也比較典型，故以龍山煤礦煤與瓦斯突出資料為主進行分析。龍山煤礦自建井到 2008 年 12 月共生發煤與瓦斯突出事故 111 次，均發生在煤巷掘進工作面，其中煤平巷 突出 76 次，占 70.3，上山突出 22

40、 次，占 20.4%，下山突出 7 次，占 6.5，石門突 出 3 次，占 2.8。平均突出強度 118t，最大一切突出發生在 1999 年 4 月 6 日 13081 切眼掘進時，突出強度為 1070t，噴出瓦斯量 167435m3。龍山煤礦所發生的動力現象 數據統計見附件一（表 8-1） 。通過總結分析，安陽礦區煤與瓦斯突出具有以下特征： 始突深度 始突深度是指某地開始突出的深度（或標高） ，也就是該地突出的最淺深度（或最 大標高） 。安陽礦區各突出礦井始突深度、始突標高見表 8-2。始突深度受多種因素影 響，各礦因地質條件、開采技術條件等不同而有所不同，我國煤礦的始突深度一般在 垂深 2

41、00m 以下。從表 8-2 可以看出，龍山煤礦始突深度為 155m，說明突出相對比較 嚴重。 表表 8 8- -2 2 安安陽陽礦礦區區煤煤與與瓦瓦斯斯突突出出 有有關關突突出出指指標標數數據據表表 突出指標突出指標龍山龍山大眾大眾銅冶銅冶 始突深度（m）155304205 始突標高（m）+15-268+20 突出強度 突出強度用煤（巖）和瓦斯的突出數量來衡量。一般情況下，以突出煤量（巖石 量）表示突出強度。根據強度大小，一般將突出劃分為五種類型，安陽礦區礦井突出 強度見表 8-3。龍山煤礦以小型突出為主，占統計突出次數的 47.6%，其次為中型和次 大型，各占 22.9%和 25.7%，大型

42、和特大型少見，僅占 3.8%，大眾礦、果園礦、銅冶 礦從有限的資料分析也符合這個特征。 表表 8 8- -3 3 突突出出數數據據統統計計表表 礦井名稱礦井名稱龍山龍山大眾大眾銅冶銅冶果園果園 突出總次數（次）11182360 統計次數（次）1057 總煤量（t） 12139.3 639 最大突出強度（t/次）1070320250436 最小突出強度（t/次）612 煤 量 平均（t/次）111.492 統計次數（次）1057 最大突出瓦斯量（m3）16743538000200000 最小突出瓦斯量（m3）135 總瓦斯量（m3）2010093 瓦 斯 量 平均（m3/次）20303.97 小

43、型（50t 以下）503 中型（50100t 以下）242 次大型（100500 t 以下）272 大型（5001000t 以下）3 突 出 強 度 特大型（1000t 以上）1 突出頻度 突出頻度是以單位時間（一般為年）內突出的平均次數來衡量。 安陽礦區由于資料的不完整，無法準確記錄出其突出礦井的突出頻度，龍山煤礦 資料相對完整，具體數據見表 8-4。 表 8-4 安陽礦區煤與瓦斯突出頻度表 礦井名稱礦井名稱龍山龍山大眾大眾銅冶銅冶 突出頻度（次/年）3.480.5（1979-1995）0.575（1959-1999） 突出壓力 突出壓力是指突出點在臨突前的瓦斯壓力。按照我國煤礦安全規程 ，

44、瓦斯壓力 大于 0.74mpa 時才有發生突出的可能。龍山礦的始突深度為+15 標高處，經推測計算 該處的瓦斯壓力約為 0.8mpa（見表 8-5，圖 8-1） ，大眾煤礦瓦斯壓力在 0.70mpa 以上 時就有發生突出的危險。 表 8-5 龍山煤礦瓦斯壓力數據表 序號測量地點瓦斯壓力/mpa標高/m 1 13021 上順槽 0.6719.17 2 13021 下順槽 0.8-12.33 3 13051 車場 -155 4 13021 集中巖巷 0.85-12.33 5 15041 工作面 1.116-42 6 巖石運輸大巷 1.89-220 7 15051 車場 -78 8 鉆孔 ck10

45、1.47 9 鉆孔 255 0.68684 10 鉆孔 ck29 1.083.34 11 鉆孔 ck9 1.86-214.48 12 鉆孔 ck24 2.16-320.38 13 鉆孔 ck3 2.45-447.76 14 23051 下順槽 218 米處 2.5-370 15 23051 下順槽 236 米處 2.5-370 16 23051 下順槽 264 米處 2.5-375 17 23051 下順槽 21 米處 1.88-235 y = -0.004x + 0.9184 r2 = 0.9681 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -500-400-300-200-100010020

46、0 標高（m） 瓦斯壓力（mpa） 圖 8-1 標高與瓦斯壓力趨勢圖 突出類型 煤與瓦斯突出分為突出、壓出和傾出三種類型。安陽礦區以突出為主，龍山礦有 突出記錄記載的 41 次，其中突出的 36 次，噴出的 2 次，壓出為 0 次，傾出 5 次，突 出占 89%；大眾礦全為突出，具體統計數據見表 8-6。 表表 8 8- -6 6 安安陽陽礦礦區區煤煤與與瓦瓦斯斯突突出出類類型型表表 煤與瓦斯突出情況 其中有記錄記載次數（次）引突作業方式礦井名稱總次數 （次）突出噴出傾出放炮其它 龍山11136259120 大眾87 銅冶23 果園60 綜上分析，安陽礦區煤與瓦斯突出以中小型突出為主要型式，從

47、突出強度、始突 深度、突出壓力和突出頻度看介于嚴重突出與一般突出之間。 瓦斯治理技瓦斯治理技術術 一、瓦斯治理技一、瓦斯治理技術現術現狀狀 安陽礦區所屬礦井均為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，集團公司與各礦井十分重視 瓦斯防治工作，牢固樹立安全為天的理念，認真貫徹落實“先抽后采、監測監控、以 風定產” 的瓦斯治理工作方針，和“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位” 的瓦斯綜合治理工作體系，除了采取完善制度，健全機構，監督檢查，加強培訓等措 施外，在瓦斯治理技術方面采取了以下措施： 1）優化通風系統、加強通風管理。 通風系統的優化和各類風機的正常運行以及科學的通風管理，為采掘用風地段具 有足夠的風量

48、，奠定了可靠的物質基礎。 2）安裝瓦斯監測監控系統。 井下瓦斯監測監控系統的正常運行，為礦井瓦斯局部積聚的及早發現和及時處理 提供了可能。 3）加強煤層瓦斯預抽 煤層瓦斯預抽技術，可降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，改善突出煤層的應力狀態， 是防止煤與瓦斯突出的根本途徑。安陽礦區各礦多采用本煤層平行鉆孔、邊掘邊抽鉆 孔、頂板高位巖孔、上隅角埋管抽放等抽放形式。龍山礦抽放前絕對涌出量為 5m3/min,抽 放后絕對涌出量為 3m3/min；紅嶺礦抽放前瓦斯濃度 0.7%，抽放后 0.4%。從抽放前后 涌出量和瓦斯濃度對比看，效果比較明顯（見表 9-1） 。 圖 9-1 安陽礦區各礦抽放參數 礦名鉆孔直

49、徑 mm長度 m孔距 m負壓 kpa濃度抽出率封孔材料 大眾 755013.5626 約 31聚胺脂 紅嶺75 左右約 70 1.5-213.3310-30 約 35聚胺脂 4）加強煤與瓦斯突出預測 礦區內各礦都開展了煤與瓦斯突出預測，預測方法大多采用單項指標法（見表 9- 2） 。 表 9-2 預測煤層突出危險性單項臨界指標值 煤層突出 危險性 煤層 破壞類型 瓦斯放散初速度 （p） 煤的堅固性系數 （f） 煤層瓦斯壓力 （p） 突出危險、100.50.74 安陽礦區在瓦斯治理方面做了大量的工作，采取了許多措施，也取得了一定成效， 但是仍然存在煤與瓦斯突出事故、生產效率不高、抽放濃度低等多種

50、制約煤礦高效、 安全生產及瓦斯資源利用等問題，針對這些問題，結合安陽礦區瓦斯地質特征，運用 現代地質理論提出安陽礦區瓦斯預測與治理技術建議。 二、煤與瓦斯突出預測技術 礦區煤與瓦斯突出預測的目的是確定煤層中突出危險區域和工作面作業地點的突 出危險性，使防突工作有的放矢，減少措施的盲目性，提高突出礦井的安全可靠性和 經濟效益。目前，國內外進行煤與瓦斯突出區域危險性預測的方法較多，其中，常用 的方法主要有：單項指標法、綜合指標法、地質統計法和瓦斯地質法。 表 9-3 安陽部分礦井煤與瓦斯突出參數情況 礦井等級煤層 煤體破 壞類型 p fpk 龍山突出二1 380.981.00438.77 大眾突出

51、二1 19.3370.2790.869.31 紅嶺高瓦斯二1 120.260.9846.15 主焦高瓦斯二1 13.260.3690.3935.93 從安陽礦區礦井煤與瓦斯突出參數看（表 9-3） ，礦井的單項指標及綜合指標均超 出臨界值，突出具有普遍性。繼續采用單項指標法、綜合指標法進行預測，將會因指 標不敏感而影響預測效果，因此建議除了繼續采用單項指標法對工作面進行預測、綜 合指標進行區域預測外，還應該加強瓦斯地質研究，采用瓦斯地質法綜合預測。 1、瓦斯地質法瓦斯地質法 國內外大量突出事例的統計分析表明，煤與瓦斯突出在井田內的分布是不均衡的， 往往比較集中地分布在某些區域，這種不均衡分布與

52、地質條件有密切的聯系，地質條 件對煤與瓦斯突出的區域性分布起控制作用。區域預測的目的就是預先找出這些具有 突出危險和突出威脅的區域，為煤與瓦斯突出防治提供決策依據。 煤與瓦斯突出的綜合假說認為，突出是地應力、高壓瓦斯和煤的物理力學性質等 三個因素綜合作用的結果。瓦斯是突出發生的基本能源之一，較高的瓦斯壓力和瓦斯 含量是突出發生的必要條件。因此，根據瓦斯含量和瓦斯壓力，選取瓦斯含量為 8m3/t、瓦斯壓力為 0.74mpa 等值線為界劃分出安陽礦區二1煤層瓦斯突出威脅區和突 出危險區（見圖 9-1 安陽礦區二1煤層瓦斯地質分區圖，圖 9-2 龍山煤礦二1煤層瓦斯 地質分區圖） 。 圖圖 9-19

53、-1 安陽礦區二安陽礦區二1煤層瓦斯地質分區圖煤層瓦斯地質分區圖 圖圖 9-29-2 龍山煤礦二龍山煤礦二1煤層瓦斯地質分區圖煤層瓦斯地質分區圖 2 2、預測模型法、預測模型法 除了瓦斯地質法之外，本課題嘗試將灰色理論神經網絡方法應用于研究區的 煤與瓦斯突出預測中。利用灰色系統理論之核心灰色關聯分析法確定控制礦井煤 與瓦斯突出的主控因素，并對煤與瓦斯突出主控因素進行篩選，建立煤與瓦斯突出危 險性預測人工神經網絡的數學模型和系統結構，并利用該模型對礦井進行煤與瓦斯突 出的預測工作。 控制煤與瓦斯突出的主要因素控制煤與瓦斯突出的主要因素 （1）地質構造因素 地質構造是控制瓦斯突出發生的主導地質因素

54、，地質構造類型、 規模、性質、疏密程度、排列組合以及構造部位等的差異，對瓦斯突出均有不同程度 的影響。安陽礦區的龍山、大眾兩礦井大多數突出都發生在地質構造帶，尤其是向斜 構造及壓性、壓扭性正斷層所組成的地塹、以及同向正斷層的下降盤和反向正斷層的 上升盤。 （2）煤層因素 煤層因素包括煤層厚度、煤層開采深度等，煤層開采越深，煤 層越厚特別是軟分層越厚突出越頻繁，突出次數和突出強度也同時增多。龍山、大眾 兩煤礦較大型突出發生在煤層厚度變化煤層，尤其是軟分層變化煤層。強烈破壞的松 軟煤層，由于強度低，極易發生煤與瓦斯突出。 （3）瓦斯因素 煤與瓦斯突出前總是伴隨著一些特征，這些特征是預測煤與瓦斯 突

55、出的依據之一。突出特征主要有巷道頂板來壓、掉渣、片幫、響煤炮、瓦斯壓力增 大、噴孔、卡鉆等。發生突出前并非所有特征同時出現，往往出現其中一種或某幾種 預兆。 確定煤與瓦斯突出危險指標確定煤與瓦斯突出危險指標 灰色系統理論是指既含已知信息、又含未知信息的分析方法，它以“部分”信息 為已知， “部分”信息為未知的“小樣本” 、 “貧信息”的不確定性系統為研究對象，主 要通過對“部分”已知信息的生成開發，提取有價值的信息，實現對系統的正確認識 和有效控制。灰色系統理論是在經典控制理論、現代控制理論（包括大系統理論） 、模 糊控制理論（即白色控制理論）的基礎上，針對要求高而又難于用傳統方法建模的系 統

56、發展起來的新方法。 （1） 灰色關聯模型 對一個抽象系統進行系統分析，首先要選準系統行為特征的映射量（反映系統行 為特征的數據系列） ，進一步明確影響系統行為的有效因素。在量化分析研究中，要對 系統行為特征映射量和各有效因素進行適當處理，通過算子作用，使之轉化為無量綱 數據，并將負相關因素轉化為正相關因素。 灰色關聯系數 設煤的突出強度為母因素 ( y0 , 參考序列 ) ,各影響因素為子因素 ( yi , 比較序列 )。 母因素的觀測值為 （9-1）)(,),(,),2(),1 ( 00000 nykyyyy 子因素的觀測值為 （9-2）)(,),(,),2(),1 (nykyyyy iiiii 其中：i = 1，2，m； 由于在實際工作當中，數據的量綱可能不一致，即使有的量綱一樣，但絕對值大 小差別會很大，因此，需要進行原始數據的無量綱