1、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 ,分析了成莊礦煤層瓦斯分布規律與地質因素的關系 ,及時進行瓦斯預測預報 ,有針對性地制訂出瓦斯防治措施 ,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、巖層、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

2、涌入井巷和工作面的瓦斯就越多 ,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 ,建立瓦斯管理制度。煤礦井巷和工作面的瓦斯主要有 4 個來源 : 采落下來的煤炭中釋放出的瓦斯 ; 從采掘工作面煤壁內釋放出的瓦斯 ; 從煤巷兩幫及頂底板釋放出的瓦斯 ; 從采空區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

3、與瓦斯突出:瓦斯噴出是指大量瓦斯在壓力狀態下,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,突然由煤體內噴出大量的煤與瓦斯,并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 ,應采取特殊的專門治理措施。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于封閉瓦斯 ,開放性地質構造有利于排放瓦斯。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

4、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。成莊井田位于太行復背斜西翼,沁水盆地東端 ,為陽城山字型構造體系脊柱部分南端東側及馬蹄形盾地的北側與新華夏構造的復合部位。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 315,一般在 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 ,井田內一水平范圍內有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 4

5、7#背斜是一水平內最大背斜構造 ,背斜軸向長 280m換行 ,延伸長度 300m 左右 , 幅度 35m 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復雜,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。 據地質填圖 ,井田一水平范圍內出露出 12 條正斷層。井

6、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 10m,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育 ,占斷層總數的 80%。所有斷層落差均未超過 10m。(3)陷落柱。陷落柱是指埋藏在地下的可溶性巖層、礦層 (如石灰巖、白云巖、泥灰巖及石膏等 )在地下水的物理、化學作用下 ,形成大量的巖溶洞穴 ,并在上覆巖層的作用下產生塌陷現象 ,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。成莊礦的地質條件復雜,賦存大量的陷落柱 ,以一水平計 ,平均 3.28 個 /km2,

7、陷落柱平均面積3350m2/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、石灰巖溶洞,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,這是由于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 ,瓦斯涌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面積增加。 吸附瓦斯能力

8、增強 ,瓦斯含量增加 ,在開采過程中瓦斯涌出量也就大。1.3圍巖性質煤層的頂底板巖性在一定程度上也影響煤層內瓦斯賦存,當頂底板巖性屬砂巖 ,特別是裂隙發育的砂巖時 ,煤層內賦含的瓦斯就相對較少。 成莊礦目前開采的 3#煤位于山西組下部 ,沉積穩定 ,上距 KS底板 24.15m,下距 K7 頂板 6.12m,距 5#煤幫 2.18m。煤厚 5.687.20m,平均 6.05m,結構簡單 ,煤層頂板多為粉砂巖 ,少數為泥巖 ,底板多為泥巖 ,少數為粉砂巖。在開采過程中 ,工作面的瓦斯含量受圍巖影響比較小。換行 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

9、的井田構造以單斜為主,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 ,已于 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 :小煤窖越界開采面積達 288.62 萬 m2,破壞 3#煤層地質儲量 2620.78 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

10、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 個綜采放頂煤工作面。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。這是由于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復雜的關系 ,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。防治對策2.1準確預測預報采區工作面的瓦斯涌出量(1)掘進巷道瓦斯涌出量Q 掘的計算 :掘=WK掘式中W瓦斯含量 ,m3/t;掘掘進巷道絕對瓦斯涌

11、出量與煤層瓦斯儲量的比值 ,當 Q1m3/min 時,取 0.200.23;當 Q1m3/min 時,取 0.110.15。(2)采煤面瓦斯涌出量Q 采的計算 :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 1.41.9。(3)采區相對瓦斯涌出量的q 區的計算 :區=K 區( q采+q掘)/A式中K 區生產采區采空區瓦斯涌出系數,取 1.41.20;A日產量 ,t。(4)礦井相對瓦斯涌出量q 礦的計算 :礦 =K 礦 (1440 q)/A式中 K 礦 已 采采空區瓦斯涌出系數,1.271.36。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

12、對地質構造的控制精度的要求也越來越高,原地質精查階段對地質構造的控制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 ,采用地面三維地震勘探方法進行地面探制,控制網為 5m換行 5m,在三盤區地面 1.1km2 范圍內查明井下賦存直徑大于 30m 的陷落柱 12 個,準確率為 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 ,工作面每掘進 1km 立即進行最終坑透 ,并把歷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 ,用取芯鉆探方法探測懷疑區 ,其準確率為 100%。2.3建立一支

13、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、規范化的編制與管理,圖件要符合規程規定 ,各類臺帳做到整潔、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分析研究 ,注重廣大地質人員綜合分析能力的培養,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、盤區或工作面設計前從地質的角度提出經濟效益分析報告 ,為生產設計提供更合理、更有

14、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采取有效措施制止小煤礦的無序發展首先應采取堵、截措施、加強地面調查 ,開展預測預報工作。 根據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。 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面時應根據現有巷道的開拓情況 ,對小煤礦生產能起到限制其發展及破壞作用 ,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制擴大的辦法。加

15、強地面調查 ,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。對其開采范圍,由于調查難 ,可根據其產量 ,結合地質情況 ,粗略的進行預測 ,并把預測的范圍 ,及時填繪在采掘工程平面圖上,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、生產工作面、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,在礦井地質技術方面加大投入 ,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 年畢業于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 換行 踐經驗。國外煤礦安全信息 抽放瓦斯鉆孔的結構從含煤巖系抽放瓦斯的鉆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 ,鉆孔結構應當簡單和 “輕便 ”,以便減少固孔的金屬和水泥的消耗量 ,并利用輕便型的鉆孔設備。鉆孔結構取決于區域的地質結