十一礦主要煤層瓦斯分布特征及突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

李元建趙喜海楊 敏許 軍劉素青

(1.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究院,河南 450052;2.平煤集團(tuán)十一礦,河南 467000)

十一礦主要煤層瓦斯分布特征及突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

李元建1趙喜海2楊 敏1許 軍1劉素青1

(1.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究院,河南 450052;2.平煤集團(tuán)十一礦,河南 467000)

通過(guò)對(duì)平煤集團(tuán)十一礦近幾年瓦斯賦存狀況及賦存規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)開(kāi)采區(qū)域中瓦斯和二氧化碳來(lái)源主要區(qū)域是回采區(qū)和采空區(qū)。煤層瓦斯涌出量增大的原因主要是隨著開(kāi)采深度的增加,同期產(chǎn)量增加而增大。礦井瓦斯、二氧化碳涌出量大的開(kāi)采水平為二水平,煤層是二煤組。因此礦井瓦斯防治的重點(diǎn)是二水平、二煤組。采用瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)等參數(shù)對(duì)主要開(kāi)采煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè),給礦井瓦斯管理及安全生產(chǎn)應(yīng)采取的防范措施提供了參考。

瓦斯 賦存規(guī)律 突出危險(xiǎn)性 預(yù)測(cè)

瓦斯,是一種易燃、易爆氣體,無(wú)色、無(wú)味、是威脅煤礦安全和礦工生命的最大災(zāi)害源。煤層瓦斯涌出可以發(fā)生在采掘過(guò)程中,由煤炭的破碎、運(yùn)輸和煤壁釋放出的瓦斯量,是造成礦井采掘工作面瓦斯積聚超限和礦井發(fā)生瓦斯爆炸事故的根源,煤層瓦斯涌出可以發(fā)生在開(kāi)采煤層上、下、頂、底范圍內(nèi)以及受采動(dòng)影響的不可采鄰近煤層或巖層。因此,瓦斯涌出是不均衡的,在空間分布上具有明顯的分區(qū)、分帶特征。瓦斯涌出的非均衡性不僅存在于煤田、礦井之間,而且還存在于同一煤層、同一礦井的不同工作面之間。高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井的瓦斯防治是世界產(chǎn)煤國(guó)家共同面臨的國(guó)際性技術(shù)難題。平煤集團(tuán)十一礦瓦斯涌出量大,用瓦斯地質(zhì)理論和方法分析其賦存規(guī)律,對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè),指導(dǎo)防災(zāi)、減災(zāi)具有重要意義。

1 礦井地質(zhì)概況

十一礦位于平頂山煤田西部,含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組,煤系地層總厚794.03m,含煤九組88層,煤層總厚度25.31m,含煤系數(shù)為3.19%?？刹擅簩訛?二1、四2、五12煤;局部可采為:一4、二2、四3、五22、六2煤;可采煤層總厚14.30m,可采煤層含煤系數(shù)1.80%。

十一礦處于李口向斜西南翼,整體為走向NW～SE、傾向NE的單斜構(gòu)造。淺部地層陡,傾角高達(dá)67°,局部倒轉(zhuǎn),深部?jī)A角緩,傾角一般為5～12°。區(qū)內(nèi)褶皺與大中型斷裂構(gòu)造均不甚發(fā)育,多為NW～SE向。根據(jù)生產(chǎn)揭露落差在10m的小斷層20條以上,反映區(qū)內(nèi)小斷層較發(fā)育。

2 礦井瓦斯賦存規(guī)律

2.1 鉆孔煤層瓦斯成分及含量

區(qū)內(nèi)地勘階段時(shí)期按照《MT/T77-94》煤層氣測(cè)定方法,采取鉆孔煤層瓦斯樣52個(gè)。從瓦斯含量測(cè)試結(jié)果看,六2、一4煤瓦斯含量較低,瓦斯采樣點(diǎn)較少,下面重點(diǎn)分析五12、四2、二1煤層瓦斯含量及其變化規(guī)律。

(1)五12煤:采樣深度在-88.18～-698.14m,瓦斯主要由甲烷、氮?dú)?、二氧化碳組成,其中甲烷占 11.11%～92.65%,平均 69.42%,氮?dú)庹?.16%～76.53%,平均 24.45%,二氧化碳占0.14%～12.36%,平均5.95%。僅有2孔甲烷成分在80%以上,大部分孔甲烷成分在60%～75%,甲烷含量0.39～7.71ml/g.r,平均值2.90ml/g.r。整體來(lái)看煤層-720m以淺為氮?dú)狻託鈳А?/p>

(2)四2煤:采樣深度在+13.41～-785.22m,甲烷成分61.95%～95.68%,平均71.92%。氮?dú)獬煞?.54%～33.21%,平均13.07%,二氧化碳成分3.25%～13.73%,平均6.05%。甲烷含量2.41～10.15ml/g.r,平均5.33ml/g.r,四2煤在-760m以深屬沼氣帶 (CH4>80%)。

(3)二1煤:采樣深度在+16.06～-962.05m,甲烷成分57.44%～94.14%,平均84.16%,氮?dú)獬煞?.00～29.71%,平均6.29%,二氧化碳成分4.13%～17.69%,平均9.06%。甲烷含量1.98～13.16ml/g.r,平均值7.74ml/g.r。二1煤在-850m以深屬沼氣帶 (CH4>80%)。

2.2 瓦斯含量變化規(guī)律

(1)五12煤層在-500m以淺,甲烷含量平均值為1.05ml/g.r;在-500m～720m,甲烷含量平均值為4.43ml/g.r。

(2)四2煤層在-500m以淺,甲烷含量平均值為1.33ml/g.r;在-500～-650m,甲烷含量平均值為4.60ml/g.r;在-650～-760m,甲烷含量平均值為6.94ml/g.r。

(3)二1煤層在-600m以淺,甲烷含量平均值為1.03ml/g.r;在-600～-800m,甲烷含量平均值為4.43ml/g.r;在-850～-1000m范圍,甲烷含量平均值為9.44ml/g.r。

表1 年度瓦斯鑒定結(jié)果表

2.3 礦井瓦斯涌出量分析

2005～2009年礦井瓦斯涌出量見(jiàn)表1。從表1可以看出2006年比2005年礦井瓦斯涌出量增長(zhǎng)幅度較大,絕對(duì)涌出量增加45.17%,相對(duì)涌出量增加30.04%。瓦斯涌出量增加的原因:最主要的是2006年己二東翼首個(gè)綜采工作面己16-17-22071采面開(kāi)始回采,回采過(guò)程中瓦斯涌出量明顯增大。己二東翼比西翼瓦斯含量明顯增高。2007年比2006年礦井瓦斯絕對(duì)涌出量增加13.42%、相對(duì)涌出量增加17.79%,2007年瓦斯涌出量增加的原因主要是隨著開(kāi)采深度的增加,瓦斯含量隨之增加,而且己二東翼己16-17-22071采面在八月份回采期間瓦斯涌出量較以前有所增加。2008年比2007年礦井瓦斯涌出量出現(xiàn)下降,絕對(duì)涌出量下降28.36%,相對(duì)涌出量下降60.22%,相對(duì)涌出量下降的原因主要是瓦斯含量高的己二采區(qū)東翼無(wú)采煤工作面,掘進(jìn)工作面也只是進(jìn)行外圍工程。2009年瓦斯絕對(duì)涌出量較2008年上升11.48%,瓦斯相對(duì)涌出量持平。瓦斯絕對(duì)涌出量增加的主要原因是礦井各煤層均向深部延伸,深部煤層瓦斯含量有所增加。2007年己二采區(qū)東翼瓦斯絕對(duì)涌出量占到全礦井的近70.54%,見(jiàn)表2。

表2 各采區(qū)瓦斯鑒定結(jié)果表

2.4 礦井瓦斯與二氧化碳分布特征

2005～2009年礦井開(kāi)采區(qū)域甲烷和二氧化碳來(lái)源見(jiàn)表3。從表3可以看出,回采區(qū)的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的21.8%～68.8%,平均50.71%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的24.3%～37.49%,平均30.44%。掘進(jìn)區(qū)的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的9.37%～49.1%,平均25.61%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的13.37%～27.3%,平均21.01%。采空區(qū)的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的16.6%～27.66%。平均 22.91%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的26.25%～58.3%,平均46.30%。因此,開(kāi)采區(qū)域瓦斯和二氧化碳來(lái)源主要是回采區(qū)和采空區(qū)。

2.5 各煤層、各水平瓦斯與二氧化碳分布特征

2005～2009年礦井各煤層、各水平甲烷與二氧化碳來(lái)源見(jiàn)表4。從表4可以看出五組煤的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的 21.27%～38.3%,平均28.52%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的29.33%～38.73%,平均31.0%。四組煤的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的4.17%～19.77%,平均9.25%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的6.30%～21.13%,平均11.79%。二組煤的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的50.17%～68.27%,平均58.81%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的35.68%～56.00%,平均49.94%。一水平的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的 7.50%～25.60%,平均16.27%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的7.80%～20.90%,平均16.24%。二水平的瓦斯絕對(duì)涌出量占總量的70.63%～89.97%,平均81.08%。二氧化碳絕對(duì)涌出量占總量的68.18%～86.50%,平均78.67%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)表明,礦井瓦斯、二氧化碳涌出量大的區(qū)域?yàn)槎?煤層是二煤組。因此礦井瓦斯防治的重點(diǎn)是二水平、二煤組。

表3 開(kāi)采區(qū)域瓦斯和二氧化碳來(lái)源分析表

表4 各煤組及水平瓦斯和二氧化碳來(lái)源分析表

3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

鍋底山斷裂是一個(gè)由南西向北東逆沖的逆沖壓扭性斷裂,其右行壓扭性活動(dòng)形成了次一級(jí)的斷裂,大規(guī)模的擠壓、剪切活動(dòng),使得煤層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞,構(gòu)造煤特別發(fā)育,多為Ⅲ～Ⅳ類(lèi),最發(fā)育的厚度可達(dá)1.5m以上。

五礦二1煤己發(fā)生9次煤與瓦斯突出,己一采區(qū)和己二采區(qū)與十一礦同在鍋底山斷裂上盤(pán),其中己一采區(qū)突出3次,己二采區(qū)突出5次,最淺突出標(biāo)高-224m,最深突出標(biāo)高-537m,己三采區(qū)在鍋底山斷裂下盤(pán),己三采區(qū)突出1次,在鍋底山斷裂上盤(pán)發(fā)生8次煤與瓦斯突出,下盤(pán)僅發(fā)生1次煤與瓦斯突出,十一礦在鍋底山斷裂上盤(pán),因此,具有潛在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。通過(guò)瓦斯壓力、瓦斯放散初速度等參數(shù)對(duì)二1煤煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(1)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)

a.瓦斯壓力

二1煤煤層測(cè)定瓦斯壓力0.8～2.9MPa,測(cè)壓過(guò)程中由于受太原群灰?guī)r含水層的影響,測(cè)壓鉆孔內(nèi)經(jīng)常充滿(mǎn)壓力水,會(huì)對(duì)瓦斯壓力測(cè)試有一定影響。二1煤煤與瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。

b.瓦斯放散初速度 (ΔP)

在己二采區(qū)東翼工作面17412、17101、17060、17040、17071、22071機(jī)巷、-450m石門(mén)、17060采面等處取42個(gè)煤樣,ΔP為2.00～17.41,其中11個(gè)煤樣的ΔP≥10,主要分布在 17101機(jī)巷、17060機(jī)巷、17071機(jī)巷、17060采面、22071機(jī)巷、-450m石門(mén),其他31個(gè)煤樣的ΔP<10;在己二采區(qū)西翼工作面己二皮帶下山、22120機(jī)巷處取4個(gè)煤樣ΔP為2.27～4.03。

表5 二1煤煤與瓦斯壓力測(cè)定表

c.煤的堅(jiān)固性系數(shù) (f)

己二采東翼42個(gè)煤樣f值為0.13～0.59,有5個(gè)煤樣f值大于 0.5,主要分布在 17060機(jī)巷、17071風(fēng)巷、17101機(jī)巷、22071機(jī)巷,其他37個(gè)煤樣的≤0.5;西翼4個(gè)煤樣f值0.65～0.87。

(2)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)綜合指標(biāo) (K值)

在己二采區(qū)東、西翼的46個(gè)煤樣中,K值變化區(qū)間為4.0～100.0。其中東翼42個(gè)煤樣K值為4.0～100.0,有10個(gè)K≤15,32個(gè)K>15;西翼4個(gè)煤樣K值為4.0～5.0,均小于15。

(3)區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果

己二采區(qū)二1煤的的破壞類(lèi)型西翼為 Ⅱ、Ⅲ類(lèi),東翼由于受地質(zhì)構(gòu)造的影響,二1煤的破壞類(lèi)型局部可達(dá) Ⅳ、V類(lèi),瓦斯壓力實(shí)測(cè) 0.8～2.9MPa,瓦斯放散初速度ΔP為2.00～17.41,f值為0.13～0.59,標(biāo)高-850m以深甲烷含量大于8m3/t。依據(jù)現(xiàn)有采面測(cè)試的瓦斯涌出量分析標(biāo)高-550m以淺絕對(duì)瓦斯涌出量為5m3/min,-550～-800m絕對(duì)瓦斯涌出量為5～10m3/min,已具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。-800m以深絕對(duì)瓦斯涌出量大于10m3/min。根據(jù)礦井實(shí)際開(kāi)采情況、構(gòu)造復(fù)雜程度、瓦斯放散初速度ΔP、f值、K值及臨近礦井瓦斯突出情況,將標(biāo)高-550～-800m的區(qū)域定為具有煤與瓦斯突出威脅區(qū),特別是己二皮帶下山和己二回采下山標(biāo)高-600～-850m、己22071綜采面,標(biāo)高-500～-750m的區(qū)域。

4 結(jié)論

十一礦處于李口向斜西南翼,整體為走向NW～SE、傾向NE的單斜構(gòu)造,區(qū)內(nèi)的鍋底山斷裂是一個(gè)由南西向北東逆沖的逆沖壓扭性斷裂,受其擠壓、剪切活動(dòng),使得煤層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞,構(gòu)造煤特別發(fā)育,多為Ⅲ～Ⅳ類(lèi),最發(fā)育的厚度可達(dá)1.5m以上。在鍋底山斷裂上盤(pán)五礦二1煤己發(fā)生8次煤與瓦斯突出,己一采區(qū)突出3次,己二采區(qū)突出5次,最淺突出標(biāo)高-224m,最深突出標(biāo)高-537m,十一礦也位于鍋底山斷裂上盤(pán),在己二采區(qū)東翼工作面取42個(gè)煤樣,采用煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)綜合指標(biāo)判斷,標(biāo)高-550～-800m的區(qū)域,具有潛在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

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(責(zé)任編輯 趙國(guó)泉)

Major Distribution Characteristics of CBM in No.11 Mine and Prediction of Risks of Outburst

Li Yuanjian1,Zhao Xihai2,Yang Min1,Xu Jun1,Liu Suqing1
(1.Henan Provincial Coal Geology Prospection Research Institute,Henan 450052; 2.Pingdingshan No.11 Mine,Henan 467000)

Based on study of the state and regularity of gas occurrence in No.11 mine in the recent years,the authors find out that the main sources of gas and carbon dioxide in the mining zone are the mining panel and the gob.The main reasonsfor increase of gas emission are increase of mining depth and increase of coal output in the same period.The mining level with high emission of mine gas and carbon dioxide is No.2 level,and coal seam with high emission of gas is No.2 group of seams.Therefore,stress of gas control is laid on No.2 level and No.2 seam group.Prediction of risks of coal and gas outburst of the major worked coal seam is made by using parameters,like initial gas dispersive velocity,hardness scale,etc.,which provides reference for taking prevention measures in gas control and safety in production.

Gas;occurrence law;risk of outburst;prediction

李元建,男,高級(jí)工程師,現(xiàn)任河南省煤炭地質(zhì)勘察研究院地質(zhì)研究所煤質(zhì)煤層氣室主任。