大寧煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律及防治措施研究＊

邸學勤 梁躍強 李超群 董露鋼

（1.中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.華潤煤業(yè) （集團）有限公司，山西省太原市，030021）

1 礦井概況

2 影響煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素

2.1 地質(zhì)構造

（1）褶皺。大寧井田東部以褶皺為主，主要褶皺包括NE向的劉家腰向斜、老王莊背斜等。劉家腰向斜位于井田中部偏東，兩翼傾角5～7°，局部達14°，為壓扭性應力作用下形成，在劉家腰向斜軸部中和面以上表現(xiàn)為明顯的應力集中，為高壓區(qū)，利于瓦斯封存和聚集；老王莊背斜軸部中和面以下表現(xiàn)為明顯的應力集中，為高壓區(qū)，利于瓦斯封存和聚集，在接近老王莊背斜軸部，瓦斯涌出量高達121m3／min?？梢?，大寧煤礦井田范圍內(nèi)向斜軸部和背斜軸部都是高瓦斯富集區(qū)。

（2）斷層。大寧井田西部斷裂發(fā)育，主要斷層包括NE 向的寺頭斷層、南板橋斷層、F314斷層、F334斷層及F348斷層等。井田以正斷層為主，斷距大于10m，其中寺頭、南板橋、F314及F348斷層呈舒緩波狀延伸，斷裂面有明顯擠壓現(xiàn)象，兩側伴生有剪切羽狀小斷裂，屬壓扭性斷層，對瓦斯有封閉作用，利于瓦斯賦存。而F334斷層位于井田中部偏西，構造線方向北部呈北東15°、南部偏西。落差在中寨附近為70m，向兩端變小，斷層傾角80°，由應力轉(zhuǎn)變地帶形成，屬張扭性斷裂，易于瓦斯釋放。

2.2 頂?shù)装鍘r性

大寧煤礦3＃煤層頂板為粉砂巖、泥巖或砂巖，底板為泥巖或粉砂巖。煤層的頂?shù)装鍘r性直接影響煤層瓦斯的保存條件，尤其是頂板巖性，如果在同是泥巖的情況下，泥巖厚度對瓦斯賦存有較大影響。大寧煤礦煤層部分鉆孔泥巖厚度及瓦斯含量見表1。表1中大寧煤礦煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)表明，瓦斯含量隨著泥巖厚度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

表1 大寧煤礦煤層部分鉆孔泥巖厚度及瓦斯含量表

2.3 煤層埋深

由于受地質(zhì)條件及技術限制，礦井3＃煤層在生產(chǎn)期間未進行過煤層原始瓦斯壓力的測定；在地勘時期委托煤炭科學研究總院西安分院在礦井首采區(qū)通過地面鉆孔打鉆注入法測試過3＃煤層的瓦斯壓力。測得DN4 鉆孔埋深225.80 m，瓦斯壓力0.69 MPa；DN8 鉆孔埋深318.75 m，瓦斯壓力1.16 MPa。再由間接法計算得出了31個不同埋深鉆孔的瓦斯壓力，其與煤層埋深的關系見圖1，同時將直接測定所得DN4、DN8鉆孔煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)標在圖1中。

圖1 煤層瓦斯壓力與埋深關系圖

根據(jù)相對瓦斯壓力數(shù)值計算得出煤層瓦斯壓力與埋深的關系為y=0.0035x+0.005，同時得出實測的瓦斯壓力值在擬合直線的周圍波動，說明擬合的線性關系能夠反映煤層瓦斯壓力與埋深的關系?？梢姡咚箟毫﹄S著埋深的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

2.4 巖溶陷落柱

大寧井田內(nèi)陷落柱接觸面擠壓緊密，利于瓦斯賦存，而煤層和透氣性不好的巖石接觸，瓦斯難以逸散，因此，在陷落柱附近形成高瓦斯區(qū)。

3 煤層瓦斯含量預測

大寧井田地質(zhì)構造簡單，地質(zhì)構造僅在局部影響煤層瓦斯賦存，對整個井田的影響范圍較小，煤層埋深是控制煤層瓦斯含量的主導因素。3＃煤層的埋深自東南向西北呈逐漸增加的趨勢，井田內(nèi)埋深最淺的點在井田的東南部140 m 處，埋深最深的點在井田的西北部550m 處。

3.1 煤層瓦斯垂直分帶情況

從大寧煤礦3＃煤層瓦斯鉆孔資料的瓦斯組分結果來看，煤層瓦斯中的甲烷 （CH4）組分為88.36%～97.65%，且大寧煤礦3＃煤層的埋深幾乎都在140 m 以深，考慮到煤層瓦斯的垂直分帶性，可以確定大寧煤礦井田范圍內(nèi)的3＃煤層全部位于甲烷帶。

Uncertainty evaluation of the counting of mold and yeast in cosmetics 5 37

3.2 煤層瓦斯含量預測

由于地勘時期瓦斯含量測定誤差較大，因此煤層瓦斯含量預測以生產(chǎn)時期直接測定的瓦斯含量數(shù)據(jù)為主要依據(jù)?？紤]到大寧煤礦與相鄰的馬寨煤礦、芹池煤礦同采3＃煤層，瓦斯地質(zhì)條件相同，因此根據(jù)大寧煤礦和相鄰礦井直接測定所得煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)，得到煤層瓦斯含量與埋深的變化規(guī)律，見圖2。

圖2 煤層瓦斯含量與埋深關系圖

由圖2可知，該區(qū)域3＃煤層瓦斯含量隨著煤層埋藏深度的增加而逐漸加大，煤層瓦斯含量與煤層埋深線性擬合關系見圖2。經(jīng)線性回歸分析，3＃煤層瓦斯含量W 與埋深H 具有線性統(tǒng)計規(guī)律 （點數(shù)N=13，線性相關系數(shù)R=81.67%）：

式中：W——煤層瓦斯含量，m3／t；

H——煤層埋深，m；

由線性擬合方程可得：大寧煤礦3＃煤層瓦斯含量在8.76～26.57m3／t之間。

4 瓦斯綜合防治措施

大寧煤礦瓦斯涌出量較大，曾發(fā)生過煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象。根據(jù)大寧煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律、煤層瓦斯含量預測結果，結合3＃煤層瓦斯涌出情況，提出了針對大寧煤礦的瓦斯綜合防治措施，包括優(yōu)化礦井通風方式、采用立體交叉瓦斯抽采措施及建立煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)，確保礦井安全生產(chǎn)。

4.1 優(yōu)化礦井通風方式

大寧煤礦礦井瓦斯涌出量大，回采工作面采用全負壓通風，六巷布置，三進三回。三采區(qū)首采工作面三〇一綜采工作面前期采用 “U+L”型通風方式?！癠+L”型通風通過在 “U”型通風的回風側增加排瓦斯尾巷，改變了采空區(qū)漏風流場，從而將采空區(qū)瓦斯經(jīng)過聯(lián)絡巷排至尾巷，解決了上隅角瓦斯超限的問題。但隨著工作面的不斷推進，由于落煤、采空區(qū)范圍增大等原因，工作面瓦斯涌出量逐漸增大，“U+L”型通風方式已不能合理減少上隅角瓦斯，而且尾巷配風量不合理。為了改變這種狀況，后期采用使工作面回風全部離開工作面向采空區(qū)方向流動的 “Y”型通風方式。“Y”型通風方式改變了工作面通風線路及采空區(qū)瓦斯運移線路，有以下優(yōu)點：

（1）消除了工作面上隅角瓦斯超限隱患，通過采用分源瓦斯抽采技術，充分發(fā)揮礦井抽采系統(tǒng)的能力，瓦斯治理取得了顯著效果，從而大幅緩解了礦井通風系統(tǒng)壓力；

（2）大幅減少了掘進工程量，工作面得以提前形成，為礦井瓦斯抽采提供充足的時間和空間，解決了采、掘、抽銜接緊張問題，使得礦井采、掘、抽工程有序銜接；

（3）實現(xiàn)了無煤柱開采，既提高了煤炭采出率，又可以延長礦井服務年限。

4.2 立體交叉瓦斯抽采措施

由于大寧井田3＃煤層不具備保護層開采條件，且屬于容易抽采煤層，適于采用強化預抽煤層瓦斯技術。綜合考慮煤層瓦斯賦存、巷道布置、抽采瓦斯目的及利用要求等因素，確定大寧煤礦采用地面與井下抽采相結合，采掘前預抽采與邊抽邊采、采空區(qū)抽采等多種措施相結合，利用一切可能的空間和條件充分抽采煤層瓦斯。礦井抽采方式為本煤層長鉆孔預抽、采空區(qū)抽采和地面水平多分支煤層氣抽采井預抽的立體交叉抽采方式。井下抽采方式主要以世界領先的VLD-1000系列深孔定向千米鉆機施工的長孔預抽為主，個別工作面實行了長孔預抽和空白帶進行短孔邊掘邊抽的方式進行配合抽采。地面布置6個直徑150mm 的多分支水平羽狀抽采井，單井瓦斯抽采量最高達到20000 m3／d，形成了地面多分支水平羽狀井和井下千米鉆機順煤層鉆孔立體交叉抽采新模式。

4.3 建立可靠的煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)

為預防煤與瓦斯突出事故，首先對可能發(fā)生的瓦斯突出事故進行預測預警。煤與瓦斯突出預警技術綜合采用計算機技術、礦井監(jiān)測技術等科學技術和方法，通過對礦井煤與瓦斯動力現(xiàn)象、事故相關信息及瓦斯地質(zhì)規(guī)律進行綜合分析，提出煤與瓦斯突出預警方法，再結合大寧煤礦現(xiàn)有的KJ101N 安全 （瓦斯）監(jiān)控系統(tǒng)以及GIS 技術，建立煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦井煤與瓦斯突出危險性的實時預測預警，確定危險性等級，并及時采取有效的防治措施，對于提高煤礦安全生產(chǎn)能力、控制事故的發(fā)生及事故造成的損失具有重要的作用。針對大寧煤礦瓦斯動力現(xiàn)象特征及瓦斯地質(zhì)規(guī)律，通過構建可靠的煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)，對工作面突出危險性實時預測預警，必將為大寧煤礦的煤與瓦斯突出防治起到積極作用。

5 結論

（1）對大寧煤礦瓦斯地質(zhì)研究表明，煤層埋深是控制煤層瓦斯賦存的主要因素，局部區(qū)域由于地質(zhì)構造、頂?shù)装鍘r性、巖溶陷落柱等地質(zhì)條件的不同，瓦斯賦存狀況存在差異。

（2）結合礦井勘探和生產(chǎn)時期揭露的瓦斯地質(zhì)資料，運用線性回歸方法對煤層瓦斯含量變化趨勢進行了預測。結果表明，大寧3＃煤層百米瓦斯梯度在4.1m3／t左右，煤層瓦斯含量在8.76～26.57 m3／t之間。

（3）在綜合考慮大寧煤礦瓦斯賦存規(guī)律與煤層瓦斯含量預測結果的基礎上，提出了優(yōu)化礦井通風方式、采用立體交叉瓦斯抽采及建立可靠的煤與瓦斯突出預警系統(tǒng)的瓦斯綜合防治措施。

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