灰?guī)r裂隙發(fā)育區(qū)瓦斯異常涌出原因及防治技術(shù)研究＊

袁軍偉

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454010；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南省焦作市，454010；3.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

近年來，一些瓦斯礦井 (原來稱低瓦斯礦井)瓦斯涌出量小但瓦斯事故頻發(fā)。究其原因，一方面是瓦斯礦井的礦工及其管理者對瓦斯的危害認識不足，從主觀上放松了對瓦斯的治理力度，另一方面，隨著采掘活動向深部延伸，煤層瓦斯保存條件趨于完好，煤層瓦斯含量及壓力隨之增大，且由于地質(zhì)構(gòu)造等因素造成局部瓦斯富集的客觀情況，都會造成局部瓦斯異常涌出。這些瓦斯異常涌出區(qū)域的存在，給礦井安全生產(chǎn)埋下了非常大的隱患。在瓦斯異常涌出預(yù)測方面，學(xué)者曾提出不同的預(yù)測模型。對瓦斯異常涌出的治理主要采用加大風(fēng)流、瓦斯抽采等方法，但由于各礦煤層賦存、采掘技術(shù)等條件的差異，對特定礦井而言，并不一定都適用，需要根據(jù)具體情況提出合適的綜合治理措施。

1 影響煤層瓦斯涌出因素分析

瓦斯是煤體伴生的氣態(tài)地質(zhì)體，具有流動性，瓦斯在煤層及圍巖中賦存并不均勻，在高瓦斯礦井中存在低瓦斯區(qū)域，在低瓦斯礦井中存在高瓦斯區(qū)域?，F(xiàn)有研究表明，煤層瓦斯異常涌出，主要是由局部區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造及采掘技術(shù)因素等造成。

(1)地質(zhì)因素。含煤地層為煤層瓦斯的生、儲、蓋提供了條件，瓦斯的賦存離不開地層的影響，地質(zhì)條件的差異控制了局部瓦斯賦存的不均衡性。造成煤層瓦斯賦存局部發(fā)生變化的地質(zhì)因素主要有煤層產(chǎn)狀及埋深、頂?shù)装鍘r性及其組合、地質(zhì)構(gòu)造及其性質(zhì)、火成巖侵入情況、水文地質(zhì)等基本條件。

(2)采掘技術(shù)因素。采掘技術(shù)造成瓦斯異常涌出的因素主要包括通風(fēng)方式、大氣壓變化、采掘布置、采掘速度、工藝工序等。一般情況下，生產(chǎn)方面引起的瓦斯涌出變化不大，通風(fēng)方面的因素在瓦斯涌出中有重要作用，尤其是在局部調(diào)風(fēng)、排瓦斯等情況下，容易引起瓦斯積聚。

2 實例分析

2.1 礦井基本情況

山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司 (簡稱義棠煤業(yè))位于晉中盆地西南介休市西南義棠鎮(zhèn)劉屯溝，設(shè)計生產(chǎn)能力1.80Mt／a，采用斜井—立井開拓，兩翼對角式通風(fēng)方式，機械抽出式通風(fēng)方法，歷年瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井。

礦井主要開采1＃、2＃、9＃、10＃煤層。9＃煤層位于太原組下部，與10＃煤層相距平均0.84m，煤層厚度平均1.27m，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤質(zhì)為瘦煤，煤層頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖；10＃煤層位于太原組底部，煤層厚度平均4.32m，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤質(zhì)為瘦煤。煤層頂板和底板均為泥巖或炭質(zhì)泥巖。

義棠煤業(yè)自建礦以來，礦井及采掘工作面瓦斯涌出量一直較小，但最近數(shù)月，部分采掘工作面瓦斯涌出量突然增大，造成回采工作面上隅角瓦斯超限，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的隱患，也影響了礦井產(chǎn)能的發(fā)揮。以100402回采工作面為例 (工作面配風(fēng)量1000m3／min)，在工作面前600m范圍內(nèi)進行回采時，瓦斯涌出量非常小，最大僅為1.2 m3／min，工作面推進600m后瓦斯涌出量急劇增大，最大瓦斯涌出量達到4.36m3／min，并頻繁出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象。

與100402工作面相鄰的100403回采工作面軌道大巷掘進到1755m后瓦斯涌出量突然增加，頻繁造成瓦斯超限。瓦斯員檢測瓦斯?jié)舛葧r，發(fā)現(xiàn)頂板裂隙非常發(fā)育，裂隙中瓦斯?jié)舛冗_到10%以上，有時造成回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_2%以上。

2.2 煤層瓦斯含量測定

為研究9＃、10＃煤層瓦斯賦存和瓦斯涌出規(guī)律，筆者按照 《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(AQ1066-2008)要求，對煤層瓦斯含量進行了現(xiàn)場及實驗室測定，測定結(jié)果見表1。

表1 9＃、10＃煤層瓦斯含量測定結(jié)果

對表1中數(shù)據(jù)分析可知，9＃、10＃煤層瓦斯含量非常小，且具有隨埋深增加而增大的趨勢，但二者相關(guān)性較低 (相關(guān)系數(shù)r為55%)。

2.3 瓦斯異常涌出原因研究

9＃、10＃煤層本身瓦斯含量并不高，尚處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。根據(jù)實測瓦斯含量及實際產(chǎn)量可知，義棠煤業(yè)無論是回采面還是掘進面，其瓦斯涌出量均較小，在正常通風(fēng)的情況下，一般不會造成瓦斯超限。但100402等工作面頻繁的瓦斯超限現(xiàn)象，說明這些異常涌出的瓦斯不僅來源于煤層本身，應(yīng)該存在另外的瓦斯源。由于義棠煤業(yè)生產(chǎn)工藝工序、通風(fēng)方式等采掘技術(shù)因素沒有發(fā)生變化，下面根據(jù)義棠煤業(yè)煤層瓦斯生、儲、蓋條件，對義棠煤業(yè)9＃、10＃煤層局部區(qū)域瓦斯異常涌出原因進行分析。

2.3.1 瓦斯生成條件對瓦斯異常涌出的影響

生指的是煤層變質(zhì)過程中的瓦斯生成能力。煤層作為瓦斯的產(chǎn)氣源巖，其瓦斯生成量與煤的變質(zhì)程度密切相關(guān)；變質(zhì)程度越高，生成瓦斯的量就越大。就義棠煤業(yè)9＃、10＃煤層而言，其煤質(zhì)為瘦煤，按光茨洛夫的研究結(jié)果，每噸瘦煤的形成過程中能產(chǎn)生約287m3的甲烷，因此，9＃、10＃煤層具有良好的原始瓦斯生產(chǎn)能力。

2.3.2 瓦斯存儲條件對瓦斯異常涌出的影響

儲指的是煤層儲存瓦斯能力。煤層不但是瓦斯的生氣層，而且是瓦斯的儲集層。一般情況下，巖石對瓦斯的吸附能力非常弱，甚至不吸附瓦斯，但在巖層裂隙非常發(fā)育、具有一定厚度的情況下，這些巖層也會儲存大量瓦斯，成為瓦斯的儲集層。當(dāng)采掘活動擾動這些巖層時，儲存在巖層中的瓦斯就會大量涌向采掘空間，造成瓦斯異常涌出。這種現(xiàn)象在陽泉、汾孝、柳林等礦區(qū)部分礦井出現(xiàn)過。在這種情況下，應(yīng)將這些巖層視為瓦斯涌出源之一。

筆者對100402回采工作面等地點的9＃煤層頂板K2灰?guī)r進行了現(xiàn)場考察。考察發(fā)現(xiàn)在該工作面前600m區(qū)域，K2灰?guī)r賦存穩(wěn)定，裂隙不發(fā)育；在工作面推過600m以后的區(qū)域，K2灰?guī)r裂隙非常發(fā)育，裂隙寬度從幾毫米到10cm以上不等，且裂隙相互連通。在這些裂隙發(fā)育區(qū)域，有大量高濃度瓦斯從裂隙中涌出。另外，在9＃煤層至7上＃煤層頂板之間，還有K3、K4兩層灰?guī)r的沉積環(huán)境和時期與K2灰?guī)r相同。因此，可以推斷，這三層灰?guī)r在局部地區(qū)均存在裂隙發(fā)育區(qū)域，K2、K3、K4灰?guī)r充當(dāng)了瓦斯儲集層的角色。

2.3.3 瓦斯蓋層條件對瓦斯異常涌出的影響

蓋指的是煤系地層及上覆古地層圈閉與阻止瓦斯逸散的蓋層條件。它與地層的厚度、巖性及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度有關(guān)。

義棠煤業(yè)9＃、10＃煤層所處地層為一套海陸交互相沉積，根據(jù)巖性相變特征，該組地層可分為3段:上段巖性由灰—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖和灰色中細粒砂巖組成；中段巖性由深灰—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r，灰色中細粒砂巖和3層海相石灰?guī)r及2～5層煤層組成，本段所含3層石灰?guī)r由下而上依次為K2、K3、K4，其層位穩(wěn)定，厚度大，裂隙發(fā)育；下段巖性主要由深灰—灰黑色泥巖、淺灰色鋁質(zhì)泥巖和3～4層煤層組成，為太原組主要含煤段，所含9＃、10＃、11＃煤層為井田主要可采煤層，本組底界K1砂巖為一層淺灰色細粒石英砂巖，該砂巖在井田范圍發(fā)育不穩(wěn)定，常相變?yōu)榛疑鄮r、砂質(zhì)泥巖。

相關(guān)研究表明，當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石 (如泥巖、頁巖、油頁巖)時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發(fā)育的巖石 (如礫巖、粗粒砂巖等)時，煤層瓦斯容易逸散。從9＃、10＃煤層蓋層巖性組合可以看出，9＃、10＃煤層的蓋層除K2、K3、K4灰?guī)r外，絕大部分蓋層為致密、透氣性差的巖層。這些致密巖層的存在，為煤層及K2、K3、K4灰?guī)r裂隙瓦斯的保存創(chuàng)造了條件。

2.3.4 局部瓦斯異常涌出原因

綜上所述，可知義棠煤業(yè)下組煤煤層瓦斯具有良好的生、儲、蓋條件，煤層瓦斯含量應(yīng)該比較高，但瓦斯含量實測結(jié)果 (見表1)及實際生產(chǎn)表明，煤層瓦斯含量非常低，采掘工作面及礦井瓦斯涌出量比較小，但在9＃、10＃煤層頂板灰?guī)r裂隙發(fā)育區(qū)域，局部瓦斯異常涌出。根據(jù)礦井地質(zhì)資料及現(xiàn)場觀測，認為義棠煤業(yè)局部瓦斯異常涌出的主要原因為:

(1)成煤過程中生成的大量瓦斯，在漫長的地質(zhì)史過程中，絕大部分瓦斯已經(jīng)逸散在古大氣中，這也是為什么實際測定的煤層瓦斯含量遠小于理論產(chǎn)氣量的主要原因。煤層瓦斯在向古大氣逸散的過程中，遇到煤層上覆的K2、K3、K4灰?guī)r，這些巖層節(jié)理發(fā)育，富含燧石結(jié)核及條帶，富含海相動物化石，這就使得K2等灰?guī)r擁有豐富的體腔空隙，另外，這些灰?guī)r局部存在大量裂隙且相互溝通，處于游離狀態(tài)的瓦斯易儲存在這些裂隙、體腔空隙和局部發(fā)育的巖溶內(nèi)。由于上覆于9＃煤層之上的K2、K3、K4灰?guī)r充當(dāng)了瓦斯的儲集層，當(dāng)9＃煤層采場周圍的巖體連續(xù)受到采動影響而充分卸壓時，圍巖中所含的瓦斯就會沿著裂隙涌入采掘空間，造成局部瓦斯異常涌出。

(2)在9＃煤層與灰?guī)r之間，存在一層泥巖或炭質(zhì)泥巖，這些泥巖和炭質(zhì)泥巖具有結(jié)構(gòu)致密、透氣性差的特點。在煤巖體沉積過程中，結(jié)構(gòu)致密、透氣性差的泥巖和炭質(zhì)泥巖隔斷了煤層與上覆砂巖之間的聯(lián)系。煤層透氣性要遠大于泥巖的透氣性，因此，煤層瓦斯較灰?guī)r瓦斯更易放散。由于泥巖的隔斷作用，在煤層瓦斯受地質(zhì)運動等因素影響而逐漸減小時，灰?guī)r瓦斯得以更好的保存，這也是局部瓦斯異常涌出的重要原因之一。

綜上所述，可以認為異常涌出的瓦斯主要來自煤層上覆的K2、K3、K4灰?guī)r裂隙。以100402回采工作面為例，在頂板賦存比較穩(wěn)定的區(qū)域，其絕對瓦斯涌出量為0.31～1.00m3／min，平均為0.70 m3／min，而在煤層頂板K2裂隙發(fā)育區(qū)域，最大瓦斯涌出量高達4.36m3／min，由此可以認為，這些異常涌出的瓦斯來源于煤層頂板灰?guī)r。

3 瓦斯異常涌出防治措施

根據(jù)上面分析可知，義棠煤業(yè)瓦斯異常涌出的瓦斯源主要在9＃煤層頂板灰?guī)r裂隙中。為防止瓦斯事故的發(fā)生，必須根據(jù)實際情況采取切實可行的瓦斯綜合防治措施，控制煤層瓦斯涌出，確保礦井安全、高效的生產(chǎn)。

(1)堅持 “瓦斯防治，地質(zhì)先行”的方針，在采掘工作面前方施工前探鉆孔，一方面探測前方煤層賦存情況，另一方面通過鉆孔施工過程中的瓦斯涌出情況，預(yù)測前方煤體頂板裂隙發(fā)育及瓦斯賦存情況，以便采取有針對性的瓦斯防治措施。

(2)在瓦斯賦存異常的區(qū)域，通過向煤層及煤層與頂板結(jié)合部位施工排放鉆孔，排放煤層及頂板灰?guī)r裂隙中的瓦斯，降低采掘過程中瓦斯涌出量。在瓦斯涌出異常大的區(qū)域，可以安設(shè)移動抽放泵，將高濃度瓦斯抽出并排放到總回風(fēng)巷或地面，防止發(fā)生瓦斯超限。

(3)采用均壓通風(fēng)，盡量保持通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，減少漏風(fēng)，抑制采空區(qū)瓦斯涌出，降低上隅角瓦斯超限幾率，確保安全生產(chǎn)。

(4)適度增加瓦斯異常涌出區(qū)域采掘工作面的風(fēng)量，稀釋風(fēng)流中瓦斯?jié)舛取?/p>

(5)加強礦井機電設(shè)備管理，杜絕失爆現(xiàn)象發(fā)生；提高礦井檢測監(jiān)控水平，掌握礦井及采掘工作面瓦斯涌出量實時變化情況，以便采取有針對性的瓦斯防治措施。

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