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(yè)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(guī)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)
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(qū)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(jù)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:①采落下來的煤炭中釋放出的瓦斯;②從采掘工作面煤壁內釋放出的瓦斯;③從煤巷兩幫及頂?shù)装遽尫懦龅耐咚?④從采空區(qū)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與瓦斯突出:瓦斯噴出是指大量瓦斯在壓力狀態(tài)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(xiàn)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。
1 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(fā)生在地質構造破壞帶、溶洞裂縫區(qū)、背斜和向斜軸部儲瓦斯區(qū)以及其它儲瓦斯構造與原始洞縫相通的區(qū)域,是發(fā)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3°~15°,一般在10°以內。在此單斜基礎上發(fā)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(jù)地形地質圖,井田內一水平范圍內有3條短軸褶曲,另據(jù)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47#背斜是一水平內最大背斜構造,背斜軸向長
(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(jù)地質填圖,井田一水平范圍內出露出12條正斷層。井下共揭露22條正斷層,從現(xiàn)有的斷層資料來看,均為高角度小型正斷層,最大落差
(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?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r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(xiàn)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,陷落柱平均面積3
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(tǒng)計資料來看,瓦斯涌出量是隨煤的變質程度的增加而有規(guī)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?shù)装鍘r性在一定程度上也影響煤層內瓦斯賦存,當頂?shù)装鍘r性屬砂巖,特別是裂隙發(fā)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(wěn)定,上距KS底板
1.4 水文地質
地下水活躍的地區(qū),通常煤層瓦斯含量較小,反之,煤層瓦斯含量高。成莊礦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(lián)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(xiàn)象。據(jù)初步統(tǒng)計:小煤窖越界開采面積達288.62萬m2,破壞3#煤層地質儲量2 620.78萬t。首采一盤區(qū)儲量幾乎破壞殆盡,三、四、五盤區(qū)和備用區(qū)也遭到不同程度破壞。尤其是西山聯(lián)營礦、祥和聯(lián)營礦2#井2礦已越界進入成莊礦正在布置的四盤區(qū)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(tǒng)一規(guī)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(qū)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。
2 防治對策
2.1 準確預測預報采區(qū)工作面的瓦斯涌出量
(1)掘進巷道瓦斯涌出量Q掘的計算:
Q掘=W×K掘
式中 W———瓦斯含量,m3/t;
K掘———掘進巷道絕對瓦斯涌出量與煤層瓦
斯儲量的比值,當Q>
取0.20~0.23;當Q<
取0.11~0.15。
(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1.4~1.9。
(3)采區(qū)相對瓦斯涌出量的q區(qū)的計算:
q區(qū)=K區(qū)(∑q采+∑q掘)/A
式中 K區(qū)———生產采區(qū)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù),取1.4~1.20;
A———日產量,t。
(4)礦井相對瓦斯涌出量q礦的計算:
q礦=K礦[(1440∑q)/A]式中 K礦———已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù),1.27~1.36。
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(jù)調研,采用地面三維地震勘探方法進行地面探制,控制網(wǎng)為
2.3 建立一支高素質的礦井地質隊伍
礦井地質是一門探索性、區(qū)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(yè)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(yè)基礎資料的標準化、規(guī)范化的編制與管理,圖件要符合規(guī)程規(guī)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(yǎng),不斷提高對地質規(guī)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(qū)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、更有效地開、掘、采;五是要對生產設計與管理人員加強地質專業(yè)技術培訓,提高他們的地質技術水平,才能從根本上發(fā)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(fā)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(jù)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(jù)現(xiàn)有巷道的開拓情況,對小煤礦生產能起到限制其發(fā)展及破壞作用,對盤區(qū)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。
加強地面調查,搞好預測工作。對礦區(qū)隨時發(fā)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(jù)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(qū)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(fā)現(xiàn)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(guī)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(xiàn)實意義。
作者簡介:成蘇平(1971-),1995年畢業(yè)于山東礦業(yè)學院工程測量專業(yè),參加工作以來一直從事地測工作,有著豐富的實踐經驗。
·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(qū)域的地質結構,瓦斯賦存的溫度和氣壓條件,在巖體中瓦斯存在形狀(自由的,吸附的),以及鉆孔的目標作用等。按鉆孔結構分為4個組:Ⅰ—抽放含煤巖系瓦斯;Ⅱ—抽放生產活動的含煤巖系的瓦斯(采空區(qū));Ⅲ—抽放砂巖和巖層—集聚層自由集聚的瓦斯;Ⅳ—抽放層間水中溶解的瓦斯。對于各組的鉆孔結構都一樣,只是在作業(yè)段安置過濾孔筒不一樣。過濾管選擇要根據(jù)作業(yè)段的礦山—地質條件和巖石的構造。在實際中采用鉆孔的2種過濾部分的結構:第一種的過濾管直接安置在作業(yè)套
管的下部;第二種的過濾管通過作業(yè)套管單獨下在套管鞋下部。
