水與瓦斯伴生災害源探測分析及其預防

徐 翀,任 波,韓云春,張 寒

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室,安徽淮南 232000;2.淮南礦業(集團)有限責任公司煤礦生態環境保護國家工程實驗室,安徽淮南 232000)

水與瓦斯伴生災害源探測分析及其預防

徐 翀1,2,任 波1,韓云春1,張 寒1

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室,安徽淮南 232000;2.淮南礦業(集團)有限責任公司煤礦生態環境保護國家工程實驗室,安徽淮南 232000)

為查明潘二煤礦灰巖放水孔瓦斯噴孔事故原因,綜合運用井下物探、鉆探、示蹤試驗及瓦斯氣體組分測試4種技術手段,對潘二礦南一A組煤軌道上山下車場Gd1鉆場1號疏放水鉆孔噴孔瓦斯氣源、導氣通道、儲集空間、噴孔瓦斯成因模式及噴孔機理進行了探測分析,結果表明:噴孔瓦斯來源于灰巖底部煤線,通過灰巖裂隙、溶隙、溶洞導通,在地下水力作用下匯集于早期的灰巖溶洞、溶隙中,形成高壓游離瓦斯包,放水鉆孔觸及溶洞、溶隙空間卸壓,導致高壓游離瓦斯包噴孔。探索出一種以超前物探、“循環邁步,交叉前探”、動態補探相結合探測水與瓦斯伴生災害源,防止誤揭灰巖儲氣空間造成事故的新方法。

水與瓦斯;災害源;灰巖;瓦斯噴孔;探測分析;預防措施

潘二煤礦為煤與瓦斯突出礦井[1],其A組煤層為突出煤層,為保障工作面運輸巷道的安全掘進、工作面瓦斯預抽以及水害防治,確保A組煤安全開采,在距離A1煤層底板15 m布置工作面底抽巷,在巷道中施工放水鉆孔和頂板預抽A組煤層瓦斯鉆孔。2009－06－26晚,在潘二礦南一A組煤軌道上山下車場Gd1鉆場施工1號疏放水鉆孔時發生嚴重瓦斯噴孔事故,噴出瓦斯濃度達3.76%,累計噴出瓦斯量(折純CH4量)超過6 700 m3,嚴重影響了安全生產。淮南礦區歷史上首次出現巖石孔單孔瓦斯噴出量超過6 700 m3的問題,因此,查明噴孔瓦斯氣源、導氣通道、儲集空間,研究潘二礦灰巖放水孔瓦斯噴孔成因及其預防措施,防止誤揭灰巖儲氣空間造成事故,對煤礦安全生產具有重要意義。

1 瓦斯噴孔事故簡況

1.1 瓦斯噴孔地段地質概況

潘二煤礦位于淮河北部,地處陶王背斜及其轉折端,走向長約12 km,傾斜寬2.5 km,面積35 km2[2]。此次放水孔瓦斯噴孔事故發生于潘集背斜北翼的南一采區A組煤準備巷道(圖1),石門標高－523.6 m。南一采區共3組10層煤可采,C組13煤、11煤可采, B組8煤、7煤、6煤、5煤和4煤可采,A組3煤、1煤可采。A組煤煤巖層走向為NWW向,傾角10°～13°,其中1煤層厚3.12～3.43 m,3煤層厚4.85～5.86 m,兩煤層間夾矸0.95～1.05 m,實測1煤、3煤混合瓦斯壓力1.75 MPa,瓦斯含量10 m3/t,均為突出煤層。1煤底板下約15 m往下發育有120 m厚的石灰巖及砂巖、砂質泥巖,其中灰巖劃分13層,總厚50 m,一灰～五灰底部局部含煤線,厚0.1～1.1 m不等,三灰富水性較強。

圖1 瓦斯噴孔位置Fig.1 The position of gas-jet

淮南潘謝礦區首次在灰巖承壓水上施工南一采區A組煤準備巷道,已施工采區軌道上山及11223工作面底板放水巷(A組煤層底板抽采巷),已掘198 m軌道上山,未見斷層,層位正常。據B組煤層(4－1煤～10煤)開采過程中已揭露的地質資料分析,該巷道東側法距67 m處發育有一條落差5～6 m的F10－3正斷層,西側發育一條落差為6 m的FX1正斷層(該斷層為底板放水孔實際揭露)。

1.2 瓦斯噴孔發生經過

南一A組煤軌道上山下車場Gd1鉆場原設計施工2個放水鉆孔,設計鉆孔長度分別為1號孔120 m、2號孔122 m。先施工的2號孔終孔長度為122 m,出水量0.12 m3/h,有微量瓦斯涌出。2009－06－26晚在Gd1鉆場施工1號疏放水鉆孔,施工至35 m處出水,水量約0.9 m3/h,鉆進至97.5 m處發生瓦斯噴孔(1號鉆孔終孔與2號鉆孔終孔最小距離約為18 m),當晚23:12開始噴孔,T2探頭超限時間162 min,其中瓦斯濃度大于3.0%,時間41 min,最大值3.76%,至次日9:56,瓦斯恢復至正常掘進期間濃度0.14%,但仍有水與瓦斯間歇噴出。此次瓦斯異常噴孔持續時間為644 min,累計噴出瓦斯量超過6 700 m3。

2 瓦斯噴孔因素探查與分析

2.1 A組煤底板灰巖地質異常綜合物探

地下賦存的煤(巖)體或地質構造基于其所具有的物理性質、規模大小及所處的位置,都有相應的物理現象反映,其電性、磁性、彈性等物理性質差異為物探方法提供了良好的地質－地球物理基礎[3],采用合適的儀器提取需要的信息便可進行相應的地質解釋。本次探查將采用三維電法[4－5]、瞬變電磁法[6－10]、地震波法[11－14]3種方法對軌道上山中心線兩邊30 m、垂深50 m范圍內地質異常情況進行綜合探查。

結果顯示探查范圍內A組煤底板灰巖存在4個電阻異常區、3個地震異常區及1個瞬變異常區(圖2),地質異常區主要在分布于巷道底板下15～20 m的二灰和三灰巖層之間,沿軌道上山方位呈串珠狀展布。低阻異常區D1與1號鉆孔鉆探過程中出水位置一致,為巖層富水區;D2,D3與D4均為高阻異常區,D2為鉆孔瓦斯噴孔位置,受瓦斯噴出后水動力條件影響,D2阻值低于D3,D4;D3,D4高阻異常區可能聚集一定的氣體,為潛在的貯氣空腔。地震異常區Z1,Z2及Z3多發育于三灰巖層,表明三灰巖溶裂隙發育,具有小溶洞發育的可能性,為灰巖水及瓦斯氣體提供了貯存空間,裂隙之間具有一定的連通性,為灰巖水及瓦斯提供了導氣通道。瞬變異常區C1位于D3,Z3交匯處。

2.2 鉆探及示蹤試驗

2.2.1 鉆探驗證

針對綜合地球物理探測的結果,設計了相應的井下鉆孔對物探結果進行驗證,并設計了相應的鉆孔進行示蹤試驗以驗證井下地質空間的聯通性。鉆孔設計及施工如圖2及表1所示。

圖2 南一A組煤底板灰巖地質異常探測結果剖面圖及鉆孔設計示意Fig.2 The geological anomaly detection results of the floor limestone in Group A and sketch map of drilling design

表1 鉆孔設計與施工統計Table 1 Statistics of drilling design and construction

1,2號孔為放水孔續探,1號孔為原放水孔從38 m處分岔前探至125 m處,鉆孔不返水,驗證為溶洞;2號孔為原放水孔自原終孔位置122 m處繼續鉆進至158 m,無明顯異常。3號孔水量為0.3 m3/h,鉆至36 m處時測得孔內瓦斯濃度為40%,在C35底板見一煤線(92.4～93.0 m)。4號孔為探測F10－3斷層沿一灰底板近水平鉆孔,施工過程中未出現瓦斯異常,也未出水。5號孔驗證D3高阻異常區,異常區巖石破碎,有氣泡流出。6號孔驗證D3高阻異常區,施工過程中出水,出水量為0.1 m3/h,出水時孔內伴有瓦斯,現場實測0.7%以上。7號孔驗證4號高阻異常區,施工過程中有氣泡涌出。驗證結果與物探結果基本一致,證實A組煤底板灰巖裂隙發育,局部小溶洞發育,且A組煤底板灰巖下局部有煤線發育。

2.2.2 示蹤試驗

為查明鉆孔導氣通道,選擇SF6作為示蹤氣體進行示蹤試驗。SF6具有無毒無味、穩定性高、物理活性大、檢出靈敏度高的優點[15]。一般認為釋放源量大于20 mL氣源,在漏風匯收集到的SF6濃度中最大值＜l×10－9時,可認為釋放源與漏風匯之間幾乎不連通;最大值在l×10－9～15×10－9時,可認為釋放源與漏風匯之間具有連通;最大值＞15×10－9時,可認為釋放源與漏風匯之間具有較好的連通性[16]。

為了考察A1煤層與1號鉆孔導通性及A組煤底板巖溶聯通性,設計了3個實驗。

實驗1:9號孔施工完畢后立即注入SF6氣體,并在1號孔進行5 h連續取樣化驗。

實驗2:4號孔施工完畢后立即注入SF6氣體,并在1號孔進行9 h連續取樣化驗。

實驗3:3號孔施工完畢后立即注入SF6氣體,并在1號孔進行6 h連續取樣化驗。

實驗測試結果如圖3所示。

實驗1測試段A1煤瓦斯含量約10 m3/t,9號示蹤孔向外涌出瓦斯較大,對SF6氣體擴散起到阻礙作用,但測試過程中氣樣SF6濃度“幾乎沒有—急劇增大—逐漸減小”的變化趨勢明顯,涌出瓦斯并未從根本上影響測試結果。整個過程氣樣中SF6的濃度均小于1×10－9,亦可說明A1煤層與l號放水孔及9號孔所穿過區域導通性較差,幾乎不連通,無斷層帶通向1號放水孔。

圖3 SF6濃度隨時間的變化Fig.3 SF6 concentration varying with time

實驗2氣樣中SF6的最大濃度大于15×10－9,濃度“小—大—小”變化趨勢明顯,SF6濃度上升到峰值后濃度衰減快,表明A1煤煤層底板的灰巖間連通性較好,且SF6氣體擴散路徑較短,灰巖之間就近連通,灰巖間聯絡通道為氣體主要擴散通道。

實驗3中3號孔施工完成后有一定出水現象,出水量0.3 m3/h,因水壓較大,封孔注入的SF6氣體被水頂出,共向3號孔注了3次SF6氣體。3號孔向外涌水,對SF6氣體向擴散阻礙較大,取樣測試結果顯示,最大濃度大于1×10－9,亦可說明1號孔與3號孔之間有較好的導通性,3號孔取芯過程呈現的破碎情況,在一定程度上也證明了A1煤底板灰巖間具有較好的連通性。1號孔瓦斯噴孔后期仍間斷向外噴出瓦斯,這些瓦斯只能是煤層解吸或周圍的灰巖儲氣空間中的瓦斯通過這些導氣通過而來。

2.3 瓦斯氣源判別

在成煤作用過程中,成煤物質發生了復雜的物理化學變化,揮發分和水含量減少,發熱量和固定碳含量增加,同時生成以甲烷為主的瓦斯氣體[17],而灰巖的形成過程中一般不生成瓦斯氣體,因此,A1煤層及一灰～五灰的局部煤線均可能構成瓦斯源。為準確查明瓦斯氣體來源,采集放水孔瓦斯及A1煤層瓦斯共7個樣品,采用HP－6890氣相色譜串聯Finnigan MAT Delta+_XL質譜儀相結合對樣品進行了測試分析,測試結果見表2。由表2可見,樣品成分差異明顯,1,2,5,6號樣品CH4含量在45%～53%,O2含量均大于6.2%,CO2含量大于16.4%,而3,4,7號樣品CH4含量＞70%,O2含量均小于2.3%,CO2含量小于5.3%;樣品的同位素比值亦表現出相似的規律性,1,2,5,6號樣品在－25‰～－30‰,3,4號樣品在－45‰～－50‰,7號樣品稍大,比值超過－60‰。

表2 樣品測試分析結果Table 2 The test and analysis results of samples

綜合分析可知,1,2,5,6號瓦斯樣品為同一個來源或相似來源,其存在環境相近;3,4,7號瓦斯樣品(A1煤層瓦斯)來源為同一組(圖4)。噴出瓦斯與灰巖瓦斯的主要成分及δ(13C)/δ(12C)相對比值的一致性,及其與A1煤瓦斯含量及δ(13C)/δ(12C)相對比值的差異性,說明造成灰巖放水孔瓦斯噴孔的瓦斯氣源來自灰巖煤系地層,系～灰巖底部局部賦存0.1～0.4 m厚煤層產生,而非A1煤層產生。

圖4 樣品分析直方圖Fig.4 The histogram of sample analysis

3 噴孔瓦斯成因模式及噴孔機理

4 預防措施

(1)超前探測。在巷道掘進過程中采用鉆孔和巷道綜合物探技術進行連續跟蹤超前探測與預報。利用掘進工作面施工的超前鉆孔進行孔中電法探測,判定巷道前方地質層位位置;利用孔中視電阻率剖面圈定超前鉆孔周圍的高電阻率值和低電阻率值異常區域,對前方掘進地質條件進行預測;利用巷道電磁法對巷道前方及后方底板下巖層高阻和低阻異常進行判定,對掘進前方的溶洞、溶隙發育和富水性進行分析預報。

(2)循環邁步,交叉前探。仔細分析底抽巷掘進前方的勘探資料,并結合最新的超前物探資料,采用“循環邁步,交叉前探”的層位及構造探控方法,進一步查明掘進前方的地質構造情況,重點對地質構造及物探解釋的溶洞、溶隙及低阻異常區進行探控,以便提前采取措施,保障安全生產。

(3)動態補探對。地質異常地段采取停頭、施工瓦斯地質前探孔等補探措施。

采用上述安全技術措施,1 800 m長的11223底抽巷順利貫通,未發生瓦斯超限現象。

5 結 論

(2)灰巖底部局部裂隙發育,裂隙、溶隙、溶洞形成良好的導氣通道,并為灰巖瓦斯提供了聚集場所。

(3)灰巖放水孔觸及高壓游離瓦斯包,巨大的壓差效應導致瓦斯噴孔,圍巖裂隙空間水、瓦斯通過導通裂隙形成少量補給是瓦斯噴孔后期水與瓦斯間歇式噴出的原因。

(4)在巷道掘進過程中采用鉆孔探測和巷道綜合物探技術對巷道前方進行超前探測與“循環邁步,交叉前探”的層位及構造探控方法對物探解釋的溶洞、溶隙及低阻異常區進行驗證與探控,對瓦斯富集區實施抽采等措施,能有效預防巖層瓦斯噴孔,防止因誤揭灰巖儲氣空間造成事故。

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Analysis on detection and prevention of disaster associated by water and gas

XU Chong1,2,REN Bo1,HAN Yun-chun1,ZHANG Han1

(1.State Key Laboratory of Deep Coal Mining&Environment Protection,Huainan Mining Industry(Group)Co.,Ltd.,Huainan 232000,China;2.National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection,Huainan Mining Industry(Group)Co.,Ltd.,Huainan 232000,China)

In order to ascertain the cause of the gas-jet in limestone relief hole in the second mine of Panji,Huainan coalfield,four technological methods were used to analyze the gas source of the gas from limestone relief hole,the guide channel of gas,the reservoir space of gas,the genetic model of gas and the preventive measures of gas-jet limestone relief hole in the second mine of Panji.The results show the gas is derived from the coal line under the limestone,contacted through fissure,solution crack and water-eroded cave of limestone where the gas collects in and forms free gas pocket with high-pressure under the action of groundwater.Relief hole cause the free gas pocket with high-pressure pressure relief,then lead gas-jet.The author developed a new approach to probe the disaster associated by water&gas and prevent the accident caused by mistaken exposing the gad space of limestone by geophysical prospecting ahead,“loop move,cross exploration ahead”and dynamic supplementary probe.

water and gas;the source of disaster;limestone;gas-jet;detection and analysis;perventive measures

TD712;TD745

A

0253－9993(2014)04－0679－06

徐 翀,任 波,韓云春,等.水與瓦斯伴生災害源探測分析及其預防[J].煤炭學報,2014,39(4):679－684.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0597

Xu Chong,Ren Bo,Han Yunchun,et al.Analysis on detection and prevention of disaster associated by water and gas[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):679－684.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0597

2013－05－06 責任編輯:畢永華

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2012CB724206);國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF14B05)

徐 翀(1961—),男,安徽安慶人,高級工程師。Tel:0554－7627932,E－mail:2240225020@qq.com