灰巖裂隙發育區瓦斯異常涌出原因及防治技術研究＊

袁軍偉

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454010；2.河南省瓦斯地質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.中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，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。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，且由于地質構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域的存在，給礦井安全生產埋下了非常大的隱患。在瓦斯異常涌出預測方面，學者曾提出不同的預測模型。對瓦斯異常涌出的治理主要采用加大風流、瓦斯抽采等方法，但由于各礦煤層賦存、采掘技術等條件的差異，對特定礦井而言，并不一定都適用，需要根據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地質體，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域，在低瓦斯礦井中存在高瓦斯區域。現有研究表明，煤層瓦斯異常涌出，主要是由局部區域受地質構造及采掘技術因素等造成。

(1)地質因素。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生變化的地質因素主要有煤層產狀及埋深、頂底板巖性及其組合、地質構造及其性質、火成巖侵入情況、水文地質等基本條件。

(2)采掘技術因素。采掘技術造成瓦斯異常涌出的因素主要包括通風方式、大氣壓變化、采掘布置、采掘速度、工藝工序等。一般情況下，生產方面引起的瓦斯涌出變化不大，通風方面的因素在瓦斯涌出中有重要作用，尤其是在局部調風、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

山西義棠煤業有限責任公司 (簡稱義棠煤業)位于晉中盆地西南介休市西南義棠鎮劉屯溝，設計生產能力1.80Mt／a，采用斜井—立井開拓，兩翼對角式通風方式，機械抽出式通風方法，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，全區穩定可采，煤質為瘦煤，煤層頂板為K2石灰巖，底板為泥巖；10＃煤層位于太原組底部，煤層厚度平均4.32m，全區穩定可采，煤質為瘦煤。煤層頂板和底板均為泥巖或炭質泥巖。

義棠煤業自建礦以來，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，給礦井安全生產帶來極大的隱患，也影響了礦井產能的發揮。以100402回采工作面為例 (工作面配風量1000m3／min)，在工作面前600m范圍內進行回采時，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，并頻繁出現上隅角瓦斯超限現象。

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。瓦斯員檢測瓦斯濃度時，發現頂板裂隙非常發育，裂隙中瓦斯濃度達到10%以上，有時造成回風流瓦斯濃度達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場及實驗室測定，測定結果見表1。

表1 9＃、10＃煤層瓦斯含量測定結果

對表1中數據分析可知，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，但二者相關性較低 (相關系數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，尚處于瓦斯風化帶內。根據實測瓦斯含量及實際產量可知，義棠煤業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象，說明這些異常涌出的瓦斯不僅來源于煤層本身，應該存在另外的瓦斯源。由于義棠煤業生產工藝工序、通風方式等采掘技術因素沒有發生變化，下面根據義棠煤業煤層瓦斯生、儲、蓋條件，對義棠煤業9＃、10＃煤層局部區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

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

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。這種現象在陽泉、汾孝、柳林等礦區部分礦井出現過。在這種情況下，應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灰巖進行了現場考察。考察發現在該工作面前600m區域，K2灰巖賦存穩定，裂隙不發育；在工作面推過600m以后的區域，K2灰巖裂隙非常發育，裂隙寬度從幾毫米到10cm以上不等，且裂隙相互連通。在這些裂隙發育區域，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、K4兩層灰巖的沉積環境和時期與K2灰巖相同。因此，可以推斷，這三層灰巖在局部地區均存在裂隙發育區域，K2、K3、K4灰巖充當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、巖性及地質構造發育程度有關。

義棠煤業9＃、10＃煤層所處地層為一套海陸交互相沉積，根據巖性相變特征，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、砂質泥巖、石灰巖，灰色中細粒砂巖和3層海相石灰巖及2～5層煤層組成，本段所含3層石灰巖由下而上依次為K2、K3、K4，其層位穩定，厚度大，裂隙發育；下段巖性主要由深灰—灰黑色泥巖、淺灰色鋁質泥巖和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育不穩定，常相變為灰色泥巖、砂質泥巖。

相關研究表明，當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灰巖外，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灰巖裂隙瓦斯的保存創造了條件。

2.3.4 局部瓦斯異常涌出原因

綜上所述，可知義棠煤業下組煤煤層瓦斯具有良好的生、儲、蓋條件，煤層瓦斯含量應該比較高，但瓦斯含量實測結果 (見表1)及實際生產表明，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＃煤層頂板灰巖裂隙發育區域，局部瓦斯異常涌出。根據礦井地質資料及現場觀測，認為義棠煤業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，在漫長的地質史過程中，絕大部分瓦斯已經逸散在古大氣中，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灰巖，這些巖層節理發育，富含燧石結核及條帶，富含海相動物化石，這就使得K2等灰巖擁有豐富的體腔空隙，另外，這些灰巖局部存在大量裂隙且相互溝通，處于游離狀態的瓦斯易儲存在這些裂隙、體腔空隙和局部發育的巖溶內。由于上覆于9＃煤層之上的K2、K3、K4灰巖充當了瓦斯的儲集層，當9＃煤層采場周圍的巖體連續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＃煤層與灰巖之間，存在一層泥巖或炭質泥巖，這些泥巖和炭質泥巖具有結構致密、透氣性差的特點。在煤巖體沉積過程中，結構致密、透氣性差的泥巖和炭質泥巖隔斷了煤層與上覆砂巖之間的聯系。煤層透氣性要遠大于泥巖的透氣性，因此，煤層瓦斯較灰巖瓦斯更易放散。由于泥巖的隔斷作用，在煤層瓦斯受地質運動等因素影響而逐漸減小時，灰巖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灰巖裂隙。以100402回采工作面為例，在頂板賦存比較穩定的區域，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裂隙發育區域，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巖。

3 瓦斯異常涌出防治措施

根據上面分析可知，義棠煤業瓦斯異常涌出的瓦斯源主要在9＃煤層頂板灰巖裂隙中。為防止瓦斯事故的發生，必須根據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。

(1)堅持 “瓦斯防治，地質先行”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，預測前方煤體頂板裂隙發育及瓦斯賦存情況，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域，通過向煤層及煤層與頂板結合部位施工排放鉆孔，排放煤層及頂板灰巖裂隙中的瓦斯，降低采掘過程中瓦斯涌出量。在瓦斯涌出異常大的區域，可以安設移動抽放泵，將高濃度瓦斯抽出并排放到總回風巷或地面，防止發生瓦斯超限。

(3)采用均壓通風，盡量保持通風系統穩定，減少漏風，抑制采空區瓦斯涌出，降低上隅角瓦斯超限幾率，確保安全生產。

(4)適度增加瓦斯異常涌出區域采掘工作面的風量，稀釋風流中瓦斯濃度。

(5)加強礦井機電設備管理，杜絕失爆現象發生；提高礦井檢測監控水平，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。

[1]秦汝祥，張國樞等.瓦斯涌出異常預報與瓦斯突出[J].煤炭學報，2006 (10)

[2]吳財芳，曾勇，張子戌.低瓦斯礦井煤層瓦斯異常涌出的研究[J].中國煤田地質，2003(4)

[3]何啟林，王德明.孔莊煤礦瓦斯異常原因及其防治措施[J].遼寧工程技術大學學報，2003(8)

[4]湯友誼，程昭斌，彭立世等.東灘煤礦瓦斯異常涌出的研究[J].礦業安全與環保，2001(5)

[5]焦作礦業學院瓦斯地質研究室.瓦斯地質概論[M].北京:煤炭工業出版社，1991

[6]郭凡進.保德煤礦采空區瓦斯涌出異常原因分析及防治措施[J].煤炭工程，2006 (6)

[7]安鴻濤，孫四清等.瓦斯異常帶預測及其在煤礦安全生產中的應用[J].煤礦安全，2009(3)

[8]賈進亞.地質因素對井田瓦斯涌出影響淺析[J].煤炭科技，2010(1)

[9]孔建偉.堅硬頂板礦壓顯現與瓦斯涌出關系研究[J].中國煤炭.2009 (9)