屯蘭礦2#煤層瓦斯地質特性及區域性防治措施研究

陳素彬

(山西焦煤西山煤電集團公司安全生產監督管理局，山西省太原市，030053)

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屯蘭礦2#煤層瓦斯地質特性及區域性防治措施研究

陳素彬

(山西焦煤西山煤電集團公司安全生產監督管理局，山西省太原市，030053)

針對屯蘭煤礦2#煤層瓦斯涌出量和瓦斯壓力大的問題，對2#煤層瓦斯地質進行了分析研究，埋深和地質構造是影響瓦斯賦存的兩個主要因素。從2#煤層瓦斯地質宏觀角度分析造成煤與瓦斯突出的主要原因是由地質構造引起的，利用屯蘭煤礦自身地質情況，制定了煤層穿層瓦斯區域抽采技術的防治措施，使得瓦斯抽采率升高，瓦斯濃度降低，有效確保礦井安全高效生產。

煤與瓦斯突出 地質構造 瓦斯涌出量 瓦斯壓力 穿層鉆孔 順層長鉆孔 屯蘭煤礦

1 礦井概況

屯蘭煤礦為山西焦煤集團西山煤電(集團)有限責任公司下屬礦井。井田形狀呈現不規則五邊形，東西方向寬為9.9 km，南北方向長為10.6 km，井田總面積為73.3 km2，工業儲量10.27億t，可采儲量6.27億t。井田范圍內共有4層可采煤層，分別為2#、4#、8#和9#煤層，煤層平均總厚度為7.70 m。目前，主采2#煤層和8#煤層已被鑒定為瓦斯突出煤層。其中2#煤層瓦斯涌出量大，2012年礦井瓦斯等級鑒定瓦斯絕對涌出量223 m3/min，瓦斯相對涌出量39.71 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。4#煤層位于2#煤層下方，與2#煤層的平均層間距為9.09 m，屬于無瓦斯突出危險煤層。

屯蘭煤礦煤層瓦斯災害威脅十分嚴重，自然條件差，煤層賦存和地質構造復雜，在礦井瓦斯治理方面存在多種難題。隨著礦井不斷向深部發展，瓦斯涌出量也隨之不斷增大，在南五盤區域有多次發生煤與瓦斯涌出現象的記錄。本文以屯蘭煤礦2#煤層為具體研究對象，分析研究屯蘭煤礦瓦斯地質特性和瓦斯突出的原因，并提出相應的區域防治措施。

2 煤層瓦斯賦存影響因素

2.1 埋深對瓦斯賦存的影響

煤層埋深對于瓦斯賦存狀態具有重要的影響，一般埋深較淺或者在地表懸露的煤層，其內部賦存的瓦斯容易逸散。隨著埋深的增加，受到的地應力逐漸增大，煤體的滲透性降低，瓦斯運移更加困難，所以煤體中更容易集聚大量的瓦斯。煤層瓦斯壓力是煤層孔隙內的游離瓦斯氣體的壓力，即氣體分子自由熱運動撞擊所產生的作用力，是衡量煤層瓦斯賦存量以及瓦斯動力的基本指標。國內外許多現場測定的研究表明，煤層的瓦斯壓力隨埋深的增大而增加，呈現線性關系，壓力梯度隨著瓦斯賦存地質條件的不同而差別很大，但通常在同一地質單元內，同一煤層在相同埋深處瓦斯壓力大致相同。屯蘭煤礦2#煤層在實際生產中測得多標高下的瓦斯壓力和瓦斯含量具體結果，如表1所示。

表1 2#煤層瓦斯壓力及瓦斯含量實測統計表

根據測得的實際瓦斯壓力和瓦斯含量，利用王亮等人提出的安全線法來預測2#煤層瓦斯壓力及含量隨埋深的線性規律，并由得到的瓦斯壓力變化規律，結合煤樣工業分析參數獲得了瓦斯含量隨著埋深的變化關系。2#煤層瓦斯壓力與瓦斯含量隨埋深變化關系如圖1所示。

由圖1曲線得到的擬合公式對2#煤層瓦斯壓力P與埋深H的關系進行預測。得到P=0.0043H-0.226，即在埋深225 m處，推算瓦斯壓力為0.74 MPa，預測的瓦斯含量為5.40 m3/t；在埋深365 m處，推算的瓦斯壓力為1.34 MPa，預測的瓦斯含量為8.00 m3/t。

2.2 地質構造對瓦斯賦存的影響

煤層的地質構造對煤層瓦斯賦存的影響巨大，構造的復雜性直接導致煤層瓦斯賦存情況的多樣性。受構造區域影響的煤層常常出現瓦斯賦存的異常現象。屯蘭煤礦2#煤層范圍內主要受到的地質構造表現有褶皺、斷層和多結構組合的控制作用。

圖1 2#煤層瓦斯壓力與瓦斯含量隨埋深變化關系示意圖

(1)褶皺的控制作用。在2#煤層向斜的褶皺區域主要受到擠壓作用，內部裂隙閉合堵塞造成透氣性下降，容易形成瓦斯聚集區。在背斜褶皺區域，張性裂隙的發育有利于瓦斯的逸散，但如果在裂隙處覆蓋一層密封性較好的巖體，就提供了更加良好的瓦斯聚集條件。

(2)斷層的控制作用。屯蘭礦井田范圍內有較多斷層結構，多數為北東正斷層結構。幾處較大斷層平行分布，對煤層破壞有很大的影響。斷層處煤體厚度起伏變化較大，煤質構造煤發育。從流體力學特性可知，瓦斯在斷層內流動性強，加之井田內斷層之間封堵性好，瓦斯運移到斷層面附近更容易積聚。井田內發育的大量小斷層，具有延伸短、切割地層少、斷層規模小的特點，不僅沒有造成瓦斯的逸散，反而有利于瓦斯的運移和積聚，在斷層的尖滅處瓦斯含量往往突然增大，形成瓦斯富積區域。

(3)斷層組合方式的控制作用。斷層的組合對煤層瓦斯的控制有重要作用，組合方式不同，賦存情況也不同。屯蘭煤礦主要的組合斷層結構為梯狀組合、地壘、地塹3種組合結構。這類斷層組成的結構能起到良好的瓦斯圈閉作用，煤層瓦斯含量也有較強的積聚趨勢。

3 煤與瓦斯突出地質成因分析及防治措施

3.1 煤與瓦斯突出情況

截止目前，屯蘭煤礦2#煤層在開采和掘進過程中共發生過5次比較大規模的瓦斯異常涌出動力現象，具體發生地點及時間如表2所示。

表2 2#煤層突出動力現象情況

由表2可知，5次瓦斯突出發生的位置大致相同，也表現出相似的特征：

(1)工作面巷道瓦斯涌出量大。這5次瓦斯突出都有大量的瓦斯涌出，直接導致工作面和巷道內的瓦斯濃度急劇升高，涌出量達10.43～39.52 m3/min，瓦斯最高濃度達到7.92%。

(2)煤壁出現孔洞。瓦斯的瞬間涌出，造成工作面煤體的破壞，煤壁出現很多大小不一的孔洞。

(3)抱鉆噴孔現象。在巷道掘進過程中，施工中有瓦斯抽放工序，在鉆孔期間，多次出現碎煤從孔中噴射現象。從瓦斯動力角度分析，屯蘭煤礦2#煤層具有明顯的突出特征。

3.2 煤與瓦斯突出的原因

煤與瓦斯突出現象主要是由于地質構造等外部環境作用和煤體自身物理力學特性共同作用引起的。由上文分析可知，屯蘭煤礦附近煤層含有多處斷層，而且斷層封堵性好，瓦斯運移至斷層面受阻，造成斷層附近局部瓦斯積聚，地質構造是控制和引起屯蘭煤礦2#煤層煤與瓦斯突出的主要原因。

3.3 瓦斯突出區域防治措施

基于屯蘭煤礦煤與瓦斯突出現象的主要影響因素是地質構造，利用其自身特殊的地質構造，提出了區域防治措施，即煤層穿層瓦斯區域抽采技術。因為2#煤層為礦井的主要開采煤層，也是煤與瓦斯突出煤層， 4#煤層無瓦斯突出危險，與2#煤層的平均層間距僅為9.09 m，基于此情況，將2#煤層和4#煤層作為一個整體進行綜合治理。采用穿層鉆孔結合順層長鉆孔區域綜合治理方法，穿層鉆孔布置在4#煤層的回采巷道內。具體施工步驟為：

(1)4#煤層兩平巷掘進時，采用順層長鉆孔掩護煤巷條帶作為區域防突措施，順層長鉆孔控制的范圍為巷幫兩側不小于15 m，走向控制長度不小60 m，順層鉆孔掩護煤巷掘進鉆孔布置如圖2所示，效果檢驗達標后，在4#煤層掘進風巷和機巷形成系統。

圖2 順層鉆孔掩護煤巷掘進鉆孔布置圖

圖3 穿層鉆孔掩護2#煤層煤巷條帶

(2)4#煤層兩平巷形成后，在運輸平巷和回風平巷內每隔20～30 m，垂直于運輸平巷和回風平巷布置長度為3 m的鉆場，鉆場斷面面積為7.8 m2(2.6 m×3 m)。在鉆場內向2#煤層施工穿層抽采鉆孔，抽采鉆孔直徑94～100 mm，鉆孔間距設計為5 m，鉆孔間距以煤層中厚面為準，鉆孔終孔進入煤層頂板0.5 m。穿層鉆孔掩護2#煤層煤巷條帶布置如圖3所示。運輸平巷和回風平巷、開切眼設計7排鉆孔掩護，保護范圍為煤巷兩幫不小于15 m，滿足相關技術要求，可以確保巷道的安全進行，圖3(a)中虛線框內為鉆孔卸壓保護范圍。

(3)2#煤層運輸平巷和回風平巷掘進過程中，在4#煤層的運輸平巷和回風平巷內分別向4#煤層工作面施工順層鉆孔，鉆孔間距為10 m。要求兩平巷內的順層鉆孔能控制整個回采區域，并保證有10 m的壓茬。

(4)2#煤層運輸平巷和回風平巷形成后，在兩巷內，分別向2#煤層工作面施工順層鉆孔，鉆孔間距為2～3 m，抽采2#煤層回采區域內的瓦斯。要求兩平巷內的順層鉆孔能控制整個回采區域，并保證有10 m的壓茬。

(5)2#煤層區域預抽達標后，開始回采。在2#煤層開采過程中，通過4#煤層的順層鉆孔抽采和攔截4#煤層的卸壓瓦斯，在降低4#煤層瓦斯含量的同時，減少卸壓瓦斯向2#煤層回采空間的涌入。4#煤層抽采達標后，進行回采。

穿層鉆孔結合順層長鉆孔區域綜合治理方法的施工順序及參數如表3所示。

表3 穿層鉆孔結合順層長鉆孔區域綜合治理方法的施工順序及參數

3.4 抽采效果分析及討論

為測得采用穿層區域瓦斯抽采技術后瓦斯治理效果的情況，對2#煤層回采工作面就回采階段的風排瓦斯量、瓦斯抽放量和工作面瓦斯總涌出量進行總結，抽采效果如圖4所示。

圖4 工作面抽采效果圖

由圖4可以看出，2#煤層回采期間工作面絕對瓦斯涌出量為4～12.5 m3/min，略低于開采前瓦斯涌出量預測。風排瓦斯量平均約為6 m3/min，與抽采量總和相當，約占瓦斯涌出總量的50%左右。回風流瓦斯濃度可控制在0.6%以下，基本穩定于0.35%左右，達到了工作面瓦斯零超限要求。區域瓦斯抽采技術取得了明顯的效果，但在部分技術細節上還有待優化，如鉆孔的時空配合上，抽采的參數設計上還有總結進步的空間。該研究對其他盤區工作面以及煤層的瓦斯治理工程的設計準備提供了很好的技術經驗和設計參考。

4 結論

(1)對屯蘭煤礦2#煤層瓦斯地質進行分析研究，埋深和地質構造是影響瓦斯賦存的兩個主要因素。煤層埋深越大，煤體的滲透性下降，瓦斯更容易賦存，在含有地質斷層和褶皺的區域更有利于瓦斯積聚。

(2)屯蘭煤礦2#煤層煤與瓦斯突出的主要原因是地質構造。利用自身地質情況，制定相應的區域瓦斯防治措施，即煤層穿層瓦斯區域抽采技術。

(3)對2#煤層采用穿層區域瓦斯抽采技術，瓦斯抽采率升高，瓦斯濃度降低，確保了礦井安全高效生產。

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(責任編輯 張艷華)

Study on gas geology characteristics and regional control measures of Tulan Mine No. 2 coal seam

Chen Subin

(Institute of Occupational Safety, Shanxi Xishan Coal Electricity Group Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030053, China)

Aiming at the problem of large amount of gas emission and pressure of Tulan Mine No. 2 coal seam, analysis on the gas geology of No. 2 coal seam indicated that burial depth and geological structure are two main factors affecting gas occurrence. Analysis from macroscopic perspective of coal seam gas geology verified that the main factor causing coal and gas outburst is geological structure. Considering the geological condition, borehole drilling extraction through coal seams in gas area was worked out and had increased gas drainage rate, reduced gas concentration and effectively guaranteed mine safety production.

coal and gas outburst, geological structure, gas emission amount, gas pressure, borehole through seams, long borehole along seams, Tulan Mine

陳素彬.屯蘭礦2#煤層瓦斯地質特性及區域性防治措施研究[J].中國煤炭，2017,43(5)：113-117. Chen Subin . Study on gas geology characteristics and regional control measures of Tulan Mine No. 2 coal seam [J]. China Coal, 2017，43(5):113-117.

TD713

A

陳素彬(1967-)，男，河北趙縣人，高級工程師，主要從事安全技術管理工作。