十一矿主要煤层瓦斯分布特征及突出危险性预测

李元建赵喜海杨 敏许 军刘素青

(1.河南省煤炭地质勘察研究院,河南 450052;2.平煤集团十一矿,河南 467000)

十一矿主要煤层瓦斯分布特征及突出危险性预测

李元建1赵喜海2杨 敏1许 军1刘素青1

(1.河南省煤炭地质勘察研究院,河南 450052;2.平煤集团十一矿,河南 467000)

通过对平煤集团十一矿近几年瓦斯赋存状况及赋存规律的研究,发现开采区域中瓦斯和二氧化碳来源主要区域是回采区和采空区。煤层瓦斯涌出量增大的原因主要是随着开采深度的增加,同期产量增加而增大。矿井瓦斯、二氧化碳涌出量大的开采水平为二水平,煤层是二煤组。因此矿井瓦斯防治的重点是二水平、二煤组。采用瓦斯放散初速度、坚固性系数等参数对主要开采煤层煤与瓦斯突出危险性进行预测,给矿井瓦斯管理及安全生产应采取的防范措施提供了参考。

瓦斯 赋存规律 突出危险性 预测

瓦斯,是一种易燃、易爆气体,无色、无味、是威胁煤矿安全和矿工生命的最大灾害源。煤层瓦斯涌出可以发生在采掘过程中,由煤炭的破碎、运输和煤壁释放出的瓦斯量,是造成矿井采掘工作面瓦斯积聚超限和矿井发生瓦斯爆炸事故的根源,煤层瓦斯涌出可以发生在开采煤层上、下、顶、底范围内以及受采动影响的不可采邻近煤层或岩层。因此,瓦斯涌出是不均衡的,在空间分布上具有明显的分区、分带特征。瓦斯涌出的非均衡性不仅存在于煤田、矿井之间,而且还存在于同一煤层、同一矿井的不同工作面之间。高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井的瓦斯防治是世界产煤国家共同面临的国际性技术难题。平煤集团十一矿瓦斯涌出量大,用瓦斯地质理论和方法分析其赋存规律,对煤层突出危险性进行预测,指导防灾、减灾具有重要意义。

1 矿井地质概况

十一矿位于平顶山煤田西部,含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组,煤系地层总厚794.03m,含煤九组88层,煤层总厚度25.31m,含煤系数为3.19%。可采煤层为:二1、四2、五12煤;局部可采为:一4、二2、四3、五22、六2煤;可采煤层总厚14.30m,可采煤层含煤系数1.80%。

十一矿处于李口向斜西南翼,整体为走向NW～SE、倾向NE的单斜构造。浅部地层陡,倾角高达67°,局部倒转,深部倾角缓,倾角一般为5～12°。区内褶皱与大中型断裂构造均不甚发育,多为NW～SE向。根据生产揭露落差在10m的小断层20条以上,反映区内小断层较发育。

2 矿井瓦斯赋存规律

2.1 钻孔煤层瓦斯成分及含量

区内地勘阶段时期按照《MT/T77-94》煤层气测定方法,采取钻孔煤层瓦斯样52个。从瓦斯含量测试结果看,六2、一4煤瓦斯含量较低,瓦斯采样点较少,下面重点分析五12、四2、二1煤层瓦斯含量及其变化规律。

(1)五12煤:采样深度在-88.18～-698.14m,瓦斯主要由甲烷、氮气、二氧化碳组成,其中甲烷占 11.11%～92.65%,平均 69.42%,氮气占2.16%～76.53%,平均 24.45%,二氧化碳占0.14%～12.36%,平均5.95%。仅有2孔甲烷成分在80%以上,大部分孔甲烷成分在60%～75%,甲烷含量0.39～7.71ml/g.r,平均值2.90ml/g.r。整体来看煤层-720m以浅为氮气～沼气带。

(2)四2煤:采样深度在+13.41～-785.22m,甲烷成分61.95%～95.68%,平均71.92%。氮气成分0.54%～33.21%,平均13.07%,二氧化碳成分3.25%～13.73%,平均6.05%。甲烷含量2.41～10.15ml/g.r,平均5.33ml/g.r,四2煤在-760m以深属沼气带 (CH4>80%)。

(3)二1煤:采样深度在+16.06～-962.05m,甲烷成分57.44%～94.14%,平均84.16%,氮气成分0.00～29.71%,平均6.29%,二氧化碳成分4.13%～17.69%,平均9.06%。甲烷含量1.98～13.16ml/g.r,平均值7.74ml/g.r。二1煤在-850m以深属沼气带 (CH4>80%)。

2.2 瓦斯含量变化规律

(1)五12煤层在-500m以浅,甲烷含量平均值为1.05ml/g.r;在-500m～720m,甲烷含量平均值为4.43ml/g.r。

(2)四2煤层在-500m以浅,甲烷含量平均值为1.33ml/g.r;在-500～-650m,甲烷含量平均值为4.60ml/g.r;在-650～-760m,甲烷含量平均值为6.94ml/g.r。

(3)二1煤层在-600m以浅,甲烷含量平均值为1.03ml/g.r;在-600～-800m,甲烷含量平均值为4.43ml/g.r;在-850～-1000m范围,甲烷含量平均值为9.44ml/g.r。

表1 年度瓦斯鉴定结果表

2.3 矿井瓦斯涌出量分析

2005～2009年矿井瓦斯涌出量见表1。从表1可以看出2006年比2005年矿井瓦斯涌出量增长幅度较大,绝对涌出量增加45.17%,相对涌出量增加30.04%。瓦斯涌出量增加的原因:最主要的是2006年己二东翼首个综采工作面己16-17-22071采面开始回采,回采过程中瓦斯涌出量明显增大。己二东翼比西翼瓦斯含量明显增高。2007年比2006年矿井瓦斯绝对涌出量增加13.42%、相对涌出量增加17.79%,2007年瓦斯涌出量增加的原因主要是随着开采深度的增加,瓦斯含量随之增加,而且己二东翼己16-17-22071采面在八月份回采期间瓦斯涌出量较以前有所增加。2008年比2007年矿井瓦斯涌出量出现下降,绝对涌出量下降28.36%,相对涌出量下降60.22%,相对涌出量下降的原因主要是瓦斯含量高的己二采区东翼无采煤工作面,掘进工作面也只是进行外围工程。2009年瓦斯绝对涌出量较2008年上升11.48%,瓦斯相对涌出量持平。瓦斯绝对涌出量增加的主要原因是矿井各煤层均向深部延伸,深部煤层瓦斯含量有所增加。2007年己二采区东翼瓦斯绝对涌出量占到全矿井的近70.54%,见表2。

表2 各采区瓦斯鉴定结果表

2.4 矿井瓦斯与二氧化碳分布特征

2005～2009年矿井开采区域甲烷和二氧化碳来源见表3。从表3可以看出,回采区的瓦斯绝对涌出量占总量的21.8%～68.8%,平均50.71%。二氧化碳绝对涌出量占总量的24.3%～37.49%,平均30.44%。掘进区的瓦斯绝对涌出量占总量的9.37%～49.1%,平均25.61%。二氧化碳绝对涌出量占总量的13.37%～27.3%,平均21.01%。采空区的瓦斯绝对涌出量占总量的16.6%～27.66%。平均 22.91%。二氧化碳绝对涌出量占总量的26.25%～58.3%,平均46.30%。因此,开采区域瓦斯和二氧化碳来源主要是回采区和采空区。

2.5 各煤层、各水平瓦斯与二氧化碳分布特征

2005～2009年矿井各煤层、各水平甲烷与二氧化碳来源见表4。从表4可以看出五组煤的瓦斯绝对涌出量占总量的 21.27%～38.3%,平均28.52%。二氧化碳绝对涌出量占总量的29.33%～38.73%,平均31.0%。四组煤的瓦斯绝对涌出量占总量的4.17%～19.77%,平均9.25%。二氧化碳绝对涌出量占总量的6.30%～21.13%,平均11.79%。二组煤的瓦斯绝对涌出量占总量的50.17%～68.27%,平均58.81%。二氧化碳绝对涌出量占总量的35.68%～56.00%,平均49.94%。一水平的瓦斯绝对涌出量占总量的 7.50%～25.60%,平均16.27%。二氧化碳绝对涌出量占总量的7.80%～20.90%,平均16.24%。二水平的瓦斯绝对涌出量占总量的70.63%～89.97%,平均81.08%。二氧化碳绝对涌出量占总量的68.18%～86.50%,平均78.67%。根据以上数据表明,矿井瓦斯、二氧化碳涌出量大的区域为二水平,煤层是二煤组。因此矿井瓦斯防治的重点是二水平、二煤组。

表3 开采区域瓦斯和二氧化碳来源分析表

表4 各煤组及水平瓦斯和二氧化碳来源分析表

3 煤与瓦斯突出危险性分析

锅底山断裂是一个由南西向北东逆冲的逆冲压扭性断裂,其右行压扭性活动形成了次一级的断裂,大规模的挤压、剪切活动,使得煤层结构严重破坏,构造煤特别发育,多为Ⅲ～Ⅳ类,最发育的厚度可达1.5m以上。

五矿二1煤己发生9次煤与瓦斯突出,己一采区和己二采区与十一矿同在锅底山断裂上盘,其中己一采区突出3次,己二采区突出5次,最浅突出标高-224m,最深突出标高-537m,己三采区在锅底山断裂下盘,己三采区突出1次,在锅底山断裂上盘发生8次煤与瓦斯突出,下盘仅发生1次煤与瓦斯突出,十一矿在锅底山断裂上盘,因此,具有潜在煤与瓦斯突出危险性。通过瓦斯压力、瓦斯放散初速度等参数对二1煤煤与瓦斯突出危险性进行预测。

(1)煤与瓦斯突出危险性参数

a.瓦斯压力

二1煤煤层测定瓦斯压力0.8～2.9MPa,测压过程中由于受太原群灰岩含水层的影响,测压钻孔内经常充满压力水,会对瓦斯压力测试有一定影响。二1煤煤与瓦斯压力测定结果见表5。

b.瓦斯放散初速度 (ΔP)

在己二采区东翼工作面17412、17101、17060、17040、17071、22071机巷、-450m石门、17060采面等处取42个煤样,ΔP为2.00～17.41,其中11个煤样的ΔP≥10,主要分布在 17101机巷、17060机巷、17071机巷、17060采面、22071机巷、-450m石门,其他31个煤样的ΔP<10;在己二采区西翼工作面己二皮带下山、22120机巷处取4个煤样ΔP为2.27～4.03。

表5 二1煤煤与瓦斯压力测定表

c.煤的坚固性系数 (f)

己二采东翼42个煤样f值为0.13～0.59,有5个煤样f值大于 0.5,主要分布在 17060机巷、17071风巷、17101机巷、22071机巷,其他37个煤样的≤0.5;西翼4个煤样f值0.65～0.87。

(2)煤与瓦斯突出预测综合指标 (K值)

在己二采区东、西翼的46个煤样中,K值变化区间为4.0～100.0。其中东翼42个煤样K值为4.0～100.0,有10个K≤15,32个K>15;西翼4个煤样K值为4.0～5.0,均小于15。

(3)区域突出危险性预测结果

己二采区二1煤的的破坏类型西翼为 Ⅱ、Ⅲ类,东翼由于受地质构造的影响,二1煤的破坏类型局部可达 Ⅳ、V类,瓦斯压力实测 0.8～2.9MPa,瓦斯放散初速度ΔP为2.00～17.41,f值为0.13～0.59,标高-850m以深甲烷含量大于8m3/t。依据现有采面测试的瓦斯涌出量分析标高-550m以浅绝对瓦斯涌出量为5m3/min,-550～-800m绝对瓦斯涌出量为5～10m3/min,已具有煤与瓦斯突出危险。-800m以深绝对瓦斯涌出量大于10m3/min。根据矿井实际开采情况、构造复杂程度、瓦斯放散初速度ΔP、f值、K值及临近矿井瓦斯突出情况,将标高-550～-800m的区域定为具有煤与瓦斯突出威胁区,特别是己二皮带下山和己二回采下山标高-600～-850m、己22071综采面,标高-500～-750m的区域。

4 结论

十一矿处于李口向斜西南翼,整体为走向NW～SE、倾向NE的单斜构造,区内的锅底山断裂是一个由南西向北东逆冲的逆冲压扭性断裂,受其挤压、剪切活动,使得煤层结构严重破坏,构造煤特别发育,多为Ⅲ～Ⅳ类,最发育的厚度可达1.5m以上。在锅底山断裂上盘五矿二1煤己发生8次煤与瓦斯突出,己一采区突出3次,己二采区突出5次,最浅突出标高-224m,最深突出标高-537m,十一矿也位于锅底山断裂上盘,在己二采区东翼工作面取42个煤样,采用煤与瓦斯突出预测综合指标判断,标高-550～-800m的区域,具有潜在煤与瓦斯突出危险性。

[1] 张子戌.突出危险区域的构造应力集中 [J].焦作工学院学报,1997(3).

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[5] 王生维等.煤层气勘探开发中的煤储层评价.天然气工业 [J],2004,24(5):82-84.

[6] 樊明珠.煤层气资源评价项目中几个重要问题的技术处理.中国煤层气 [J],2006,3(1).

[7] 倪小明,王延斌等。煤层气开采模式探讨 [J],煤矿安全,2007,(3):45-48.

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(责任编辑 赵国泉)

Major Distribution Characteristics of CBM in No.11 Mine and Prediction of Risks of Outburst

Li Yuanjian1,Zhao Xihai2,Yang Min1,Xu Jun1,Liu Suqing1
(1.Henan Provincial Coal Geology Prospection Research Institute,Henan 450052; 2.Pingdingshan No.11 Mine,Henan 467000)

Based on study of the state and regularity of gas occurrence in No.11 mine in the recent years,the authors find out that the main sources of gas and carbon dioxide in the mining zone are the mining panel and the gob.The main reasonsfor increase of gas emission are increase of mining depth and increase of coal output in the same period.The mining level with high emission of mine gas and carbon dioxide is No.2 level,and coal seam with high emission of gas is No.2 group of seams.Therefore,stress of gas control is laid on No.2 level and No.2 seam group.Prediction of risks of coal and gas outburst of the major worked coal seam is made by using parameters,like initial gas dispersive velocity,hardness scale,etc.,which provides reference for taking prevention measures in gas control and safety in production.

Gas;occurrence law;risk of outburst;prediction

李元建,男,高级工程师,现任河南省煤炭地质勘察研究院地质研究所煤质煤层气室主任。