平煤六矿煤层瓦斯地质规律研究与应用＊

张革委 张慧杰 杨 睿

(1.平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南省平顶山市，467091；2.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

1 矿井概况

平煤六矿属平顶山煤田，是中平能化集团大型骨干矿井之一。矿井于1970年投产，2010年生产能力核定为380万t／a，井田内剩余储量服务年限为36年。矿井采用分区与中央并列混合式通风方式，抽出式通风方法。2005年被鉴定为突出矿井。矿井现采用立、斜井多水平混合开拓方式，开采方法均采用走向长壁下行垮落采煤法，采掘工艺为综采和综掘。含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组。煤系地层总厚797m，含煤40～56层，常见43层，煤层总厚约26.84m，含煤系数3.37%。区内发育的大中型断层除刘家正断层分布于井田北东部单独出现外，其它断层均分布于井田西南部锅底山正断层下盘旁侧，并以锅底山断层和山庄断层为主，构成两个断层带。

2 煤层瓦斯赋存规律

2.1 地质构造对瓦斯赋存的控制作用

平煤六矿井田呈单斜构造，沿煤层走向的波状起伏以及由断层旁侧伴生的次级宽缓褶皱发育显著，构造应力分布不均，构造煤发育处瓦斯含量大。向斜为不对称斜歪宽缓褶皱构造，南翼较陡，埋藏较浅，有利于瓦斯释放；北翼较缓，埋藏较深，有利于瓦斯赋存；向斜核部构造应力集中，煤厚增加，形成了有利于瓦斯赋存的地质条件。

平煤六矿断层附近瓦斯赋存状况较复杂，受小断层控制作用显著。受纬向构造带和淮阳山宇型构造的双重控制和影响，区内小断层主要为NW向和NE向，以正断层为主。受NE-SW向区域主应力影响，NE向断裂构造以张扭性为主，不利于瓦斯富集；NW向断裂构造以压扭性为主，构造应力集中，煤层透气性差，有利于瓦斯赋存。

图1 平煤六矿煤层瓦斯压力及瓦斯含量随埋深变化关系

2.2 煤层埋深对瓦斯赋存的影响

煤层埋深对平煤六矿瓦斯赋存规律影响显著，随着煤层埋深和地压的增大，煤层瓦斯的排放越加困难。煤层瓦斯数据显示，在瓦斯风化带以下，瓦斯含量和瓦斯压力都随埋深的增加大致呈线性递增关系，见图1。另外，近几年的瓦斯等级鉴定报告结果显示，不同开采水平的瓦斯涌出量也表现了煤层埋深对瓦斯赋存的控制作用。平煤六矿一水平和二水平煤层瓦斯涌出量变化见表1。

表1 平煤六矿一水平和二水平煤层瓦斯涌出量变化

2.3 围岩及煤层厚度对瓦斯赋存的影响

煤层围岩主要指煤层直接顶、老顶和直接底在内的一定厚度范围的层段。平煤六矿的丁组、戊8、戊9-10煤层围岩多为泥岩和砂质泥岩，少数为砂岩。泥质岩石透气性差、隔气性能好，为瓦斯提供了良好赋存条件。围岩中泥岩厚度不同，各煤层瓦斯压力和瓦斯含量也有较大差异。除围岩外，煤层厚度对瓦斯赋存也有较大影响。平煤六矿现采煤层的煤厚、围岩情况及瓦斯参数见表2。

表2 平煤六矿煤层瓦斯参数随煤厚和围岩中泥岩厚度变化表

2.4 水文地质对瓦斯赋存的影响

地下水与瓦斯共存于含煤岩系及围岩之中，两者的赋存和运移相互影响，地下水的活动有利于瓦斯的逸散。矿区为地层向北缓倾斜的单斜构造，补给区主要位于井田南部地层隐伏露头区，沿地层走向的东部和西部均为弱补给边界，井田深部可视为相对隔水边界。现开采的丁、戊煤层顶底板砂岩孔隙裂隙含水层构成矿井直接和主要充水源，矿井生产实践表明，由于砂岩含水层孔隙裂隙不发育，直接补给条件差，弱富水性，且各含水层之间均有砂质泥岩或泥岩隔水层，地下水活动不显著，形成了有利于瓦斯赋存的地质条件。

3 煤与瓦斯突出地质规律

3.1 煤与瓦斯突出分布

2002-2007年，平煤六矿共发生煤层瓦斯动力现象3次。突出地点全部在丁5-6煤层，突出标高在-570m及以下，突出煤量为4～48t，突出瓦斯量为405～840m3不等，突出类型全部为压出，历次瓦斯动力现象统计结果见表3。

3.2 煤与瓦斯突出的地质影响因素

3.2.1 地质构造

平煤六矿采掘揭露的小断层较发育，断层周围受构造应力场影响煤体结构遭到破坏，构造煤发育，形成应力集中区和高瓦斯赋存区。平煤六矿的突出均发生在丁组煤层的断层附近或应力异常带，呈明显条带分布特征。地质构造对瓦斯赋存和突出都具有控制作用，构造应力集中区一般构造煤发育显著，瓦斯含量大，突出危险性大。

3.2.2 煤层厚度及变化

煤与瓦斯突出常发生在煤层厚度大和煤厚变化大的部位。丁5-6煤层煤厚变异系数为56.43%，最大瓦斯含量为7.93m3／t，对于煤与瓦斯突出作用显著。厚煤有利于瓦斯的生成和赋存，煤厚变化反应了瓦斯变化梯度，造成瓦斯的不均衡分布，有利于突出的发生。以丁5-6-22260工作面为例，2002年和2007年各发生一次突出事故，事故地点的煤层厚度都在3m以上且受褶皱构造影响煤厚变化明显。

表3 平煤六矿煤与瓦斯突出情况统计表

3.2.3 煤体结构

受构造应力作用，煤的原生结构遭受破坏后所表现出的结构称为构造结构，突出煤层均具有构造结构特征。在地质构造应力作用下形成的构造煤与突出的发生有密切联系。煤体结构的破坏是构造应力作用的结果，构造煤的破坏程度反映了构造应力的相对大小。地质构造展布在一定程度上控制着构造煤的分布，构造煤的分布不同程度地影响着瓦斯的分布。平煤六矿的突出均发生在断层附近或动力异常带，煤体在构造应力集中作用下受到挤压破坏而形成构造煤，结构破坏类型为Ⅲ类，坚固性系数为 0.22～0.51， 瓦 斯 放 散 初 速 度 为 8.16～10.9ml／s，最大煤层瓦斯含量为7.93m3／t，突出地点构造煤厚度均在3.5m左右，形成了有利于瓦斯突出的条件。

4 以瓦斯抽放为主的瓦斯综合防治措施

4.1 基于瓦斯地质规律的瓦斯抽放措施

平煤六矿的瓦斯赋存和突出具有一定的规律性。由于受李口向斜构造影响，井田内瓦斯随埋深变化自南向北由低瓦斯区向高瓦斯区过渡；局部上，向斜轴部和NW向压扭性断层附近瓦斯聚集，瓦斯含量和涌出量较大。突出均发生在地质构造带，呈条带分布特征。基于瓦斯地质规律，平煤六矿采用分源立体瓦斯综合抽放技术，以本煤层抽放为主，主要包括顺层钻孔预抽、煤巷条带抽放、强化抽放等方法。

4.1.1 本煤层顺层钻孔预抽

平煤六矿现开采的丁组和戊组煤层围岩有利于瓦斯赋存，对回采存在很大威胁。但丁组和戊组煤层可抽性良好，因此在回采工作面机巷、风巷沿煤层倾向并垂直于煤壁布置一排瓦斯抽放钻孔，保证钻孔孔底交叉不少于10m，孔径89～110mm，消除采面空白带。丁5-6-22220采面瓦斯含量大，采用本煤层顺层钻孔预抽煤层瓦斯效果显著，主管道抽放浓度达到7%左右，抽放量在12000m3／d，采面瓦斯含量从7.32m3／t降至3m3／t以下，为安全回采提供了保障。

4.1.2 煤巷条带抽放

平煤六矿总体瓦斯含量较大，局部分布不均匀，受小断层影响大。在地质异常带，构造煤发育显著，瓦斯涌出量明显增大，突出危险性大。因此，在掘进工作面每间隔40m施工两排钻孔进行煤巷条带抽放，每排8个，沿巷道最大投影长度为60m，垂直于巷道最大投影长度为15m，经效果检验合格后方可继续掘进，保证了煤巷掘进的安全进行。

4.1.3 强化抽放

平煤六矿北部区域丁组、戊组煤层埋藏较深，局部受褶皱、小断层等构造影响，构造煤发育，瓦斯含量大，煤层透气性差，本煤层预抽瓦斯效果不明显，采取煤层深孔聚能爆破、水力压裂、水力割缝等技术增加煤层透气性。煤层深孔聚能爆破增透技术在戊8-22310工作面进行试验。

4.2 基于瓦斯地质规律进行预测预警

对平煤六矿的瓦斯地质规律研究表明，地质构造是控制煤层瓦斯赋存和突出的主导因素。根据已开采区域确切掌握的煤层瓦斯赋存特征、地质构造条件、突出分布的规律和对预测区域煤层地质构造的探测、预测结果，采用瓦斯地质分析的方法划分出突出危险区域。除了基于瓦斯地质规律的瓦斯预测，还需加强动态的瓦斯预警。平煤六矿采用KJ2000N型监测监控系统监测监控井下瓦斯、一氧化碳、风速、温度、负压、风门及瓦斯抽放情况，随时掌握井下瓦斯涌出情况，根据瓦斯预警提前发出预报，采取相应措施以避免事故的发生。

5 结论

(1)平煤六矿煤层瓦斯赋存规律研究表明:地质构造和煤层埋深是控制瓦斯赋存的主要因素；向斜轴部、NW向压扭性断裂构造有利于瓦斯富集；随煤层埋深增加，井田范围内瓦斯含量自南向北呈递增趋势。

(2)平煤六矿煤与瓦斯突出地质规律研究表明:小断层或应力异常带、煤层煤厚大和煤厚变化大、构造煤发育强烈部位易于发生煤与瓦斯突出，应加强地质预测和勘探，并采取相应措施确保安全。

(3)在瓦斯地质规律研究的基础上，提出分源立体瓦斯综合抽放技术，采取顺层钻孔预抽本煤层瓦斯，加强煤巷条带抽放消除掘进期间瓦斯，同时利用先进增透技术进行强化抽放，取得了较好效果；另外，瓦斯预测与动态瓦斯预警相结合对于预防瓦斯事故有重要作用。

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