水与瓦斯伴生灾害源探测分析及其预防

徐 翀,任 波,韩云春,张 寒

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室,安徽淮南 232000;2.淮南矿业(集团)有限责任公司煤矿生态环境保护国家工程实验室,安徽淮南 232000)

水与瓦斯伴生灾害源探测分析及其预防

徐 翀1,2,任 波1,韩云春1,张 寒1

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室,安徽淮南 232000;2.淮南矿业(集团)有限责任公司煤矿生态环境保护国家工程实验室,安徽淮南 232000)

为查明潘二煤矿灰岩放水孔瓦斯喷孔事故原因,综合运用井下物探、钻探、示踪试验及瓦斯气体组分测试4种技术手段,对潘二矿南一A组煤轨道上山下车场Gd1钻场1号疏放水钻孔喷孔瓦斯气源、导气通道、储集空间、喷孔瓦斯成因模式及喷孔机理进行了探测分析,结果表明:喷孔瓦斯来源于灰岩底部煤线,通过灰岩裂隙、溶隙、溶洞导通,在地下水力作用下汇集于早期的灰岩溶洞、溶隙中,形成高压游离瓦斯包,放水钻孔触及溶洞、溶隙空间卸压,导致高压游离瓦斯包喷孔。探索出一种以超前物探、“循环迈步,交叉前探”、动态补探相结合探测水与瓦斯伴生灾害源,防止误揭灰岩储气空间造成事故的新方法。

水与瓦斯;灾害源;灰岩;瓦斯喷孔;探测分析;预防措施

潘二煤矿为煤与瓦斯突出矿井[1],其A组煤层为突出煤层,为保障工作面运输巷道的安全掘进、工作面瓦斯预抽以及水害防治,确保A组煤安全开采,在距离A1煤层底板15 m布置工作面底抽巷,在巷道中施工放水钻孔和顶板预抽A组煤层瓦斯钻孔。2009－06－26晚,在潘二矿南一A组煤轨道上山下车场Gd1钻场施工1号疏放水钻孔时发生严重瓦斯喷孔事故,喷出瓦斯浓度达3.76%,累计喷出瓦斯量(折纯CH4量)超过6 700 m3,严重影响了安全生产。淮南矿区历史上首次出现岩石孔单孔瓦斯喷出量超过6 700 m3的问题,因此,查明喷孔瓦斯气源、导气通道、储集空间,研究潘二矿灰岩放水孔瓦斯喷孔成因及其预防措施,防止误揭灰岩储气空间造成事故,对煤矿安全生产具有重要意义。

1 瓦斯喷孔事故简况

1.1 瓦斯喷孔地段地质概况

潘二煤矿位于淮河北部,地处陶王背斜及其转折端,走向长约12 km,倾斜宽2.5 km,面积35 km2[2]。此次放水孔瓦斯喷孔事故发生于潘集背斜北翼的南一采区A组煤准备巷道(图1),石门标高－523.6 m。南一采区共3组10层煤可采,C组13煤、11煤可采, B组8煤、7煤、6煤、5煤和4煤可采,A组3煤、1煤可采。A组煤煤岩层走向为NWW向,倾角10°～13°,其中1煤层厚3.12～3.43 m,3煤层厚4.85～5.86 m,两煤层间夹矸0.95～1.05 m,实测1煤、3煤混合瓦斯压力1.75 MPa,瓦斯含量10 m3/t,均为突出煤层。1煤底板下约15 m往下发育有120 m厚的石灰岩及砂岩、砂质泥岩,其中灰岩划分13层,总厚50 m,一灰～五灰底部局部含煤线,厚0.1～1.1 m不等,三灰富水性较强。

图1 瓦斯喷孔位置Fig.1 The position of gas-jet

淮南潘谢矿区首次在灰岩承压水上施工南一采区A组煤准备巷道,已施工采区轨道上山及11223工作面底板放水巷(A组煤层底板抽采巷),已掘198 m轨道上山,未见断层,层位正常。据B组煤层(4－1煤～10煤)开采过程中已揭露的地质资料分析,该巷道东侧法距67 m处发育有一条落差5～6 m的F10－3正断层,西侧发育一条落差为6 m的FX1正断层(该断层为底板放水孔实际揭露)。

1.2 瓦斯喷孔发生经过

南一A组煤轨道上山下车场Gd1钻场原设计施工2个放水钻孔,设计钻孔长度分别为1号孔120 m、2号孔122 m。先施工的2号孔终孔长度为122 m,出水量0.12 m3/h,有微量瓦斯涌出。2009－06－26晚在Gd1钻场施工1号疏放水钻孔,施工至35 m处出水,水量约0.9 m3/h,钻进至97.5 m处发生瓦斯喷孔(1号钻孔终孔与2号钻孔终孔最小距离约为18 m),当晚23:12开始喷孔,T2探头超限时间162 min,其中瓦斯浓度大于3.0%,时间41 min,最大值3.76%,至次日9:56,瓦斯恢复至正常掘进期间浓度0.14%,但仍有水与瓦斯间歇喷出。此次瓦斯异常喷孔持续时间为644 min,累计喷出瓦斯量超过6 700 m3。

2 瓦斯喷孔因素探查与分析

2.1 A组煤底板灰岩地质异常综合物探

地下赋存的煤(岩)体或地质构造基于其所具有的物理性质、规模大小及所处的位置,都有相应的物理现象反映,其电性、磁性、弹性等物理性质差异为物探方法提供了良好的地质－地球物理基础[3],采用合适的仪器提取需要的信息便可进行相应的地质解释。本次探查将采用三维电法[4－5]、瞬变电磁法[6－10]、地震波法[11－14]3种方法对轨道上山中心线两边30 m、垂深50 m范围内地质异常情况进行综合探查。

结果显示探查范围内A组煤底板灰岩存在4个电阻异常区、3个地震异常区及1个瞬变异常区(图2),地质异常区主要在分布于巷道底板下15～20 m的二灰和三灰岩层之间,沿轨道上山方位呈串珠状展布。低阻异常区D1与1号钻孔钻探过程中出水位置一致,为岩层富水区;D2,D3与D4均为高阻异常区,D2为钻孔瓦斯喷孔位置,受瓦斯喷出后水动力条件影响,D2阻值低于D3,D4;D3,D4高阻异常区可能聚集一定的气体,为潜在的贮气空腔。地震异常区Z1,Z2及Z3多发育于三灰岩层,表明三灰岩溶裂隙发育,具有小溶洞发育的可能性,为灰岩水及瓦斯气体提供了贮存空间,裂隙之间具有一定的连通性,为灰岩水及瓦斯提供了导气通道。瞬变异常区C1位于D3,Z3交汇处。

2.2 钻探及示踪试验

2.2.1 钻探验证

针对综合地球物理探测的结果,设计了相应的井下钻孔对物探结果进行验证,并设计了相应的钻孔进行示踪试验以验证井下地质空间的联通性。钻孔设计及施工如图2及表1所示。

图2 南一A组煤底板灰岩地质异常探测结果剖面图及钻孔设计示意Fig.2 The geological anomaly detection results of the floor limestone in Group A and sketch map of drilling design

表1 钻孔设计与施工统计Table 1 Statistics of drilling design and construction

1,2号孔为放水孔续探,1号孔为原放水孔从38 m处分岔前探至125 m处,钻孔不返水,验证为溶洞;2号孔为原放水孔自原终孔位置122 m处继续钻进至158 m,无明显异常。3号孔水量为0.3 m3/h,钻至36 m处时测得孔内瓦斯浓度为40%,在C35底板见一煤线(92.4～93.0 m)。4号孔为探测F10－3断层沿一灰底板近水平钻孔,施工过程中未出现瓦斯异常,也未出水。5号孔验证D3高阻异常区,异常区岩石破碎,有气泡流出。6号孔验证D3高阻异常区,施工过程中出水,出水量为0.1 m3/h,出水时孔内伴有瓦斯,现场实测0.7%以上。7号孔验证4号高阻异常区,施工过程中有气泡涌出。验证结果与物探结果基本一致,证实A组煤底板灰岩裂隙发育,局部小溶洞发育,且A组煤底板灰岩下局部有煤线发育。

2.2.2 示踪试验

为查明钻孔导气通道,选择SF6作为示踪气体进行示踪试验。SF6具有无毒无味、稳定性高、物理活性大、检出灵敏度高的优点[15]。一般认为释放源量大于20 mL气源,在漏风汇收集到的SF6浓度中最大值＜l×10－9时,可认为释放源与漏风汇之间几乎不连通;最大值在l×10－9～15×10－9时,可认为释放源与漏风汇之间具有连通;最大值＞15×10－9时,可认为释放源与漏风汇之间具有较好的连通性[16]。

为了考察A1煤层与1号钻孔导通性及A组煤底板岩溶联通性,设计了3个实验。

实验1:9号孔施工完毕后立即注入SF6气体,并在1号孔进行5 h连续取样化验。

实验2:4号孔施工完毕后立即注入SF6气体,并在1号孔进行9 h连续取样化验。

实验3:3号孔施工完毕后立即注入SF6气体,并在1号孔进行6 h连续取样化验。

实验测试结果如图3所示。

实验1测试段A1煤瓦斯含量约10 m3/t,9号示踪孔向外涌出瓦斯较大,对SF6气体扩散起到阻碍作用,但测试过程中气样SF6浓度“几乎没有—急剧增大—逐渐减小”的变化趋势明显,涌出瓦斯并未从根本上影响测试结果。整个过程气样中SF6的浓度均小于1×10－9,亦可说明A1煤层与l号放水孔及9号孔所穿过区域导通性较差,几乎不连通,无断层带通向1号放水孔。

图3 SF6浓度随时间的变化Fig.3 SF6 concentration varying with time

实验2气样中SF6的最大浓度大于15×10－9,浓度“小—大—小”变化趋势明显,SF6浓度上升到峰值后浓度衰减快,表明A1煤煤层底板的灰岩间连通性较好,且SF6气体扩散路径较短,灰岩之间就近连通,灰岩间联络通道为气体主要扩散通道。

实验3中3号孔施工完成后有一定出水现象,出水量0.3 m3/h,因水压较大,封孔注入的SF6气体被水顶出,共向3号孔注了3次SF6气体。3号孔向外涌水,对SF6气体向扩散阻碍较大,取样测试结果显示,最大浓度大于1×10－9,亦可说明1号孔与3号孔之间有较好的导通性,3号孔取芯过程呈现的破碎情况,在一定程度上也证明了A1煤底板灰岩间具有较好的连通性。1号孔瓦斯喷孔后期仍间断向外喷出瓦斯,这些瓦斯只能是煤层解吸或周围的灰岩储气空间中的瓦斯通过这些导气通过而来。

2.3 瓦斯气源判别

在成煤作用过程中,成煤物质发生了复杂的物理化学变化,挥发分和水含量减少,发热量和固定碳含量增加,同时生成以甲烷为主的瓦斯气体[17],而灰岩的形成过程中一般不生成瓦斯气体,因此,A1煤层及一灰～五灰的局部煤线均可能构成瓦斯源。为准确查明瓦斯气体来源,采集放水孔瓦斯及A1煤层瓦斯共7个样品,采用HP－6890气相色谱串联Finnigan MAT Delta+_XL质谱仪相结合对样品进行了测试分析,测试结果见表2。由表2可见,样品成分差异明显,1,2,5,6号样品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号样品CH4含量＞70%,O2含量均小于2.3%,CO2含量小于5.3%;样品的同位素比值亦表现出相似的规律性,1,2,5,6号样品在－25‰～－30‰,3,4号样品在－45‰～－50‰,7号样品稍大,比值超过－60‰。

表2 样品测试分析结果Table 2 The test and analysis results of samples

综合分析可知,1,2,5,6号瓦斯样品为同一个来源或相似来源,其存在环境相近;3,4,7号瓦斯样品(A1煤层瓦斯)来源为同一组(图4)。喷出瓦斯与灰岩瓦斯的主要成分及δ(13C)/δ(12C)相对比值的一致性,及其与A1煤瓦斯含量及δ(13C)/δ(12C)相对比值的差异性,说明造成灰岩放水孔瓦斯喷孔的瓦斯气源来自灰岩煤系地层,系～灰岩底部局部赋存0.1～0.4 m厚煤层产生,而非A1煤层产生。

图4 样品分析直方图Fig.4 The histogram of sample analysis

3 喷孔瓦斯成因模式及喷孔机理

4 预防措施

(1)超前探测。在巷道掘进过程中采用钻孔和巷道综合物探技术进行连续跟踪超前探测与预报。利用掘进工作面施工的超前钻孔进行孔中电法探测,判定巷道前方地质层位位置;利用孔中视电阻率剖面圈定超前钻孔周围的高电阻率值和低电阻率值异常区域,对前方掘进地质条件进行预测;利用巷道电磁法对巷道前方及后方底板下岩层高阻和低阻异常进行判定,对掘进前方的溶洞、溶隙发育和富水性进行分析预报。

(2)循环迈步,交叉前探。仔细分析底抽巷掘进前方的勘探资料,并结合最新的超前物探资料,采用“循环迈步,交叉前探”的层位及构造探控方法,进一步查明掘进前方的地质构造情况,重点对地质构造及物探解释的溶洞、溶隙及低阻异常区进行探控,以便提前采取措施,保障安全生产。

(3)动态补探对。地质异常地段采取停头、施工瓦斯地质前探孔等补探措施。

采用上述安全技术措施,1 800 m长的11223底抽巷顺利贯通,未发生瓦斯超限现象。

5 结 论

(2)灰岩底部局部裂隙发育,裂隙、溶隙、溶洞形成良好的导气通道,并为灰岩瓦斯提供了聚集场所。

(3)灰岩放水孔触及高压游离瓦斯包,巨大的压差效应导致瓦斯喷孔,围岩裂隙空间水、瓦斯通过导通裂隙形成少量补给是瓦斯喷孔后期水与瓦斯间歇式喷出的原因。

(4)在巷道掘进过程中采用钻孔探测和巷道综合物探技术对巷道前方进行超前探测与“循环迈步,交叉前探”的层位及构造探控方法对物探解释的溶洞、溶隙及低阻异常区进行验证与探控,对瓦斯富集区实施抽采等措施,能有效预防岩层瓦斯喷孔,防止因误揭灰岩储气空间造成事故。

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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,韩云春,等.水与瓦斯伴生灾害源探测分析及其预防[J].煤炭学报,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 责任编辑:毕永华

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012CB724206);国家科技支撑计划资助项目(2012BAF14B05)

徐 翀(1961—),男,安徽安庆人,高级工程师。Tel:0554－7627932,E－mail:2240225020@qq.com