灰岩裂隙发育区瓦斯异常涌出原因及防治技术研究＊

袁军伟

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454010；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南省焦作市，454010；3.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

近年来，一些瓦斯矿井 (原来称低瓦斯矿井)瓦斯涌出量小但瓦斯事故频发。究其原因，一方面是瓦斯矿井的矿工及其管理者对瓦斯的危害认识不足，从主观上放松了对瓦斯的治理力度，另一方面，随着采掘活动向深部延伸，煤层瓦斯保存条件趋于完好，煤层瓦斯含量及压力随之增大，且由于地质构造等因素造成局部瓦斯富集的客观情况，都会造成局部瓦斯异常涌出。这些瓦斯异常涌出区域的存在，给矿井安全生产埋下了非常大的隐患。在瓦斯异常涌出预测方面，学者曾提出不同的预测模型。对瓦斯异常涌出的治理主要采用加大风流、瓦斯抽采等方法，但由于各矿煤层赋存、采掘技术等条件的差异，对特定矿井而言，并不一定都适用，需要根据具体情况提出合适的综合治理措施。

1 影响煤层瓦斯涌出因素分析

瓦斯是煤体伴生的气态地质体，具有流动性，瓦斯在煤层及围岩中赋存并不均匀，在高瓦斯矿井中存在低瓦斯区域，在低瓦斯矿井中存在高瓦斯区域。现有研究表明，煤层瓦斯异常涌出，主要是由局部区域受地质构造及采掘技术因素等造成。

(1)地质因素。含煤地层为煤层瓦斯的生、储、盖提供了条件，瓦斯的赋存离不开地层的影响，地质条件的差异控制了局部瓦斯赋存的不均衡性。造成煤层瓦斯赋存局部发生变化的地质因素主要有煤层产状及埋深、顶底板岩性及其组合、地质构造及其性质、火成岩侵入情况、水文地质等基本条件。

(2)采掘技术因素。采掘技术造成瓦斯异常涌出的因素主要包括通风方式、大气压变化、采掘布置、采掘速度、工艺工序等。一般情况下，生产方面引起的瓦斯涌出变化不大，通风方面的因素在瓦斯涌出中有重要作用，尤其是在局部调风、排瓦斯等情况下，容易引起瓦斯积聚。

2 实例分析

2.1 矿井基本情况

山西义棠煤业有限责任公司 (简称义棠煤业)位于晋中盆地西南介休市西南义棠镇刘屯沟，设计生产能力1.80Mt／a，采用斜井—立井开拓，两翼对角式通风方式，机械抽出式通风方法，历年瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井。

矿井主要开采1＃、2＃、9＃、10＃煤层。9＃煤层位于太原组下部，与10＃煤层相距平均0.84m，煤层厚度平均1.27m，全区稳定可采，煤质为瘦煤，煤层顶板为K2石灰岩，底板为泥岩；10＃煤层位于太原组底部，煤层厚度平均4.32m，全区稳定可采，煤质为瘦煤。煤层顶板和底板均为泥岩或炭质泥岩。

义棠煤业自建矿以来，矿井及采掘工作面瓦斯涌出量一直较小，但最近数月，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，给矿井安全生产带来极大的隐患，也影响了矿井产能的发挥。以100402回采工作面为例 (工作面配风量1000m3／min)，在工作面前600m范围内进行回采时，瓦斯涌出量非常小，最大仅为1.2 m3／min，工作面推进600m后瓦斯涌出量急剧增大，最大瓦斯涌出量达到4.36m3／min，并频繁出现上隅角瓦斯超限现象。

与100402工作面相邻的100403回采工作面轨道大巷掘进到1755m后瓦斯涌出量突然增加，频繁造成瓦斯超限。瓦斯员检测瓦斯浓度时，发现顶板裂隙非常发育，裂隙中瓦斯浓度达到10%以上，有时造成回风流瓦斯浓度达2%以上。

2.2 煤层瓦斯含量测定

为研究9＃、10＃煤层瓦斯赋存和瓦斯涌出规律，笔者按照 《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(AQ1066-2008)要求，对煤层瓦斯含量进行了现场及实验室测定，测定结果见表1。

表1 9＃、10＃煤层瓦斯含量测定结果

对表1中数据分析可知，9＃、10＃煤层瓦斯含量非常小，且具有随埋深增加而增大的趋势，但二者相关性较低 (相关系数r为55%)。

2.3 瓦斯异常涌出原因研究

9＃、10＃煤层本身瓦斯含量并不高，尚处于瓦斯风化带内。根据实测瓦斯含量及实际产量可知，义棠煤业无论是回采面还是掘进面，其瓦斯涌出量均较小，在正常通风的情况下，一般不会造成瓦斯超限。但100402等工作面频繁的瓦斯超限现象，说明这些异常涌出的瓦斯不仅来源于煤层本身，应该存在另外的瓦斯源。由于义棠煤业生产工艺工序、通风方式等采掘技术因素没有发生变化，下面根据义棠煤业煤层瓦斯生、储、盖条件，对义棠煤业9＃、10＃煤层局部区域瓦斯异常涌出原因进行分析。

2.3.1 瓦斯生成条件对瓦斯异常涌出的影响

生指的是煤层变质过程中的瓦斯生成能力。煤层作为瓦斯的产气源岩，其瓦斯生成量与煤的变质程度密切相关；变质程度越高，生成瓦斯的量就越大。就义棠煤业9＃、10＃煤层而言，其煤质为瘦煤，按光茨洛夫的研究结果，每吨瘦煤的形成过程中能产生约287m3的甲烷，因此，9＃、10＃煤层具有良好的原始瓦斯生产能力。

2.3.2 瓦斯存储条件对瓦斯异常涌出的影响

储指的是煤层储存瓦斯能力。煤层不但是瓦斯的生气层，而且是瓦斯的储集层。一般情况下，岩石对瓦斯的吸附能力非常弱，甚至不吸附瓦斯，但在岩层裂隙非常发育、具有一定厚度的情况下，这些岩层也会储存大量瓦斯，成为瓦斯的储集层。当采掘活动扰动这些岩层时，储存在岩层中的瓦斯就会大量涌向采掘空间，造成瓦斯异常涌出。这种现象在阳泉、汾孝、柳林等矿区部分矿井出现过。在这种情况下，应将这些岩层视为瓦斯涌出源之一。

笔者对100402回采工作面等地点的9＃煤层顶板K2灰岩进行了现场考察。考察发现在该工作面前600m区域，K2灰岩赋存稳定，裂隙不发育；在工作面推过600m以后的区域，K2灰岩裂隙非常发育，裂隙宽度从几毫米到10cm以上不等，且裂隙相互连通。在这些裂隙发育区域，有大量高浓度瓦斯从裂隙中涌出。另外，在9＃煤层至7上＃煤层顶板之间，还有K3、K4两层灰岩的沉积环境和时期与K2灰岩相同。因此，可以推断，这三层灰岩在局部地区均存在裂隙发育区域，K2、K3、K4灰岩充当了瓦斯储集层的角色。

2.3.3 瓦斯盖层条件对瓦斯异常涌出的影响

盖指的是煤系地层及上覆古地层圈闭与阻止瓦斯逸散的盖层条件。它与地层的厚度、岩性及地质构造发育程度有关。

义棠煤业9＃、10＃煤层所处地层为一套海陆交互相沉积，根据岩性相变特征，该组地层可分为3段:上段岩性由灰—灰黑色泥岩、砂质泥岩和灰色中细粒砂岩组成；中段岩性由深灰—灰黑色泥岩、砂质泥岩、石灰岩，灰色中细粒砂岩和3层海相石灰岩及2～5层煤层组成，本段所含3层石灰岩由下而上依次为K2、K3、K4，其层位稳定，厚度大，裂隙发育；下段岩性主要由深灰—灰黑色泥岩、浅灰色铝质泥岩和3～4层煤层组成，为太原组主要含煤段，所含9＃、10＃、11＃煤层为井田主要可采煤层，本组底界K1砂岩为一层浅灰色细粒石英砂岩，该砂岩在井田范围发育不稳定，常相变为灰色泥岩、砂质泥岩。

相关研究表明，当煤层顶板岩性为致密完整的岩石 (如泥岩、页岩、油页岩)时，煤层中的瓦斯容易被保存下来；顶板为多孔隙或脆性裂隙发育的岩石 (如砾岩、粗粒砂岩等)时，煤层瓦斯容易逸散。从9＃、10＃煤层盖层岩性组合可以看出，9＃、10＃煤层的盖层除K2、K3、K4灰岩外，绝大部分盖层为致密、透气性差的岩层。这些致密岩层的存在，为煤层及K2、K3、K4灰岩裂隙瓦斯的保存创造了条件。

2.3.4 局部瓦斯异常涌出原因

综上所述，可知义棠煤业下组煤煤层瓦斯具有良好的生、储、盖条件，煤层瓦斯含量应该比较高，但瓦斯含量实测结果 (见表1)及实际生产表明，煤层瓦斯含量非常低，采掘工作面及矿井瓦斯涌出量比较小，但在9＃、10＃煤层顶板灰岩裂隙发育区域，局部瓦斯异常涌出。根据矿井地质资料及现场观测，认为义棠煤业局部瓦斯异常涌出的主要原因为:

(1)成煤过程中生成的大量瓦斯，在漫长的地质史过程中，绝大部分瓦斯已经逸散在古大气中，这也是为什么实际测定的煤层瓦斯含量远小于理论产气量的主要原因。煤层瓦斯在向古大气逸散的过程中，遇到煤层上覆的K2、K3、K4灰岩，这些岩层节理发育，富含燧石结核及条带，富含海相动物化石，这就使得K2等灰岩拥有丰富的体腔空隙，另外，这些灰岩局部存在大量裂隙且相互沟通，处于游离状态的瓦斯易储存在这些裂隙、体腔空隙和局部发育的岩溶内。由于上覆于9＃煤层之上的K2、K3、K4灰岩充当了瓦斯的储集层，当9＃煤层采场周围的岩体连续受到采动影响而充分卸压时，围岩中所含的瓦斯就会沿着裂隙涌入采掘空间，造成局部瓦斯异常涌出。

(2)在9＃煤层与灰岩之间，存在一层泥岩或炭质泥岩，这些泥岩和炭质泥岩具有结构致密、透气性差的特点。在煤岩体沉积过程中，结构致密、透气性差的泥岩和炭质泥岩隔断了煤层与上覆砂岩之间的联系。煤层透气性要远大于泥岩的透气性，因此，煤层瓦斯较灰岩瓦斯更易放散。由于泥岩的隔断作用，在煤层瓦斯受地质运动等因素影响而逐渐减小时，灰岩瓦斯得以更好的保存，这也是局部瓦斯异常涌出的重要原因之一。

综上所述，可以认为异常涌出的瓦斯主要来自煤层上覆的K2、K3、K4灰岩裂隙。以100402回采工作面为例，在顶板赋存比较稳定的区域，其绝对瓦斯涌出量为0.31～1.00m3／min，平均为0.70 m3／min，而在煤层顶板K2裂隙发育区域，最大瓦斯涌出量高达4.36m3／min，由此可以认为，这些异常涌出的瓦斯来源于煤层顶板灰岩。

3 瓦斯异常涌出防治措施

根据上面分析可知，义棠煤业瓦斯异常涌出的瓦斯源主要在9＃煤层顶板灰岩裂隙中。为防止瓦斯事故的发生，必须根据实际情况采取切实可行的瓦斯综合防治措施，控制煤层瓦斯涌出，确保矿井安全、高效的生产。

(1)坚持 “瓦斯防治，地质先行”的方针，在采掘工作面前方施工前探钻孔，一方面探测前方煤层赋存情况，另一方面通过钻孔施工过程中的瓦斯涌出情况，预测前方煤体顶板裂隙发育及瓦斯赋存情况，以便采取有针对性的瓦斯防治措施。

(2)在瓦斯赋存异常的区域，通过向煤层及煤层与顶板结合部位施工排放钻孔，排放煤层及顶板灰岩裂隙中的瓦斯，降低采掘过程中瓦斯涌出量。在瓦斯涌出异常大的区域，可以安设移动抽放泵，将高浓度瓦斯抽出并排放到总回风巷或地面，防止发生瓦斯超限。

(3)采用均压通风，尽量保持通风系统稳定，减少漏风，抑制采空区瓦斯涌出，降低上隅角瓦斯超限几率，确保安全生产。

(4)适度增加瓦斯异常涌出区域采掘工作面的风量，稀释风流中瓦斯浓度。

(5)加强矿井机电设备管理，杜绝失爆现象发生；提高矿井检测监控水平，掌握矿井及采掘工作面瓦斯涌出量实时变化情况，以便采取有针对性的瓦斯防治措施。

[1]秦汝祥，张国枢等.瓦斯涌出异常预报与瓦斯突出[J].煤炭学报，2006 (10)

[2]吴财芳，曾勇，张子戌.低瓦斯矿井煤层瓦斯异常涌出的研究[J].中国煤田地质，2003(4)

[3]何启林，王德明.孔庄煤矿瓦斯异常原因及其防治措施[J].辽宁工程技术大学学报，2003(8)

[4]汤友谊，程昭斌，彭立世等.东滩煤矿瓦斯异常涌出的研究[J].矿业安全与环保，2001(5)

[5]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论[M].北京:煤炭工业出版社，1991

[6]郭凡进.保德煤矿采空区瓦斯涌出异常原因分析及防治措施[J].煤炭工程，2006 (6)

[7]安鸿涛，孙四清等.瓦斯异常带预测及其在煤矿安全生产中的应用[J].煤矿安全，2009(3)

[8]贾进亚.地质因素对井田瓦斯涌出影响浅析[J].煤炭科技，2010(1)

[9]孔建伟.坚硬顶板矿压显现与瓦斯涌出关系研究[J].中国煤炭.2009 (9)