屯兰矿2#煤层瓦斯地质特性及区域性防治措施研究

陈素彬

(山西焦煤西山煤电集团公司安全生产监督管理局，山西省太原市，030053)



屯兰矿2#煤层瓦斯地质特性及区域性防治措施研究

陈素彬

(山西焦煤西山煤电集团公司安全生产监督管理局，山西省太原市，030053)

针对屯兰煤矿2#煤层瓦斯涌出量和瓦斯压力大的问题，对2#煤层瓦斯地质进行了分析研究，埋深和地质构造是影响瓦斯赋存的两个主要因素。从2#煤层瓦斯地质宏观角度分析造成煤与瓦斯突出的主要原因是由地质构造引起的，利用屯兰煤矿自身地质情况，制定了煤层穿层瓦斯区域抽采技术的防治措施，使得瓦斯抽采率升高，瓦斯浓度降低，有效确保矿井安全高效生产。

煤与瓦斯突出 地质构造 瓦斯涌出量 瓦斯压力 穿层钻孔 顺层长钻孔 屯兰煤矿

1 矿井概况

屯兰煤矿为山西焦煤集团西山煤电(集团)有限责任公司下属矿井。井田形状呈现不规则五边形，东西方向宽为9.9 km，南北方向长为10.6 km，井田总面积为73.3 km2，工业储量10.27亿t，可采储量6.27亿t。井田范围内共有4层可采煤层，分别为2#、4#、8#和9#煤层，煤层平均总厚度为7.70 m。目前，主采2#煤层和8#煤层已被鉴定为瓦斯突出煤层。其中2#煤层瓦斯涌出量大，2012年矿井瓦斯等级鉴定瓦斯绝对涌出量223 m3/min，瓦斯相对涌出量39.71 m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。4#煤层位于2#煤层下方，与2#煤层的平均层间距为9.09 m，属于无瓦斯突出危险煤层。

屯兰煤矿煤层瓦斯灾害威胁十分严重，自然条件差，煤层赋存和地质构造复杂，在矿井瓦斯治理方面存在多种难题。随着矿井不断向深部发展，瓦斯涌出量也随之不断增大，在南五盘区域有多次发生煤与瓦斯涌出现象的记录。本文以屯兰煤矿2#煤层为具体研究对象，分析研究屯兰煤矿瓦斯地质特性和瓦斯突出的原因，并提出相应的区域防治措施。

2 煤层瓦斯赋存影响因素

2.1 埋深对瓦斯赋存的影响

煤层埋深对于瓦斯赋存状态具有重要的影响，一般埋深较浅或者在地表悬露的煤层，其内部赋存的瓦斯容易逸散。随着埋深的增加，受到的地应力逐渐增大，煤体的渗透性降低，瓦斯运移更加困难，所以煤体中更容易集聚大量的瓦斯。煤层瓦斯压力是煤层孔隙内的游离瓦斯气体的压力，即气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，是衡量煤层瓦斯赋存量以及瓦斯动力的基本指标。国内外许多现场测定的研究表明，煤层的瓦斯压力随埋深的增大而增加，呈现线性关系，压力梯度随着瓦斯赋存地质条件的不同而差别很大，但通常在同一地质单元内，同一煤层在相同埋深处瓦斯压力大致相同。屯兰煤矿2#煤层在实际生产中测得多标高下的瓦斯压力和瓦斯含量具体结果，如表1所示。

表1 2#煤层瓦斯压力及瓦斯含量实测统计表

根据测得的实际瓦斯压力和瓦斯含量，利用王亮等人提出的安全线法来预测2#煤层瓦斯压力及含量随埋深的线性规律，并由得到的瓦斯压力变化规律，结合煤样工业分析参数获得了瓦斯含量随着埋深的变化关系。2#煤层瓦斯压力与瓦斯含量随埋深变化关系如图1所示。

由图1曲线得到的拟合公式对2#煤层瓦斯压力P与埋深H的关系进行预测。得到P=0.0043H-0.226，即在埋深225 m处，推算瓦斯压力为0.74 MPa，预测的瓦斯含量为5.40 m3/t；在埋深365 m处，推算的瓦斯压力为1.34 MPa，预测的瓦斯含量为8.00 m3/t。

2.2 地质构造对瓦斯赋存的影响

煤层的地质构造对煤层瓦斯赋存的影响巨大，构造的复杂性直接导致煤层瓦斯赋存情况的多样性。受构造区域影响的煤层常常出现瓦斯赋存的异常现象。屯兰煤矿2#煤层范围内主要受到的地质构造表现有褶皱、断层和多结构组合的控制作用。

图1 2#煤层瓦斯压力与瓦斯含量随埋深变化关系示意图

(1)褶皱的控制作用。在2#煤层向斜的褶皱区域主要受到挤压作用，内部裂隙闭合堵塞造成透气性下降，容易形成瓦斯聚集区。在背斜褶皱区域，张性裂隙的发育有利于瓦斯的逸散，但如果在裂隙处覆盖一层密封性较好的岩体，就提供了更加良好的瓦斯聚集条件。

(2)断层的控制作用。屯兰矿井田范围内有较多断层结构，多数为北东正断层结构。几处较大断层平行分布，对煤层破坏有很大的影响。断层处煤体厚度起伏变化较大，煤质构造煤发育。从流体力学特性可知，瓦斯在断层内流动性强，加之井田内断层之间封堵性好，瓦斯运移到断层面附近更容易积聚。井田内发育的大量小断层，具有延伸短、切割地层少、断层规模小的特点，不仅没有造成瓦斯的逸散，反而有利于瓦斯的运移和积聚，在断层的尖灭处瓦斯含量往往突然增大，形成瓦斯富积区域。

(3)断层组合方式的控制作用。断层的组合对煤层瓦斯的控制有重要作用，组合方式不同，赋存情况也不同。屯兰煤矿主要的组合断层结构为梯状组合、地垒、地堑3种组合结构。这类断层组成的结构能起到良好的瓦斯圈闭作用，煤层瓦斯含量也有较强的积聚趋势。

3 煤与瓦斯突出地质成因分析及防治措施

3.1 煤与瓦斯突出情况

截止目前，屯兰煤矿2#煤层在开采和掘进过程中共发生过5次比较大规模的瓦斯异常涌出动力现象，具体发生地点及时间如表2所示。

表2 2#煤层突出动力现象情况

由表2可知，5次瓦斯突出发生的位置大致相同，也表现出相似的特征：

(1)工作面巷道瓦斯涌出量大。这5次瓦斯突出都有大量的瓦斯涌出，直接导致工作面和巷道内的瓦斯浓度急剧升高，涌出量达10.43～39.52 m3/min，瓦斯最高浓度达到7.92%。

(2)煤壁出现孔洞。瓦斯的瞬间涌出，造成工作面煤体的破坏，煤壁出现很多大小不一的孔洞。

(3)抱钻喷孔现象。在巷道掘进过程中，施工中有瓦斯抽放工序，在钻孔期间，多次出现碎煤从孔中喷射现象。从瓦斯动力角度分析，屯兰煤矿2#煤层具有明显的突出特征。

3.2 煤与瓦斯突出的原因

煤与瓦斯突出现象主要是由于地质构造等外部环境作用和煤体自身物理力学特性共同作用引起的。由上文分析可知，屯兰煤矿附近煤层含有多处断层，而且断层封堵性好，瓦斯运移至断层面受阻，造成断层附近局部瓦斯积聚，地质构造是控制和引起屯兰煤矿2#煤层煤与瓦斯突出的主要原因。

3.3 瓦斯突出区域防治措施

基于屯兰煤矿煤与瓦斯突出现象的主要影响因素是地质构造，利用其自身特殊的地质构造，提出了区域防治措施，即煤层穿层瓦斯区域抽采技术。因为2#煤层为矿井的主要开采煤层，也是煤与瓦斯突出煤层， 4#煤层无瓦斯突出危险，与2#煤层的平均层间距仅为9.09 m，基于此情况，将2#煤层和4#煤层作为一个整体进行综合治理。采用穿层钻孔结合顺层长钻孔区域综合治理方法，穿层钻孔布置在4#煤层的回采巷道内。具体施工步骤为：

(1)4#煤层两平巷掘进时，采用顺层长钻孔掩护煤巷条带作为区域防突措施，顺层长钻孔控制的范围为巷帮两侧不小于15 m，走向控制长度不小60 m，顺层钻孔掩护煤巷掘进钻孔布置如图2所示，效果检验达标后，在4#煤层掘进风巷和机巷形成系统。

图2 顺层钻孔掩护煤巷掘进钻孔布置图

图3 穿层钻孔掩护2#煤层煤巷条带

(2)4#煤层两平巷形成后，在运输平巷和回风平巷内每隔20～30 m，垂直于运输平巷和回风平巷布置长度为3 m的钻场，钻场断面面积为7.8 m2(2.6 m×3 m)。在钻场内向2#煤层施工穿层抽采钻孔，抽采钻孔直径94～100 mm，钻孔间距设计为5 m，钻孔间距以煤层中厚面为准，钻孔终孔进入煤层顶板0.5 m。穿层钻孔掩护2#煤层煤巷条带布置如图3所示。运输平巷和回风平巷、开切眼设计7排钻孔掩护，保护范围为煤巷两帮不小于15 m，满足相关技术要求，可以确保巷道的安全进行，图3(a)中虚线框内为钻孔卸压保护范围。

(3)2#煤层运输平巷和回风平巷掘进过程中，在4#煤层的运输平巷和回风平巷内分别向4#煤层工作面施工顺层钻孔，钻孔间距为10 m。要求两平巷内的顺层钻孔能控制整个回采区域，并保证有10 m的压茬。

(4)2#煤层运输平巷和回风平巷形成后，在两巷内，分别向2#煤层工作面施工顺层钻孔，钻孔间距为2～3 m，抽采2#煤层回采区域内的瓦斯。要求两平巷内的顺层钻孔能控制整个回采区域，并保证有10 m的压茬。

(5)2#煤层区域预抽达标后，开始回采。在2#煤层开采过程中，通过4#煤层的顺层钻孔抽采和拦截4#煤层的卸压瓦斯，在降低4#煤层瓦斯含量的同时，减少卸压瓦斯向2#煤层回采空间的涌入。4#煤层抽采达标后，进行回采。

穿层钻孔结合顺层长钻孔区域综合治理方法的施工顺序及参数如表3所示。

表3 穿层钻孔结合顺层长钻孔区域综合治理方法的施工顺序及参数

3.4 抽采效果分析及讨论

为测得采用穿层区域瓦斯抽采技术后瓦斯治理效果的情况，对2#煤层回采工作面就回采阶段的风排瓦斯量、瓦斯抽放量和工作面瓦斯总涌出量进行总结，抽采效果如图4所示。

图4 工作面抽采效果图

由图4可以看出，2#煤层回采期间工作面绝对瓦斯涌出量为4～12.5 m3/min，略低于开采前瓦斯涌出量预测。风排瓦斯量平均约为6 m3/min，与抽采量总和相当，约占瓦斯涌出总量的50%左右。回风流瓦斯浓度可控制在0.6%以下，基本稳定于0.35%左右，达到了工作面瓦斯零超限要求。区域瓦斯抽采技术取得了明显的效果，但在部分技术细节上还有待优化，如钻孔的时空配合上，抽采的参数设计上还有总结进步的空间。该研究对其他盘区工作面以及煤层的瓦斯治理工程的设计准备提供了很好的技术经验和设计参考。

4 结论

(1)对屯兰煤矿2#煤层瓦斯地质进行分析研究，埋深和地质构造是影响瓦斯赋存的两个主要因素。煤层埋深越大，煤体的渗透性下降，瓦斯更容易赋存，在含有地质断层和褶皱的区域更有利于瓦斯积聚。

(2)屯兰煤矿2#煤层煤与瓦斯突出的主要原因是地质构造。利用自身地质情况，制定相应的区域瓦斯防治措施，即煤层穿层瓦斯区域抽采技术。

(3)对2#煤层采用穿层区域瓦斯抽采技术，瓦斯抽采率升高，瓦斯浓度降低，确保了矿井安全高效生产。

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(责任编辑 张艳华)

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

陈素彬.屯兰矿2#煤层瓦斯地质特性及区域性防治措施研究[J].中国煤炭，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

陈素彬(1967-)，男，河北赵县人，高级工程师，主要从事安全技术管理工作。