李軍濤

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京100013）

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低滲高瓦斯煤層群上鄰近層瓦斯防治技術(shù)研究

李軍濤

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京100013）

針對(duì)山西省陽(yáng)泉礦區(qū)15號(hào)煤層開采過程中上鄰近層瓦斯涌出量大的問題，以陽(yáng)煤五礦為例，基于瓦斯地質(zhì)學(xué)原理，分析地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、頂?shù)装鍘r性等因素對(duì)瓦斯賦存的影響，結(jié)合礦井瓦斯涌出特征對(duì)煤層的瓦斯地質(zhì)規(guī)律進(jìn)行研究，采用關(guān)鍵層理論研究覆巖采動(dòng)裂隙演化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化抽采參數(shù)，采用走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯，取得了較好的治理效果，可為鄰近層瓦斯防治提供技術(shù)參考。

低滲透；高瓦斯；鄰近層；瓦斯賦存

我國(guó)埋深在2000m以淺的煤層氣資源量達(dá)3.68×1013m3［1］，瓦斯資源的抽采利用具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全等方面的意義，因而，我國(guó)必須走煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的道路［2-3］，進(jìn)行科學(xué)開采，提高科學(xué)產(chǎn)能［4］。山西省陽(yáng)泉礦區(qū)具有滲透率低、瓦斯含量高、煤層群條件的特點(diǎn)，且部分礦井采用綜放開采而導(dǎo)致瓦斯涌出量大［5］，原始煤層中采用的順層鉆孔或穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯均不能取得很好的效果。針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)特定條件，以陽(yáng)煤五礦為試驗(yàn)地點(diǎn)，通過分析地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、頂?shù)装鍘r性等因素對(duì)瓦斯賦存的影響，研究礦井的瓦斯賦存規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析瓦斯涌出情況，得到陽(yáng)煤五礦的瓦斯地質(zhì)規(guī)律，基于瓦斯地質(zhì)研究成果分析上鄰近層瓦斯防治技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為鄰近層瓦斯防治提供技術(shù)支持。

1　　瓦斯賦存規(guī)律研究

1.1瓦斯地質(zhì)情況

陽(yáng)煤五礦位于沁水煤田東北部，太行山背斜西翼。該井田總體為一單斜構(gòu)造，走向?yàn)镹W～NNW向，傾向SW，傾角平緩，一般為3～15°。受區(qū)域構(gòu)造控制，井田內(nèi)發(fā)育有較平緩的褶皺群和層間小斷層，局部發(fā)育陡傾撓曲，斷裂構(gòu)造較少，陷落柱相當(dāng)發(fā)育。含煤地層主要為石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤15層，煤層總厚度15m左右，主采煤層為15號(hào)煤層，平均煤厚為6.90m，局部可采煤層有3上號(hào)、3下號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、9上號(hào)、9下號(hào)、12號(hào)，平均煤厚均小于1.5m。

陽(yáng)煤五礦井田范圍內(nèi)15層煤中均賦存有瓦斯，15號(hào)煤層開采過程中受上部煤層瓦斯涌出影響，鄰近層瓦斯涌出量大，由于上部K2，K3，K43層灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)育且連通性好，導(dǎo)致15號(hào)煤層瓦斯大部分逸散，殘存瓦斯含量小。煤層分布及瓦斯賦存情況見表1。

表1　陽(yáng)煤五礦煤層瓦斯賦存情況

1.2瓦斯賦存規(guī)律

研究煤層瓦斯賦存規(guī)律能為瓦斯涌出量預(yù)測(cè)和瓦斯綜合防治提供技術(shù)保障［6］。影響煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素包括:地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、煤層厚度、圍巖性質(zhì)、水文地質(zhì)等［7］。對(duì)于陽(yáng)煤五礦而言，沿垂直方向，分析1～13號(hào)煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)可知，埋深越大的煤層，瓦斯含量也越大，受灰?guī)r影響，14，15號(hào)煤層瓦斯含量較低；沿水平方向，以15號(hào)煤層為例，分析煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性等因素對(duì)瓦斯賦存的影響，描述井田范圍內(nèi)的瓦斯賦存規(guī)律。

1.2.1煤層埋深

統(tǒng)計(jì)陽(yáng)煤五礦15號(hào)煤層不同埋深條件下的瓦斯壓力和瓦斯含量數(shù)據(jù)分別如圖1、圖2所示。分析圖1、圖2可知，隨埋深增加，瓦斯壓力呈增大趨勢(shì)，但兩者的線性關(guān)系不明顯。瓦斯含量與埋深的線性關(guān)系明顯，埋深增加100m，瓦斯含量以1.61m3/t的梯度增加。

圖1　陽(yáng)煤五礦15號(hào)煤層不同埋深下瓦斯壓力

圖2　陽(yáng)煤五礦15號(hào)煤層不同埋深下瓦斯含量

1.2.2地質(zhì)構(gòu)造

煤系地層的形成及演化決定了煤層瓦斯的生成和賦存，而煤系地層的形成及演化由地質(zhì)構(gòu)造控制，因而從某個(gè)方面講，地質(zhì)構(gòu)造控制著煤層瓦斯的賦存［8］。對(duì)于瓦斯賦存條件而言，地質(zhì)構(gòu)造可分為封閉性構(gòu)造和開放性構(gòu)造，構(gòu)造形態(tài)、部位、力學(xué)性質(zhì)和封閉情況形成了有利于瓦斯賦存或排放的條件，以壓性或壓扭性為主的構(gòu)造一般為有利于富集瓦斯的封閉性地質(zhì)構(gòu)造，以張性為主的構(gòu)造一般為有利于排放瓦斯的開放性地質(zhì)構(gòu)造。陽(yáng)煤五礦井田總體為一單斜構(gòu)造，發(fā)育有較平緩的褶皺群和層間小斷層，斷層規(guī)模一般較小，陷落柱相當(dāng)發(fā)育。

陷落柱在井田平面上分布不均勻。從數(shù)量上看，北部多，南部少；從規(guī)模上看，北部小，南部大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西北翼采區(qū)已揭露陷落柱142個(gè)，南翼采區(qū)已揭露87個(gè)，北部采區(qū)陷落柱數(shù)量明顯高于南部采區(qū)，井田內(nèi)陷落柱的直徑大小相差懸殊，最大的直徑為385m，最小的短軸僅為2m，其中以40～60m的居多，占總數(shù)的80%左右，直徑大的陷落柱絕大多數(shù)分布于井田南部。隱伏陷落柱對(duì)瓦斯賦存的影響取決于上覆巖層的封閉性和導(dǎo)水情況，若上覆巖層的封閉性好且導(dǎo)水能力差，則陷落柱內(nèi)瓦斯易于富集。陽(yáng)煤五礦陷落柱充填物多為上部巖層碎塊，填充物一般膠結(jié)比較密實(shí)，透氣性差，有利于瓦斯保存，造成了某些陷落柱附近瓦斯含量突然增大的現(xiàn)象。

1.2.3頂?shù)装鍘r性

煤層圍巖主要指煤層直接頂、基本頂和直接底在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。圍巖的隔氣性能在很大程度上決定了煤層瓦斯的富集與逸散，一般地，泥巖隔氣性能較好，有利于瓦斯保存。該礦可采煤層中圍巖多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，隔氣性能好，導(dǎo)致了高瓦斯煤層群條件的形成。陽(yáng)煤五礦部分可采煤層頂?shù)装鍘r性和瓦斯賦存情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　陽(yáng)煤五礦部分可采煤層頂?shù)装鍘r性和瓦斯賦存情況

2　瓦斯涌出規(guī)律研究

分析陽(yáng)煤五礦瓦斯賦存條件可知，從整個(gè)井田范圍看，由于K2，K3，K4灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育且連通性強(qiáng)，導(dǎo)致灰?guī)r下部15號(hào)煤層瓦斯逸散較多，而其他各主采煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r或砂質(zhì)泥巖，導(dǎo)致了在開采15號(hào)煤層過程中上鄰近層瓦斯涌出量大，隨煤層埋深增加，這一現(xiàn)象更加突出，在局部范圍內(nèi)，某些封閉性陷落柱附近瓦斯涌出量突增。

一般而言，掘進(jìn)瓦斯涌出大部分來源于本煤層，回采瓦斯涌出來源于本煤層和鄰近層。陽(yáng)煤五礦掘進(jìn)期間瓦斯涌出量較少，掘進(jìn)最大瓦斯涌出量?jī)H為 1.15m3/min，而回采最大瓦斯涌出量為144.58m3/min，后者是前者的126倍，這一現(xiàn)象驗(yàn)證了陽(yáng)煤五礦瓦斯涌出絕大部分來源于鄰近層，對(duì)陽(yáng)煤五礦而言僅為上鄰近層。

3　上鄰近層瓦斯防治技術(shù)

分析陽(yáng)煤五礦瓦斯賦存規(guī)律和瓦斯涌出規(guī)律可知，15號(hào)煤層瓦斯涌出主要來源于上鄰近層，因而上鄰近層瓦斯防治是陽(yáng)煤五礦瓦斯治理的關(guān)鍵。針對(duì)低滲高瓦斯煤層群條件，陽(yáng)泉礦區(qū)提出了走向高抽巷抽采上鄰近層瓦斯方法，并在陽(yáng)煤五礦進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

隨采掘活動(dòng)進(jìn)行，根據(jù)巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律可將上覆巖層劃分為垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶?？迓鋷r層破碎，裂縫帶巖層中離層裂隙和豎向破斷裂隙發(fā)育，彎曲下沉帶巖層離層裂隙發(fā)育而豎向破斷裂隙不發(fā)育。為保證巷道穩(wěn)定性和抽采效果，需將高抽巷布置于裂縫帶范圍內(nèi)，最佳位置應(yīng)為裂縫帶中下部。基于關(guān)鍵層理論［9］，關(guān)鍵層控制上覆巖層運(yùn)動(dòng)過程，因而，確定了各關(guān)鍵層就可以預(yù)測(cè)覆巖裂縫帶的高度。

陽(yáng)煤五礦將走向高抽巷平行回風(fēng)巷布置在回采工作面上方，高抽巷層位根據(jù)不同條件選擇沿9，9下，11或12號(hào)煤層上部砂巖或石灰?guī)r中掘進(jìn)，與15號(hào)煤層距離約50～70m，高抽巷與回風(fēng)巷在煤層平面上投影的平均距離為55m，并與工作面?zhèn)蝺A斜后高抽巷貫通，高抽巷平面布置見圖3。

圖3　陽(yáng)煤五礦走向高抽巷平面布置示意

陽(yáng)煤五礦8310工作面長(zhǎng)度1100m，開切眼長(zhǎng)200m，走向高抽巷沿9下號(hào)煤層上部砂巖掘進(jìn)，距15號(hào)煤頂板54.10m。采掘活動(dòng)期間8310工作面瓦斯的風(fēng)排量、抽放量和涌出量見圖4。由圖4可知，工作面回采開始后，隨覆巖中關(guān)鍵層的依次破斷，瓦斯涌出量呈階梯狀增加，之后趨于平穩(wěn)，瓦斯涌出量變化與覆巖裂隙演化規(guī)律一致。開始抽放前，風(fēng)排瓦斯量包含3部分，即回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷和高抽巷風(fēng)流中排放的瓦斯；開始抽放后，風(fēng)排瓦斯量包含回風(fēng)巷和內(nèi)錯(cuò)尾巷中排放的瓦斯。抽放瓦斯量穩(wěn)定后，平均瓦斯抽采率為95%，抽采效果顯著，同時(shí)表明鄰近層瓦斯涌出占工作面回采期間瓦斯涌出量的絕大多數(shù)，這與前面所分析的陽(yáng)煤五礦瓦斯賦存和涌出規(guī)律相一致。

圖4　陽(yáng)煤五礦8310工作面初采期瓦斯涌出及抽采情況

4　結(jié) 論

（1）分析陽(yáng)煤五礦瓦斯地質(zhì)條件可知，沿垂直方向，1～13號(hào)煤層瓦斯含量大且隨埋深增加而增大，受頂板灰?guī)r影響，14，15號(hào)煤層瓦斯含量較低；沿傾斜方向，煤層瓦斯含量與埋深線性關(guān)系明顯，部分陷落柱構(gòu)造有利于瓦斯賦存。

（2）從整個(gè)井田范圍看，開采15號(hào)煤層過程中上鄰近層瓦斯涌出量大，并隨煤層埋深增加而增加，在局部范圍內(nèi)，某些封閉性陷落柱附近存在瓦斯涌出量突增現(xiàn)象。

（3）基于陽(yáng)煤五礦瓦斯賦存規(guī)律和瓦斯涌出規(guī)律，采用走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯，抽放瓦斯量穩(wěn)定后，平均瓦斯抽采率高達(dá)95%。

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［責(zé)任編輯：施紅霞］

Gas Prevention Technique of Upward Adjacent Seams in Coal Seams with Low Penetration and High Gas

TD712.622

B

1006-6225（2016）04-0127-03

2016-01-21

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.032

李軍濤（1977-），男，河南社旗人，高級(jí)工程師，博士。

［引用格式］李軍濤.低滲高瓦斯煤層群上鄰近層瓦斯防治技術(shù)研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：127-129.