大宁煤矿瓦斯地质规律及防治措施研究＊

邸学勤 梁跃强 李超群 董露钢

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.华润煤业 （集团）有限公司，山西省太原市，030021）

1 矿井概况

2 影响煤层瓦斯赋存的地质因素

2.1 地质构造

（1）褶皱。大宁井田东部以褶皱为主，主要褶皱包括NE向的刘家腰向斜、老王庄背斜等。刘家腰向斜位于井田中部偏东，两翼倾角5～7°，局部达14°，为压扭性应力作用下形成，在刘家腰向斜轴部中和面以上表现为明显的应力集中，为高压区，利于瓦斯封存和聚集；老王庄背斜轴部中和面以下表现为明显的应力集中，为高压区，利于瓦斯封存和聚集，在接近老王庄背斜轴部，瓦斯涌出量高达121m3／min。可见，大宁煤矿井田范围内向斜轴部和背斜轴部都是高瓦斯富集区。

（2）断层。大宁井田西部断裂发育，主要断层包括NE 向的寺头断层、南板桥断层、F314断层、F334断层及F348断层等。井田以正断层为主，断距大于10m，其中寺头、南板桥、F314及F348断层呈舒缓波状延伸，断裂面有明显挤压现象，两侧伴生有剪切羽状小断裂，属压扭性断层，对瓦斯有封闭作用，利于瓦斯赋存。而F334断层位于井田中部偏西，构造线方向北部呈北东15°、南部偏西。落差在中寨附近为70m，向两端变小，断层倾角80°，由应力转变地带形成，属张扭性断裂，易于瓦斯释放。

2.2 顶底板岩性

大宁煤矿3＃煤层顶板为粉砂岩、泥岩或砂岩，底板为泥岩或粉砂岩。煤层的顶底板岩性直接影响煤层瓦斯的保存条件，尤其是顶板岩性，如果在同是泥岩的情况下，泥岩厚度对瓦斯赋存有较大影响。大宁煤矿煤层部分钻孔泥岩厚度及瓦斯含量见表1。表1中大宁煤矿煤层瓦斯含量数据表明，瓦斯含量随着泥岩厚度的增加呈现逐渐增大的趋势。

表1 大宁煤矿煤层部分钻孔泥岩厚度及瓦斯含量表

2.3 煤层埋深

由于受地质条件及技术限制，矿井3＃煤层在生产期间未进行过煤层原始瓦斯压力的测定；在地勘时期委托煤炭科学研究总院西安分院在矿井首采区通过地面钻孔打钻注入法测试过3＃煤层的瓦斯压力。测得DN4 钻孔埋深225.80 m，瓦斯压力0.69 MPa；DN8 钻孔埋深318.75 m，瓦斯压力1.16 MPa。再由间接法计算得出了31个不同埋深钻孔的瓦斯压力，其与煤层埋深的关系见图1，同时将直接测定所得DN4、DN8钻孔煤层瓦斯压力数据标在图1中。

图1 煤层瓦斯压力与埋深关系图

根据相对瓦斯压力数值计算得出煤层瓦斯压力与埋深的关系为y=0.0035x+0.005，同时得出实测的瓦斯压力值在拟合直线的周围波动，说明拟合的线性关系能够反映煤层瓦斯压力与埋深的关系。可见，瓦斯压力随着埋深的增加呈现增大的趋势。

2.4 岩溶陷落柱

大宁井田内陷落柱接触面挤压紧密，利于瓦斯赋存，而煤层和透气性不好的岩石接触，瓦斯难以逸散，因此，在陷落柱附近形成高瓦斯区。

3 煤层瓦斯含量预测

大宁井田地质构造简单，地质构造仅在局部影响煤层瓦斯赋存，对整个井田的影响范围较小，煤层埋深是控制煤层瓦斯含量的主导因素。3＃煤层的埋深自东南向西北呈逐渐增加的趋势，井田内埋深最浅的点在井田的东南部140 m 处，埋深最深的点在井田的西北部550m 处。

3.1 煤层瓦斯垂直分带情况

从大宁煤矿3＃煤层瓦斯钻孔资料的瓦斯组分结果来看，煤层瓦斯中的甲烷 （CH4）组分为88.36%～97.65%，且大宁煤矿3＃煤层的埋深几乎都在140 m 以深，考虑到煤层瓦斯的垂直分带性，可以确定大宁煤矿井田范围内的3＃煤层全部位于甲烷带。

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3.2 煤层瓦斯含量预测

由于地勘时期瓦斯含量测定误差较大，因此煤层瓦斯含量预测以生产时期直接测定的瓦斯含量数据为主要依据。考虑到大宁煤矿与相邻的马寨煤矿、芹池煤矿同采3＃煤层，瓦斯地质条件相同，因此根据大宁煤矿和相邻矿井直接测定所得煤层瓦斯含量数据，得到煤层瓦斯含量与埋深的变化规律，见图2。

图2 煤层瓦斯含量与埋深关系图

由图2可知，该区域3＃煤层瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而逐渐加大，煤层瓦斯含量与煤层埋深线性拟合关系见图2。经线性回归分析，3＃煤层瓦斯含量W 与埋深H 具有线性统计规律 （点数N=13，线性相关系数R=81.67%）：

式中：W——煤层瓦斯含量，m3／t；

H——煤层埋深，m；

由线性拟合方程可得：大宁煤矿3＃煤层瓦斯含量在8.76～26.57m3／t之间。

4 瓦斯综合防治措施

大宁煤矿瓦斯涌出量较大，曾发生过煤与瓦斯突出动力现象。根据大宁煤矿瓦斯地质规律、煤层瓦斯含量预测结果，结合3＃煤层瓦斯涌出情况，提出了针对大宁煤矿的瓦斯综合防治措施，包括优化矿井通风方式、采用立体交叉瓦斯抽采措施及建立煤与瓦斯突出预警系统，确保矿井安全生产。

4.1 优化矿井通风方式

大宁煤矿矿井瓦斯涌出量大，回采工作面采用全负压通风，六巷布置，三进三回。三采区首采工作面三〇一综采工作面前期采用 “U+L”型通风方式。“U+L”型通风通过在 “U”型通风的回风侧增加排瓦斯尾巷，改变了采空区漏风流场，从而将采空区瓦斯经过联络巷排至尾巷，解决了上隅角瓦斯超限的问题。但随着工作面的不断推进，由于落煤、采空区范围增大等原因，工作面瓦斯涌出量逐渐增大，“U+L”型通风方式已不能合理减少上隅角瓦斯，而且尾巷配风量不合理。为了改变这种状况，后期采用使工作面回风全部离开工作面向采空区方向流动的 “Y”型通风方式。“Y”型通风方式改变了工作面通风线路及采空区瓦斯运移线路，有以下优点：

（1）消除了工作面上隅角瓦斯超限隐患，通过采用分源瓦斯抽采技术，充分发挥矿井抽采系统的能力，瓦斯治理取得了显著效果，从而大幅缓解了矿井通风系统压力；

（2）大幅减少了掘进工程量，工作面得以提前形成，为矿井瓦斯抽采提供充足的时间和空间，解决了采、掘、抽衔接紧张问题，使得矿井采、掘、抽工程有序衔接；

（3）实现了无煤柱开采，既提高了煤炭采出率，又可以延长矿井服务年限。

4.2 立体交叉瓦斯抽采措施

由于大宁井田3＃煤层不具备保护层开采条件，且属于容易抽采煤层，适于采用强化预抽煤层瓦斯技术。综合考虑煤层瓦斯赋存、巷道布置、抽采瓦斯目的及利用要求等因素，确定大宁煤矿采用地面与井下抽采相结合，采掘前预抽采与边抽边采、采空区抽采等多种措施相结合，利用一切可能的空间和条件充分抽采煤层瓦斯。矿井抽采方式为本煤层长钻孔预抽、采空区抽采和地面水平多分支煤层气抽采井预抽的立体交叉抽采方式。井下抽采方式主要以世界领先的VLD-1000系列深孔定向千米钻机施工的长孔预抽为主，个别工作面实行了长孔预抽和空白带进行短孔边掘边抽的方式进行配合抽采。地面布置6个直径150mm 的多分支水平羽状抽采井，单井瓦斯抽采量最高达到20000 m3／d，形成了地面多分支水平羽状井和井下千米钻机顺煤层钻孔立体交叉抽采新模式。

4.3 建立可靠的煤与瓦斯突出预警系统

为预防煤与瓦斯突出事故，首先对可能发生的瓦斯突出事故进行预测预警。煤与瓦斯突出预警技术综合采用计算机技术、矿井监测技术等科学技术和方法，通过对矿井煤与瓦斯动力现象、事故相关信息及瓦斯地质规律进行综合分析，提出煤与瓦斯突出预警方法，再结合大宁煤矿现有的KJ101N 安全 （瓦斯）监控系统以及GIS 技术，建立煤与瓦斯突出预警系统，实现对矿井煤与瓦斯突出危险性的实时预测预警，确定危险性等级，并及时采取有效的防治措施，对于提高煤矿安全生产能力、控制事故的发生及事故造成的损失具有重要的作用。针对大宁煤矿瓦斯动力现象特征及瓦斯地质规律，通过构建可靠的煤与瓦斯突出预警系统，对工作面突出危险性实时预测预警，必将为大宁煤矿的煤与瓦斯突出防治起到积极作用。

5 结论

（1）对大宁煤矿瓦斯地质研究表明，煤层埋深是控制煤层瓦斯赋存的主要因素，局部区域由于地质构造、顶底板岩性、岩溶陷落柱等地质条件的不同，瓦斯赋存状况存在差异。

（2）结合矿井勘探和生产时期揭露的瓦斯地质资料，运用线性回归方法对煤层瓦斯含量变化趋势进行了预测。结果表明，大宁3＃煤层百米瓦斯梯度在4.1m3／t左右，煤层瓦斯含量在8.76～26.57 m3／t之间。

（3）在综合考虑大宁煤矿瓦斯赋存规律与煤层瓦斯含量预测结果的基础上，提出了优化矿井通风方式、采用立体交叉瓦斯抽采及建立可靠的煤与瓦斯突出预警系统的瓦斯综合防治措施。

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