低渗高瓦斯煤层群上邻近层瓦斯防治技术研究

2016-09-18李军涛

采矿与岩层控制工程学报 2016年4期

关键词：阳煤井田岩层

李军涛

（中国煤炭科工集团有限公司，北京100013）

低渗高瓦斯煤层群上邻近层瓦斯防治技术研究

李军涛

（中国煤炭科工集团有限公司，北京100013）

针对山西省阳泉矿区15号煤层开采过程中上邻近层瓦斯涌出量大的问题，以阳煤五矿为例，基于瓦斯地质学原理，分析地质构造、煤层埋深、顶底板岩性等因素对瓦斯赋存的影响，结合矿井瓦斯涌出特征对煤层的瓦斯地质规律进行研究，采用关键层理论研究覆岩采动裂隙演化规律，在此基础上优化抽采参数，采用走向高抽巷抽采邻近层瓦斯，取得了较好的治理效果，可为邻近层瓦斯防治提供技术参考。

低渗透；高瓦斯；邻近层；瓦斯赋存

我国埋深在2000m以浅的煤层气资源量达3.68×1013m3［1］，瓦斯资源的抽采利用具有经济、环保、安全等方面的意义，因而，我国必须走煤层气与煤炭协调开发的道路［2-3］，进行科学开采，提高科学产能［4］。山西省阳泉矿区具有渗透率低、瓦斯含量高、煤层群条件的特点，且部分矿井采用综放开采而导致瓦斯涌出量大［5］，原始煤层中采用的顺层钻孔或穿层钻孔预抽煤层瓦斯均不能取得很好的效果。针对阳泉矿区特定条件，以阳煤五矿为试验地点，通过分析地质构造、煤层埋深、顶底板岩性等因素对瓦斯赋存的影响，研究矿井的瓦斯赋存规律，在此基础上，结合矿井实测数据分析瓦斯涌出情况，得到阳煤五矿的瓦斯地质规律，基于瓦斯地质研究成果分析上邻近层瓦斯防治技术，并进行现场验证，为邻近层瓦斯防治提供技术支持。

1　　瓦斯赋存规律研究

1.1瓦斯地质情况

阳煤五矿位于沁水煤田东北部，太行山背斜西翼。该井田总体为一单斜构造，走向为NW～NNW向，倾向SW，倾角平缓，一般为3～15°。受区域构造控制，井田内发育有较平缓的褶皱群和层间小断层，局部发育陡倾挠曲，断裂构造较少，陷落柱相当发育。含煤地层主要为石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤15层，煤层总厚度15m左右，主采煤层为15号煤层，平均煤厚为6.90m，局部可采煤层有3上号、3下号、6号、8号、9上号、9下号、12号，平均煤厚均小于1.5m。

阳煤五矿井田范围内15层煤中均赋存有瓦斯，15号煤层开采过程中受上部煤层瓦斯涌出影响，邻近层瓦斯涌出量大，由于上部K2，K3，K43层灰岩的岩溶裂隙发育且连通性好，导致15号煤层瓦斯大部分逸散，残存瓦斯含量小。煤层分布及瓦斯赋存情况见表1。

表1　阳煤五矿煤层瓦斯赋存情况

1.2瓦斯赋存规律

研究煤层瓦斯赋存规律能为瓦斯涌出量预测和瓦斯综合防治提供技术保障［6］。影响煤层瓦斯赋存的地质因素包括:地质构造、煤层埋深、煤层厚度、围岩性质、水文地质等［7］。对于阳煤五矿而言，沿垂直方向，分析1～13号煤层瓦斯含量数据可知，埋深越大的煤层，瓦斯含量也越大，受灰岩影响，14，15号煤层瓦斯含量较低；沿水平方向，以15号煤层为例，分析煤层埋深、地质构造、顶底板岩性等因素对瓦斯赋存的影响，描述井田范围内的瓦斯赋存规律。

1.2.1煤层埋深

统计阳煤五矿15号煤层不同埋深条件下的瓦斯压力和瓦斯含量数据分别如图1、图2所示。分析图1、图2可知，随埋深增加，瓦斯压力呈增大趋势，但两者的线性关系不明显。瓦斯含量与埋深的线性关系明显，埋深增加100m，瓦斯含量以1.61m3/t的梯度增加。

图1　阳煤五矿15号煤层不同埋深下瓦斯压力

图2　阳煤五矿15号煤层不同埋深下瓦斯含量

1.2.2地质构造

煤系地层的形成及演化决定了煤层瓦斯的生成和赋存，而煤系地层的形成及演化由地质构造控制，因而从某个方面讲，地质构造控制着煤层瓦斯的赋存［8］。对于瓦斯赋存条件而言，地质构造可分为封闭性构造和开放性构造，构造形态、部位、力学性质和封闭情况形成了有利于瓦斯赋存或排放的条件，以压性或压扭性为主的构造一般为有利于富集瓦斯的封闭性地质构造，以张性为主的构造一般为有利于排放瓦斯的开放性地质构造。阳煤五矿井田总体为一单斜构造，发育有较平缓的褶皱群和层间小断层，断层规模一般较小，陷落柱相当发育。

陷落柱在井田平面上分布不均匀。从数量上看，北部多，南部少；从规模上看，北部小，南部大。据统计，西北翼采区已揭露陷落柱142个，南翼采区已揭露87个，北部采区陷落柱数量明显高于南部采区，井田内陷落柱的直径大小相差悬殊，最大的直径为385m，最小的短轴仅为2m，其中以40～60m的居多，占总数的80%左右，直径大的陷落柱绝大多数分布于井田南部。隐伏陷落柱对瓦斯赋存的影响取决于上覆岩层的封闭性和导水情况，若上覆岩层的封闭性好且导水能力差，则陷落柱内瓦斯易于富集。阳煤五矿陷落柱充填物多为上部岩层碎块，填充物一般胶结比较密实，透气性差，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现象。

1.2.3顶底板岩性

煤层围岩主要指煤层直接顶、基本顶和直接底在内的一定厚度范围的层段。围岩的隔气性能在很大程度上决定了煤层瓦斯的富集与逸散，一般地，泥岩隔气性能较好，有利于瓦斯保存。该矿可采煤层中围岩多为泥岩或砂质泥岩，隔气性能好，导致了高瓦斯煤层群条件的形成。阳煤五矿部分可采煤层顶底板岩性和瓦斯赋存情况统计见表2。

表2　阳煤五矿部分可采煤层顶底板岩性和瓦斯赋存情况

2　瓦斯涌出规律研究

分析阳煤五矿瓦斯赋存条件可知，从整个井田范围看，由于K2，K3，K4灰岩岩溶裂隙发育且连通性强，导致灰岩下部15号煤层瓦斯逸散较多，而其他各主采煤层顶底板多为泥岩或砂质泥岩，导致了在开采15号煤层过程中上邻近层瓦斯涌出量大，随煤层埋深增加，这一现象更加突出，在局部范围内，某些封闭性陷落柱附近瓦斯涌出量突增。

一般而言，掘进瓦斯涌出大部分来源于本煤层，回采瓦斯涌出来源于本煤层和邻近层。阳煤五矿掘进期间瓦斯涌出量较少，掘进最大瓦斯涌出量仅为 1.15m3/min，而回采最大瓦斯涌出量为144.58m3/min，后者是前者的126倍，这一现象验证了阳煤五矿瓦斯涌出绝大部分来源于邻近层，对阳煤五矿而言仅为上邻近层。

3　上邻近层瓦斯防治技术

分析阳煤五矿瓦斯赋存规律和瓦斯涌出规律可知，15号煤层瓦斯涌出主要来源于上邻近层，因而上邻近层瓦斯防治是阳煤五矿瓦斯治理的关键。针对低渗高瓦斯煤层群条件，阳泉矿区提出了走向高抽巷抽采上邻近层瓦斯方法，并在阳煤五矿进行了广泛应用。

随采掘活动进行，根据岩层运动规律可将上覆岩层划分为垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。垮落带岩层破碎，裂缝带岩层中离层裂隙和竖向破断裂隙发育，弯曲下沉带岩层离层裂隙发育而竖向破断裂隙不发育。为保证巷道稳定性和抽采效果，需将高抽巷布置于裂缝带范围内，最佳位置应为裂缝带中下部。基于关键层理论［9］，关键层控制上覆岩层运动过程，因而，确定了各关键层就可以预测覆岩裂缝带的高度。

阳煤五矿将走向高抽巷平行回风巷布置在回采工作面上方，高抽巷层位根据不同条件选择沿9，9下，11或12号煤层上部砂岩或石灰岩中掘进，与15号煤层距离约50～70m，高抽巷与回风巷在煤层平面上投影的平均距离为55m，并与工作面伪倾斜后高抽巷贯通，高抽巷平面布置见图3。

图3　阳煤五矿走向高抽巷平面布置示意

阳煤五矿8310工作面长度1100m，开切眼长200m，走向高抽巷沿9下号煤层上部砂岩掘进，距15号煤顶板54.10m。采掘活动期间8310工作面瓦斯的风排量、抽放量和涌出量见图4。由图4可知，工作面回采开始后，随覆岩中关键层的依次破断，瓦斯涌出量呈阶梯状增加，之后趋于平稳，瓦斯涌出量变化与覆岩裂隙演化规律一致。开始抽放前，风排瓦斯量包含3部分，即回风巷、内错尾巷和高抽巷风流中排放的瓦斯；开始抽放后，风排瓦斯量包含回风巷和内错尾巷中排放的瓦斯。抽放瓦斯量稳定后，平均瓦斯抽采率为95%，抽采效果显著，同时表明邻近层瓦斯涌出占工作面回采期间瓦斯涌出量的绝大多数，这与前面所分析的阳煤五矿瓦斯赋存和涌出规律相一致。