煤矿瓦斯赋存规律及防治措施的研究

刘 哲

（同煤集团云冈矿通风区瓦斯队，山西 大同 037017）

大同煤矿集团云岗井田位于山西省大同市西15km的云岗镇西，是我国自行设计和施工的现代化大型矿井。采用一次设计、分期投产的方式，当前核定的生产能力为120万t/a。本文基于山西省煤炭地质一一五勘查院为云岗矿井编制的生产矿井地质报告，分析云岗矿瓦斯赋存规律，并提出有针对性的防治措施。

1 矿井地质构造概况

大同侏罗系煤田位于新华夏系第三隆起带中段的北部。煤田的北部临近天山-阴山纬向构造体系，西面是走向南北的西石山，东面隔着大同平原是六棱山反射弧。南以洪涛山背斜与宁武煤田相隔。本井田位于大同煤田的东北部，大同煤田主向斜轴的西翼，距煤田东部边缘NW向的青磁窑逆掩断层较近，地层总体走向为NW向，倾向SE，倾角2～10°。本井田断裂构造较为发育，全井田共有钻孔及生产揭露控制断层173条，断距大于5m的断层有30条，断距1～5m断层有143条，其中以NE向断裂最为发育，共计50条，占总数的35%，此组中多发育压扭性断裂，断面擦痕明显，破坏带不发育，断层呈条带状分布。NW向断裂有66条，占46%，断层性质多属扭性断裂，走向多为N35°～40°W，主断层近于一直线。SN向断裂共有17条占12%，该种断裂一般以孤立状态出现，破坏性不大，对生产影响较小。逆断层有8条占6%。井田内明显近EW向断层有2条占1%，延展较长，断距较小。

2 煤层瓦斯参数和矿井瓦斯等级

本次收集2012年至2016年云岗矿瓦斯等级鉴定结果，瓦斯相对涌出量3.56～4.71m3/t，二氧化碳相对涌出量8.22～10.14m3/t，瓦斯绝对涌出量33.03～46.54m3/min，二氧化碳绝对涌出量75.26～102.39m3/min，矿井瓦斯等级鉴定批复均为高瓦斯矿井，近年瓦斯等级鉴定统计情况如表1所示。

云岗矿12号煤层瓦斯采样实测含量见表2所示，气体成分占比分析，甲烷为0～27.51%，氮气为72.49～99.83%，甲烷成分远低于80%，瓦斯分带属于氮气带和氮气-甲烷带。

表1 云岗矿近年瓦斯等级鉴定统计表

表2 12号煤层瓦斯采样实测含量统计表

3 矿井瓦斯赋存规律

3.1 构造对煤层瓦斯影响

该井田位于大同煤田的东北部，大同煤田主向斜轴的西翼，距煤田东部边缘的青磁逆掩断层较近，本井田褶曲较发育，较大的褶曲及穹隆构造有9个，轴向多为NE及NW向，在向斜区其顶部为压性闭合，是主要的储气构造，进行掘进时会有瓦斯大量涌出，然后在背斜翼部为张性的开放性裂隙，在煤层埋深较小时不利于瓦斯集聚。

3.2 陷落柱对煤层瓦斯影响

生产揭露大小陷落柱40个，形状为椭圆、圆形及不规则形，陷落高度大小不等，有的陷到地表，也有只陷到7号煤层底板下，陷落柱周围多发育小型环状断裂。陷落柱对煤层瓦斯赋存影响较大，陷落柱的发育裂隙沟通强含水层就会在煤矿开采时增加水流量，提高瓦斯排放能力。隐伏于地表以下的陷落柱，瓦斯保存条件较好，瓦斯容易积聚。

3.3 断层对煤层瓦斯影响

井田内断层较多，共有钻孔及生产揭露控制断层173条，最大断层落差F1为60m，F2落差为30m，F3为20m，其他断层落差在16m以下。压性断层面为封闭性，断层面附近成为构造应力集中带，吸附瓦斯量增多，同时不易运移散放，张性断层面附近由于构造应力释放而成为低压区，因解吸作用使煤层瓦斯含量下降，较大的开放性断层（断至地表或接近地地表的）是煤层瓦斯散放的通道，对瓦斯赋存影响较大，但本井田断层断距相对较小且断层的延展长度较短，对煤层瓦斯散放作用不大。

3.4 煤层埋藏深度对煤层瓦斯影响

煤层埋藏深度与煤层瓦斯含量关系密切，埋藏深度增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移距离增大，有利于瓦斯封存，埋深和瓦斯含量之间相关性R2=0.8188，二者成显著相关，如图1所示。

图1 埋深和瓦斯含量回归趋势图

4 瓦斯综合防治措施的研究

针对历年来云岗矿瓦斯涌出量以及瓦斯突出动力现象，提出了云岗矿的瓦斯综合防治措施办法，主要是从以下三方面来进行。

4.1 优化矿井通风方式

云岗矿的回采工作面采用全负压通风，六巷布置，三进三回。8615回采工作面先前采用的“U+L”型通风方式，主要是在“U”型通风的回风侧增加排瓦斯尾巷，可以起到改变采空区漏风流场的作用，将瓦斯经过联络巷排至尾巷。在回采后期因瓦斯涌出量增大，“U+L”型通风方式已起不到治理的效果，改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，它能改变工作面通风线路及采空区瓦斯运移线路，从而达到排放瓦斯的目的。

4.2 综合瓦斯抽采措施

综合考虑云岗矿煤层瓦斯赋存、巷道布置、抽采瓦斯及利用要求等因素，确定对其采用地面与井下抽采相结合，采掘前预抽采与边抽边采、采空区抽采等综合瓦斯抽采措施。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。地面布置6个Ф150mm的多分支水平羽状抽采井，单井瓦斯抽采量最高达到20000m3/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 建立可靠的瓦斯突出预警措施

井下掘进期间，采用人工检查与甲烷传感器监测相结合的方式监测巷道内瓦斯情况。掘进工作面严格执行《煤矿安全规程》中监测监控系统安设的有关规定，在工作面、回风流、巷道中部及机电硐室上风侧5m范围内安设瓦斯传感器，巷道工作面、回风流瓦斯传感器的报警值为≥0.8%，机电硐室前瓦斯传感器的报警值为≥0.5%；一旦掘进巷道瓦斯浓度达到报警值，掘进巷内安设的瓦斯传感器即发出声光报警信号；同时监控中心站也发出声光报警提示，以便能及时采取措施进行处理。

一旦井下各掘进工作面出现瓦斯超限事故，应急指挥中心立即启动应急响应，并召集指挥部成员，详细分析瓦斯超限可能存在的原因：（1）局部通风机无计划停电停风；（2）工作面风筒漏风或出现破口等造成工作面巷内风量不足；（3）掘进巷内局部地点出现瓦斯异常涌出；（4）局部地点容易出现瓦斯积聚。同时施工单位负责人、通风负责人、机电负责人待命，随时听从指挥中心的调遣，指挥中心根据瓦斯超限的原因，采取针对性的处置措施；指挥中心根据现场情况通知通风部、机电科、电气队等相关人员第一时间赶赴现场进行处理。

5 结论

本文主要是从地质构造、陷落柱、断层、煤层埋藏深度四个方面对云岗矿的瓦斯赋存情况进行了研究，并用线性回归方法对煤层瓦斯含量进行了预测。采取了优化通风方式和立体交叉瓦斯抽采措施，降低了瓦斯浓度，平均抽采量为3.11m3/min，抽采浓度达72～95%，回风流瓦斯浓度稳定于0.35%左右，达到了工作面瓦斯零超限要求。同时建立的瓦斯突出预警系统有效地保障了井下煤矿生产的安全。