纳林河矿区瓦斯地质分析及溯源
2020-12-21张晓昊
摘 要: 纳林河矿区瓦斯地质分析与煤层瓦斯赋存情况存在偏差,对矿井施工人员安全造成了威胁。以纳林河二号矿为研究对象,通过理论分析、现场实测等手段,探讨采空区温度、天然气井、采掘工作面瓦斯含量和采动等因素对瓦斯浓度的影响。研究发现:1)采空区温度稳定,不会造成瓦斯解吸,与瓦斯浓度升高无关;2)采掘工作面无天然气标志性气体,瓦斯浓度高与天然气井无必然关系;3)3-1煤、4-1煤北翼钻孔煤样中瓦斯含量明显高于南翼,同时3-1煤与4-1煤构成保护层与被保护层关系,表明北翼工作面瓦斯含量偏高的主要原因是煤体瓦斯含量偏高,次要原因是采动导致4-1煤瓦斯扩散进入3-1煤采空区。为后期纳林河矿区其他矿井开采时的瓦斯事故安全预防提供了依据。
关键词: 瓦斯地质分析;纳林河矿区;煤层;采空区;采动
中图分类号:TD712 文献标识码:A 文章编号:2095-8412 (2020) 05-132-05
工业技术创新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.024
引言
瓦斯爆炸处于煤矿五大威胁灾害之首,煤矿井下作业现场瓦斯超限和瓦斯积聚等现象,严重威胁着矿井施工人员的生命安全。掌握瓦斯的产生原因和规律,用科学方法治理瓦斯、预防风险,对煤矿企业的安全持续发展具有重要意义。
为了准确把握瓦斯的产生原因与反应机理,国内学者开展了相关研究。许崇帮等[1]采集新疆西山煤样进行了室内煤样自燃升温试验,认为随着温度的变化,CO与瓦斯的含量有较好的规律性;王继仁等[2]应用傅里叶变换红外光谱仪,通过实验研究了煤在氧化自燃过程中不同温度下生成的气体产物,并采用密度泛函 B3LYP 方法,在 6-311G 水平上考察了煤与氧发生反应生成瓦斯的过程,认为50~100℃生成的瓦斯来自煤吸附的甲烷发生的脱附,而在更高温度下生成的瓦斯则来自甲基支链;何满潮等[3]通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯发生解吸,模拟煤体变形过程中吸附瓦斯的解吸—释放过程,证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯被大量解吸的因素之一;《防治煤与瓦斯突出细则》[4]认为瓦斯区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2类;程远平[5]提到保护层开采的意义为:通过开采保护层,解放被保护层,使得被保护层煤层内的瓦斯有效得到释放,降低被保护层瓦斯突出危险性。
本文针对纳林河二号矿3-1煤一盘区的瓦斯地质情况与当地煤层瓦斯赋存情况不符的问题,通过理论分析、现场实测等手段,开展瓦斯地质分析,进行瓦斯溯源,为今后纳林河矿区内其他矿井的安全开采提供依据。
1 项目背景
纳林河二号矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市,首采煤层为3-1煤层,开采深度为480~630 m。目前一盘区北翼、南翼两侧开采,其中北翼31121工作面与南翼31101、31102工作面已回采完毕,北翼31116工作面与南翼31103-1工作面正在回采。2019年4月,北翼31121工作面回采至距离主回撤通道约600 m处时,上隅角瓦斯浓度逐渐升高,且平均瓦斯浓度高于南翼已回采完毕的2个工作面,如图1所示。
2019年8月,北翼31116工作面开始回采后,上隅角瓦斯浓度相对于同期南翼31103-1工作面依旧偏高,如图2所示。
以上现象与鄂尔多斯地区煤层瓦斯赋存情况不符,瓦斯涌出量突然增大也给安全生产带来了风险。为了采取针对性措施,迫切需要对瓦斯进行溯源。
2 溯源过程
2.1 采空区温度变化
瓦斯以吸附和游离两种状态存在于煤体内,在300~1 200 m开采深度范围内,游离态瓦斯仅占5%~12%,但游离态与吸附态瓦斯可以相互转化:当温度降低或压力升高时,一部分瓦斯由游离态转化为吸附态,这种现象叫吸附;当温度升高或压力降低时,一部分瓦斯由吸附态转化为游离态,这种现象叫解吸[6-7]。煤在50~100℃时生成的瓦斯主要来自解吸作用,而在温度大于100℃时生成的瓦斯则主要来自化学反应(如图3a所示),而煤体中的CO随着温度而变化的规律与瓦斯非常相似,如图3b所示。
如图4所示,31121工作面与31116工作面束管监测数据显示,两工作面采空区CO浓度稳定,无持续升高趋势。所以,当时采空区温度无法使遗煤持续产生CO,这一温度也无法使瓦斯解吸。同时,早晚温差导致的气压变化对采空区煤体解吸效果影响不大,所以31121工作面与31116工作面上隅角瓦斯浓度升高与瓦斯解吸无关。
2.2 天然气井密闭性
天然氣主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成[8]。如果天然气井套管与井壁封闭不严密或者废弃气井井壁老化,就可能导致气体泄漏。甲烷及其他气体通过煤体裂隙进入周边采空区,导致采空区瓦斯浓度升高。
采掘工程平面图中显示:G8-8气井位于31121回风顺槽西侧590.375 m,距离回撤通道647.730 m,如图5a所示;G7-8气井位于31121回风顺槽西侧333.256 m,距离工作面切眼371.872 m,如图5b所示;G9-10气井位于31103-1工作面切眼南侧286.526 m,如图5c所示。
从采掘区域距天然气井距离来看,G9-10气井距离31103-1工作面切眼最近,但31103-1工作面采空区瓦斯低于31121工作面与31116工作面,且31116工作面附近无天然气井,而其瓦斯浓度仍然偏高,同时31121工作面采空区气体化验成分中无乙烷、硫化氢等天然气成分特征,所以31121工作面、31116工作面采空区瓦斯浓度高与天然气井无必然关系。
2.3 北翼采掘工作面煤体瓦斯含量偏高
煤层瓦斯含量与煤的变质程度、地质构造、围岩透气性以及水文地质条件等多种因素有关。如果围岩为低透气性岩层,如泥岩、石灰岩等,煤层中的瓦斯容易保存下来。如果围岩由粗砂岩、砾岩以及裂隙溶洞发育的石灰岩组成,煤层中的瓦斯含量则会偏小[9]。
文献[10]共选取了11个瓦斯测量孔,分别为NL53、MD12、MD13、MD15、MD22、MD24、MD26、MD32、MD33、MD34、MD41,采取瓦斯煤样,进行煤层瓦斯含量测定。其中MD12孔位于31121工作面辅运顺槽西侧约516.779 m,距离回撤通道垂直距离303.398 m,如图6a所示;MD13孔位于31116工作面回风顺槽西侧90.520 m,距离回撤通道垂直距离191.439 m,如图6b所示;MD26孔位于31104工作面地质异常体区域,距离31103工作面胶运顺槽53.116 m,如图6c所示。
上述MD12、MD13瓦斯测量孔与北翼两个已开采工作面的距离最近,MD26瓦斯测量孔与南翼三个已开采工作面的距离最近,故选取MD12孔、MD13孔与MD26孔作为对比南翼、北翼两侧煤层上下围岩情况与瓦斯含量的样孔。
地质钻孔结果显示,MD12与MD13两孔3-1煤层上下围岩均为砂质泥岩,透气性较差,可能导致煤层瓦斯含量偏高,而MD26孔煤层下部围岩为细粒砂岩,煤层瓦斯含量可能偏低。
文献[10]中可采煤层地勘瓦斯含量结果显示,MD12孔、MD13孔与MD26孔在3-1煤层的纯煤可燃基瓦斯含量分别为0.17 mL/g.r、0.22 mL/g.r、0.03 mL/g.r,换算成原煤瓦斯含量,分别为0.14 m3/t、0.22 m3/t、0.03 m3/t。MD12孔与MD13孔所处的北翼煤层瓦斯含量明显高于MD26孔所处的南翼煤层瓦斯含量,所以采空区遗煤和周围未采动煤层瓦斯泄压扩散可能是31121工作面、31116工作面上隅角瓦斯的主要来源之一。
2.4 采动影响
虽然纳林河二号矿为低瓦斯矿井,但如果3-1煤与4-1煤构成保护层与被保护层关系,则受3-1煤采动影响,4-1煤瓦斯将通过岩层裂隙进入3-1煤,增加3-1煤采空区瓦斯浓度。查看MD12孔与MD13孔地质钻孔资料,根据保护层计算公式,验证3-1煤下保护层最大保护垂距,即
其中,
S—3-1煤下保护层最大保护垂距,m;
S下—下保护层的理论最大保护垂距,m,与工作面长度L与开采深度H有关,当工作面长度L>0.3H时,取L=0.3H,查表后,取S下=138 m;
β1—保护层开采的影响系数,与保护层开采厚度M与保护层最小有效厚度M0有关,当M≤M0时,β1=M/M0,当M>M0时,β1=1,查阅相关资料,取β1=1;
β2—与层间硬岩(砂岩、石灰岩)含量系数η有关,当η≥50%时,β2=1-0.4η/100,当η<50%时,β2=1,查阅相关资料,取β2=1。
经过计算,3-1煤下保护层最大保护垂距为138 m,而MD12孔与MD13孔钻孔地质资料中显示,3-1煤与4-1煤层间距为35~38 m,所以3-1煤与4-1煤构成保护层与被保护层关系。
文献[10]中可采煤层地勘瓦斯含量结果显示,MD13孔在4-1煤层纯煤可燃基瓦斯含量为0.18 mL/g.r,换算成原煤瓦斯含量为0.16 m3/t。MD13孔钻孔煤样瓦斯含量明显高于其他区域,所以31116工作面上隅角瓦斯浓度升高可能与4-1煤瓦斯扩散进入3-1煤采空区有关。
3 结论与讨论
在纳林河矿区二号矿,相比于3-1煤层其他区域,3-1煤层北翼工作面瓦斯含量明显偏高。对瓦斯进行溯源表明:一是北翼采掘工作面煤体瓦斯含量偏高,且回采工作面无邻近采空区,煤层瓦斯未泄压,周围煤层瓦斯会涌出到已经卸压的工作面采空区内,同时工作面回采过程中个别区域会留设顶煤,使采空区内产生遗煤,增加了采空区瓦斯浓度。二是受3-1煤采动影响,3-1煤与4-1煤间岩层出现裂隙,4-1瓦斯沿裂隙扩散进入采空区内,导致3-1煤采空区内部瓦斯浓度升高。
本文查明了纳林河二号矿北翼采煤工作面瓦斯来源。通过采取一系列措施,工作面瓦斯得到了有效控制,保证了施工人员安全,同时也为纳林河矿区其他矿井开采时的瓦斯防治、预防风险提供了依据。
参考文献
[1] 许崇帮, 刘涛, 周少统. 西山煤层自燃气体指标试验测试分析[J]. 煤炭工程, 2016, 48(3): 111-113.
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[10] 内蒙古自治区东胜煤田纳林河矿区二号井田煤炭勘探报告[R].
作者简介:
张晓昊(1988—),通信作者,男,汉族,内蒙古呼和浩特人,工程师,2011年7月毕业于内蒙古科技大学安全工程专业,现从事矿井通风安全管理工作。
E-mail: 342181666@qq.com
(收稿日期:2020-07-10)