打通垭矿区岩溶瓦斯灾害预测及防治技术研究.pdf

打通垭矿区岩溶瓦斯灾害预测 及防治技术研究 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名刘 言 指导教师曹树刚 教授 兼职导师周东平 教授级高工 学位类别工程硕士（安全工程领域） 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一七年四月 万方数据 DatongYa Coal Mining Area Karst Gas Disaster Prediction and Prevention Technology Research A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Professional Degree By Liu Yan Supervised by Prof.Cao shugang Pluralistic Supervised by Sen.Prof.Zhou dongping Specialty ME Safety Engineering Field College of Resources and Environmental Sciences of Chongqing University , Chongqing, China April, 2017 万方数据 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 岩溶是广泛富集于石灰岩地层中的不良地质体。随着西南地区煤矿开采深 度的增加，开采强度的加大，开采范围向深部延深，岩溶瓦斯问题已严重影响 煤矿的安全开采。松藻矿区、南桐矿区、天府矿区和中梁山矿区在煤炭开采过 程中均有揭露岩溶瓦斯的案例。且松藻矿区石壕煤矿、打通一矿、渝阳煤矿的 岩溶瓦斯问题尤为突出，岩溶瓦斯异常涌出，造成多起矿工伤亡事故。 本论文以重庆地区打通垭矿区范围内几起典型的岩溶瓦斯异常涌出事故分 析为基础，结合矿区煤系地层状况及水文地质规律，分析了矿区岩溶瓦斯分布 及赋存的基本成因；结合岩溶赋存特点，研究了岩溶瓦斯预测预报技术；结合 矿区实际，研究提出了在岩溶瓦斯富集区采用“四位一体”的防治技术措施。 研究的主要内容有 ①根据瓦斯地质学、瓦斯赋存与流动理论分析影响岩溶瓦斯赋存的地质因 素，并分析矿区岩溶瓦斯分布、赋存及有害气体成份在地质水文环境影响下的 基本成因。 ②结合现场应用实例，研究以岩溶地质物探、钻（钎）探、岩溶充填物判 识、有害气体涌出异常判识等为主的预测预报技术。 ③研究岩溶瓦斯富集区采用“四位一体”的防治技术措施，在岩溶瓦斯富 集区采用岩溶瓦斯涌出小块段区域风险预测、梯级渐进式局部探测、短距离局 部防治和安全防护措施。 通过对打通垭矿区几起典型瓦斯异常涌出案例的分析，结合矿区煤系地层 状况及水文地质规律，分析得出了矿区岩溶瓦斯分布及赋存特点，论证了矿区 主控构造、水文地质条件对岩溶发育及瓦斯储存的影响；结合岩溶赋存规律， 研究岩溶瓦斯威胁区域的超前物探、钻探、岩溶标志物判识、有害气体异常涌 出判识等预测预报技术；结合研究区实际，提出岩溶瓦斯富集区“四位一体” 的防治措施。论文对赋存情况相似的打通垭矿区岩溶瓦斯问题进行了系统研究， 为松藻矿区岩溶分布规律、岩溶瓦斯预测预报、岩溶瓦斯富集区工程防治思路 提供新的技术方法和防治理念。 关键词关键词岩溶瓦斯；地质构造；预测预报；标志物；四位一体 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT Is widely occurred in karst limestone strata in the bad geological body. With the increase of mine mining depth, mining strength increase, to extend deep deep mining range, karst has seriously affect the safety of coal mining gas problem. SongZao mining area, NanTong mining area, TianFu mining area, ZhongLiangShan Mining area have exposed karst in the process of coal mining gas case. SongZao mining area of ShiHao coal mine, DatongYi coal mine, YuYang coal mine gas problem is particularly acute in karst, the karst miner casualties accidents cause of unusual gas emission. This paper in order to get DatongYa of the same several typical karst in the mining areas based on the accident analysis of unusual gas emission, combined with the mining area coal measures strata and hydrogeological condition, analyses the basic causes of mine gas distribution and occurrence of karst; According to the occurrence characteristics of karst, the karst gas prediction technologies; Combining the reality of the mining area, the research on karst gas enrichment region adopted the “four one“ prevention and control technical measures. The main content of the research are as follows ①according to the theory of gas geology, gas flow analysis of the geological factors that affect gas occurrence, the analysis of the mine gas distribution and occurrence of karst geology hydrological environment under the influence of the basic causes and karst harmful gas composition. ②combined with field application examples, the study summarized in karst geological and geophysical prospecting, drilling bit agent, karst fillings or gas and harmful gas such as abnormal or prediction technology. ③to study and put forward the gas enrichment region by using “four one“ control technical measures of karst gas emission in gas enrichment region by using small section of the regional risk prediction, cascade progressive local detection, short distance local control and safety protection measures. Based on several typical cases of unusual gas emission DatongYa the same mining area of analysis ， combined with the mining area coal measures strata and hydrogeological condition, analysis of the mine gas distribution and occurrence characteristics of karst, demonstrates the mining area master structure, hydrogeological conditions of karst development and the influence of the gas storage; Gas threats 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III according to the occurrence regularity of karst, the karst areas of advanced geophysical prospecting, drilling, karst markers or abnormal and harmful gas or gas prediction technologies such as; Karst gas enrichment region combining the reality of the study area, puts forward the control measures of “The four combination“. Paper similar to the situation the same mining area of karst systemic research on the problem of gas, for codium mine gas prediction, karst distribution regularity of karst, the karst gas enrichment region engineering ideas provide a new technical and control concept. Keywords Karst gas; Geological structure; Forecasting; Markers; The four combination 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 ........................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容主要研究内容 ........................................................................................................................... 4 1.4 技术路线及研究方法技术路线及研究方法 ............................................................................................................... 4 2 研究矿区地质条件研究矿区地质条件 .............................................................................................................. 5 2.1 矿区地层矿区地层 ................................................................................................................................... 5 2.2 煤层情况煤层情况 ................................................................................................................................... 5 2.3 矿区地质构造特征矿区地质构造特征 ................................................................................................................... 6 2.4 矿区水文地质特征矿区水文地质特征 ................................................................................................................. 10 2.4.1 地表河流水系特征 .......................................................................................................... 10 2.4.2 岩溶发育地层分布特征 .................................................................................................. 10 2.5 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 11 3 矿区岩溶瓦斯分布及赋存规律研究矿区岩溶瓦斯分布及赋存规律研究 ....................................................................... 13 3.1 岩溶分布规律岩溶分布规律 ......................................................................................................................... 13 3.1.1 矿区水文条件对岩溶发育的影响 .................................................................................. 13 3.1.2 地质构造对岩溶发育的影响 .......................................................................................... 14 3.2 岩溶瓦斯赋存规律岩溶瓦斯赋存规律 ................................................................................................................. 17 3.2.1 煤系地层沉积环境影响分析 .......................................................................................... 17 3.2.2 岩溶有害气体成分及来源分析 ...................................................................................... 18 3.3 岩溶瓦斯赋存形态岩溶瓦斯赋存形态-可燃冰假说可燃冰假说 ............................................................................................ 20 3.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 21 4 岩溶瓦斯预测预报技术研究岩溶瓦斯预测预报技术研究 ....................................................................................... 22 4.1 无损中远距离物探技术无损中远距离物探技术 ......................................................................................................... 22 4.1.1 现场地质物探实例 .......................................................................................................... 22 4.1.2 现场典型误探实例分析 .................................................................................................. 27 4.2 钻孔探测技术钻孔探测技术 ......................................................................................................................... 29 4.2.1 钻机探测施工工艺 .......................................................................................................... 29 4.2.2 凿岩机交替循环探测施工工艺 ...................................................................................... 29 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 4.3 岩溶标志物判识岩溶标志物判识 ..................................................................................................................... 30 4.4 有害气体异常涌出判识有害气体异常涌出判识 ......................................................................................................... 32 4.5 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 35 5 岩溶瓦斯富集区岩溶瓦斯富集区“四位一体四位一体”防治方案研究防治方案研究 ....................................................... 37 5.1“四位一体四位一体”防治流程设计防治流程设计 ...................................................................................................... 37 5.2 岩溶瓦斯小块段区域预测岩溶瓦斯小块段区域预测 ..................................................................................................... 38 5.2.1 区域预测的必要性 .......................................................................................................... 38 5.2.2 依据原理 .......................................................................................................................... 38 5.2.3 岩溶小块段区域预测实例 .............................................................................................. 38 5.3 梯级渐进式局部探测梯级渐进式局部探测 ............................................................................................................. 41 5.3.1 梯级渐进原则 .................................................................................................................. 41 5.3.2 岩溶瓦斯钻探可控卸压 .................................................................................................. 42 5.3.3 三级地质保障 .................................................................................................................. 45 5.4 近距离局部防治措施近距离局部防治措施 ............................................................................................................. 45 5.4.1 避绕方案 .......................................................................................................................... 45 5.4.2 钻探方案 .......................................................................................................................... 46 5.4.3 抽采方案 .......................................................................................................................... 46 5.4.4 排放方案 .......................................................................................................................... 47 5.4.5 封堵方案 .......................................................................................................................... 48 5.4.6 截流方案 .......................................................................................................................... 49 5.5 安全防护措施安全防护措施 ......................................................................................................................... 49 5.5.1 远距离爆破 ...................................................................................................................... 49 5.5.2 防逆流隔离正反向风门 .................................................................................................. 50 5.5.3 紧急安全避险 .................................................................................................................. 51 5.6 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 52 6 结论及展望结论及展望 ............................................................................................................................ 53 6.1 结论结论 ......................................................................................................................................... 53 6.2 展望展望 ......................................................................................................................................... 54 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 55 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 56 附附 录录 ....................................................................................................................................... 58 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 .................................................................................. 58 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出及研究意义 中国是世界上第一产煤大国，2015 年原煤产量就已达 38.6 亿吨，全国煤炭产 能已达 50 亿吨/a，井工煤矿占 95，位居世界之首。煤炭作为经济和社会发展的 重要作用不可或缺。我国开采的煤层以石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪煤层为 主，其中比重最大、灾害最为严重当属二叠纪煤层。开采属于高瓦斯、煤与瓦斯 突出煤层的矿井占全国矿井总数的 90；开采煤层及伴生矿体含有大量有害气体， 并以甲烷（CH4）为主。 煤矿安全规程将矿井中以甲烷为主的有毒有害气体统 称为瓦斯。因此，煤矿开采过程中瓦斯灾害防治成为煤矿生产安全事故防范的重 要任务。 在地球表面，石灰岩是一种极为特殊的化学沉积岩。在众多沉积岩中，石灰 岩占据了 20左右。 岩溶广泛富集于石灰岩地层中， 我国岩溶发育地区非常广泛， 岩溶分布总面积超过 300 万 Km2，在重庆、四川、贵州、广西等地区尤为普遍。 重庆南川金佛山、奉节天坑、武隆仙女山就是典型的岩溶极发育实例。石灰岩地 层中，经过岩溶侵蚀作用，岩土结构势必发生变化，岩石强度降低，力学性质改 变，对浅地表将形成地面塌陷及工程破坏。煤矿瓦斯抽采工程遭遇岩溶时，会造 成岩溶裂隙与抽采钻孔导通，抽采负压损失，影响煤层瓦斯抽采效果。如对这些 问题掉以轻心，轻则出现工程返工，重则可能发生伤亡事故。随着古河床及地下 水侵蚀影响，在煤系地层附近形成大小形态各异的石灰岩溶洞，溶洞内伴生方解 石结晶、 地下水、 淤泥、 硫化氢气体 （H2S） 、 甲烷气体 （CH4） 、 二氧化碳气体 （CO2） 、 氮气（N2） 。采掘活动中，部分岩溶内有害气体、地下水因存在一定压力，在揭露 岩溶的同时，伴生的有害物质将以高速运移，甚至喷出、突出的方式破坏生产设 施，影响安全生产。 在煤层及煤系地层中，瓦斯以吸附和游离两种状态存在，一旦其原始应力状 态及赋存环境发生变化，瓦斯就会迅速解吸并向采掘空间运移。异常涌出形式主 要有煤与瓦斯突出、瓦斯喷出，并可能引发煤与瓦斯突出事故、瓦斯煤尘爆炸事 故、瓦斯窒息事故。在发生瓦斯非正常涌出的同时，与瓦斯伴生的物质将一并带 离原来的储存空间，对采掘活动造成影响甚至引发重大灾害事故。煤系地层伴生 岩溶裂隙瓦斯异常涌出就是这类事故的一种。随着矿井开采深度的增加，开采强 度的加大，开采范围向深部延深，岩溶瓦斯问题已严重影响煤矿的安全开采。 在重庆地区，由于石灰岩地层出露较为普遍，辖区开采的二叠纪、三叠纪煤 系地层均有石灰岩地层揭露，鉴于复杂的煤层沉积环境，煤系地层含瓦斯岩溶较 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 为发育。松藻矿区、南桐矿区、永荣矿区、天府矿区、中梁山矿区在煤炭开采过 程中均有揭露岩溶瓦斯的案例。2013 年 3 月 25 日，永川区吊水洞煤矿-85m 水平 南翼 K10煤层东石门在石灰岩地层施工探眼时曾发生 H2S 气体中毒事故，造成 3 人死亡。从目前的煤矿开采及施工揭露情况来看，松藻矿区石壕煤矿、打通一矿、 渝阳煤矿岩溶瓦斯问题最为严重。 2015 年 8 月 22 日 19 时 59 分， 打通一矿井下西二区 W22603 中瓦斯巷掘进工 作面发生一起岩溶瓦斯伤亡事故，造成 1 人死亡，直接经济损失 82.7 万元；涌水 2400m3，水淹巷道 290m；喷出瓦斯 14.748 万 m3，瓦斯逆流进140m 运输大巷， 导致区域及整个回风系统瓦斯超限， 险些造成瓦斯爆炸事故。 松藻煤矿井下335m 大巷 C6岩溶裂隙出水点由于接受地表汇水洼地水源的补给，最大涌水量达 3500m3/h，历时 20a 的探测和治理方才解决。渝阳煤矿北三区岩溶较为发育，2004 年 10 月 24 日，150m 运输大巷东施工探眼时揭露岩溶涌水量 40m3/h，造成工程 停滞 30d。2009 年 12 月 15 日 0307 分，渝阳煤矿-60m 排矸石门在施工东帮腰线 上探眼 2.8m 时，发生瓦斯异常涌出，在通风排放瓦斯不能解决问题的情况下建造 密闭墙进行巷道抽采， 共计抽放时间 31d， 共涌出瓦斯 28.15 万 m3， 其中风排 10.09 万 m3，抽放 18.06 万 m3。2006 年 10 月 14 日 056 时，石壕煤矿在北三区210m 运输大