鸡西矿区瓦斯地质特征及瓦斯防治的研究.doc

鸡西矿区瓦斯地质特征及瓦斯防治的研究 庞贵智 鸡西矿业集团有限责任公司、黑龙江、鸡西158100 摘要针对鸡西矿区的地质地形进行简述,分析了各地区的瓦斯赋存情况,对高沼气采煤工作面进行瓦斯分析,掌握了鸡西矿区井下工作面的瓦斯的来源。在煤层透气系数低,瓦斯涌出量大,根据煤层顶板的变化规律,采用多种方法进行瓦斯综合治理技术,消除了瓦斯经常超限问题,保证了安全生产,近几年煤炭产量在稳步的增产。实践证明瓦斯抽放是解决瓦斯超限,实现矿井安全生产的有效手段。 关键词瓦斯地质瓦斯抽采综合治理鸡西矿区 1 矿区概况 鸡西煤田开采于1906年,至今已有103年的开采历史,1948年7月建局, 2001年8月改制为鸡西矿业集团有限责任公司。2004年成立龙煤矿业集团有限公司鸡西分公司。鸡西矿区位于黑龙江省东南部,地跨鸡西、林口、穆棱、鸡东、密山等市县。其地理坐标在东经130015、-131045、、北纬44040、-45030、之间矿区东西走向135km,南北宽25km,矿区煤田面积3375km2,现在已经开发728km2。现有15对矿井,14对生产矿井,1个建设矿井,年设计生产能力1562万t。 鸡西矿区全部开采薄及中厚煤层,开采煤层厚度大多在0.8-2.2m,顶板多为复合顶板,开采深度一般在600-1000m,全公司现有高瓦斯矿井13对,煤与瓦斯突出矿井1对滴道矿立井。全局采煤工作面38个,掘进工作面152个,其中瓦斯高突采煤工作面22个,高突掘进工作面38个。 2008年公司瓦斯鉴定矿井绝对涌出量为615.415m3/min,相对瓦斯涌出量最大为27.69m3/min,采煤工作面最大绝对涌出量为46.6m3/min,掘进工作面最大绝对涌出量为5.2m3/min。瓦斯灾害严重。所有煤层均有煤尘爆炸危险性。矿井涌水量大,矿井涌水量最大4500m3/h。鸡西矿区是水、瓦斯、顶板灾害并存的矿 区,安全生产条件比较困难。 2、地质特性 2.1、地层 鸡西出露的地层有太古麻山群,中生界下白垩统,以新生界和第四系沉积,按区域地层层序有老至新简述如下 2.1.1、太古界麻山群麻山群主要分配在鸡西煤田的西北边缘和南北条带中间隆起区。为本区最老的基底地层。主要有巨厚的海陆交互沉积地层,经区域变质及混合岩系,其注意岩性由片麻岩、片岩、石墨片岩、大理岩、白云岩、白粒岩等组成,本地层内石墨和磷灰石、矽线石等矿物具有工业价值,地层总厚1530米。 2.2、下白垩统鸡西群 2.2.1、滴道组标准发育地在滴道暖泉以北和正阳北山两地东西逐渐变薄和尖灭,本组主要由砾岩、砂岩、凝灰质砂岩、碳质泥岩夹薄煤层和变山质熔岩,凝灰岩组成。其底部为花岗质砾岩,与下伏麻山群地层不整合接触。厚度100-300米。 2.2.2、城子河组城子河组在鸡西南北带普遍发育,北部条带西起麻山东至黒台均有沉积,其厚度由西向东逐渐增加,如麻山只有150米,城子河最大厚度达700米。本组岩性主要有底砾岩、中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、碳泥岩和化层组成。以区别于滴道组和上部的穆棱组。从岩相上看,构成数个较完整的沉积韵律,含化性较强滴道组和穆棱组,本组与下伏滴道组假整合。 2.2.3、穆棱组穆棱组分布范围大体与城子河组一致。岩性以灰绿色,灰色组碎屑为主,北部条带滴道至青龙山煤层发育较好。本组底部在麻山一带发育,有底砾岩,向东至滴道的相变为粗砂岩,至城子河已不复存在。 2.3、下白垩统桦山群 本群底层在鸡西煤田的南北条带普遍发育,其标准地点在梨树南猴石沟和麻 山,北桦山一带,另外老道沟及本勘探区西部清沟山一带,也甚发育本群组分两组。 2.3.1东山组本组岩性变化较大,在猴石沟和桦南山一带主要为砾岩,成分为花岗岩及石英质岩石,砾径一般为2-10厘米,但在清沟山和老道沟一带,为中性火山碎屑岩类,间夹宁灰岩、砂岩、泥岩等。厚50-100米,与下伏穆棱组呈假整合。 2.3.2、猴石沟组本组岩性主要以碎屑为主,上中段注意为中细砂岩,夹泥岩。下段则以细砂岩,砾岩,砂岩为主,其特点是本组多为绿色和赤褐色岩石,另外本组地层构成的地貌,多呈较高的山地。本组总厚度400-1500米,与下伏东山组整合接触 2.4、第三系地层 第三系地层,分布于南北条带的第三纪玄武岩地之下,又以不整合覆于桦山群和既系群之上。在东麻山和凤山一带,注意以胶结松散的砂砾岩和泥岩组成,厚度小于30米,但在南部条带东边缘,鸡东县平阳镇一带,厚度最大近千米,夹有多层褐煤,构成煤系地层的盖层。富含阔叶植物化石。 2.5、第四系冲积层 第四冲积层广泛分布在穆棱河及其支流两岸,构成冲击平原,最宽可达5000米。主要为河床、河漫滩相,冲击物为砂砾,卵石层,上部有0-0.5米的腐殖土,厚度一般在4-10米。 2.5.1、地质构造 鸡西煤田在白垩纪煤层沉积之前,已初步形成了古构造骨架,存在着两个近东西向的凹陷盆地,在两凹陷盆地之间有一个东西向的麻山----平阳古北斜,这个古背斜对盆地早期沉积起了一定的控制作用,使煤田早期底层有南北差异,从整个晚侏罗纪到白垩纪以接受沉积为主,中间有沉积断层,但无不整合,鸡西煤田构造的形成是在早白垩纪桦山群地层沉积之后,受到来自南北方向的主 应力而形成褶曲,在古构造的基础上进一步的加强,形成两个主向斜及一个主背斜,随着应力的不均衡来自南北应力的强大,在主背斜轴都产生以压性为主的麻山平阳逆冲断裂带,把煤田进一步分割成了南北部两个条带,形成了今日的煤田构造轮廓。 3瓦斯涌出规律 3.1、鸡西盆地煤层瓦斯涌出的特点 在历年的瓦斯涌出量和近6年瓦斯涌出量的分析,北部的矿井瓦斯涌出量较大,随着开采深度的增加和煤质赋存的成分的变化,瓦斯含量赋存也随着变化,北部凹陷盆地矿井瓦斯相对涌出量一般在 5.9-86.5m3/t,瓦斯绝对涌出量在2.3-92.3 m3/min。南部凹陷盆地矿井瓦相对涌出量一般在11.66-48.2m3/t, 瓦斯绝对涌出量在4.47-67 m3/min。在表1、中可以看出随着开采深度的变化瓦斯赋存的含量也在变化。见表1. 表1 鸡西煤田矿井近6年的瓦斯涌出量统计表 注CH4相对m3/t; CH4绝对m3/min. 3.2、工作面瓦斯涌出的特点 在表2中分析瓦斯的来源于采空区、邻近层达到70,而本煤层的瓦斯量达到30。从而看出采空区和邻近层的瓦斯大于本层的瓦斯。得到高瓦斯工作面的涌出规律,鸡西矿业集团的抽放采用仰角钻孔和高位近水平钻孔、顶板瓦斯巷及转角抽放采空区及裂隙带的瓦斯,来解决瓦斯超限的问题。见表2. 表2 矿 1 2 滴道矿 3 130 队 128 127 高 突 采 煤 工 作 面 情 况 表 地 点 风量 920 48 45.9 810 25.3 890 57.9 33 35.9 1254 107.9 725 36 758 71 82 1540 24 49 76 1540 24 24 70 650 15 1250 59 630 22 876 21 93 916 22 1250 73 220 580 51 1140 46 780 61 42 59 672 69 45 31 965 1097 110 56 65 65 470 138 23 6 CH4 正常 0.6 8 10 0.6 25 0.8 10 35 20 0.58 12 0.2 8 0.3 4 1.1 0.5 40 13 14 0.8 2 1 5 18 0.1 3 0.88 20 0.6 20 0.4 5 9 0.3 17 0.6 14 2.2 0.2 8 0.6 20 0.4 12 2.5 10 0.4 18 5 3 0.4 0.6 2.3 22 15 22 0.2 0.1 4 CH4 最大 0.6 8 10 0.6 25 0.8 10 35 20 0.58 12 0.3 9 0.5 4.5 1.4 0.6 41 14 15 0.9 3 19 30 0.3 7 0.9 22 0.7 28 0.5 6 10 0.3 19 0.7 16 2.3 0.3 8 0.6 20 0.5 14 3 11 0.5 20 6 4 0.5 0.7 2.3 22 15 22 0.3 0.15 4.7 CH4 绝 正常 14.0 11.18 CH4 绝 最大 14.0 11.18 集中抽放 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 集中抽放 尾排 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 集中抽放 尾排 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 局部抽放 集中抽放 局部抽放 局部抽放 五采左 3 路 28 层 六采左 14 路 18 层 东采左 14 路 19 层 31.64 31.64 4 5 6 杏花矿 7 122 133 136 东采右 2 路 30 层 东三 30 条带采 30 右 0 巷 ＃ 20.17 4.3 6.1 20.17 5.4 8.1 135 西二深部层左二 35 37.3 8 145 队 3层右三面 29 40.14 9 10 11 12 城山矿 145 准备队 安装队 140 队 157 43右二 3层俯五 25左四面 14/左二采面 3/右二采面 下五采 3上左三 西区 2左部二条带 29右四巷 1.1 22.8 8.18 12.92 6.48 22.6 5.7 16.4 3 24.23 10.57 14.94 6.92 25.5 5.82 16.4 梨树矿 13 14 15 16 17 18 东海矿 19 20 196 193 23右五/右六 32右四/右五 195 32右九/右十 东山矿 双河矿 正阳 156 161 179 186 17.4 20.2 18.3 3.9 21.1 4.8 21 平岗矿 1202 东一 14右一副 45.5 46.6 尾排 局部抽放 局部抽放 集中抽放 尾排 局部抽放 22 荣华矿 1302 二采区左二巷 2.2 2.7 4、 矿区瓦斯抽采技术 鸡西矿区煤层透气性差，通过测定只能达到 0.002-0.01mdc,孔隙度 1.40-4.24，本层抽 放较困难，通过对工作面瓦斯来源构成的分析，矿区工作面的采空区和邻近层的瓦斯涌出量 一般占总瓦斯涌出量的 70。实施邻近层抽放和采后卸压抽放是鸡西矿区治理瓦斯的必由之 路。 2002 年开始， 公司先后建立了 16 处地面集中瓦斯抽放系统， 装备移动瓦斯抽放泵 72 台， 抽放钻机 89 台，投用抽放瓦斯管路 10 万多米。为瓦斯抽放工作奠定了基础，同时取消了瓦 斯尾排巷作为主要治理瓦斯的方法。矿区瓦斯抽排量逐年提高。产量也稳步提高。见表 3。 表3 年份 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 瓦斯抽采量 万 m 3 84 715 1665 6489 9608 10293 12724 鸡西矿业集团瓦斯抽采量统计表 综合瓦斯抽采率 1.2 6.5 11.3 28.2 42.8 43.5 47.2 原煤产量 （万吨） 920 1000 1100 1200 1246 1365 1477 抽放钻孔施工 全公司瓦斯 量 涌出量 3 /min） （m （米） 12705 60546 115640 228180 306177 446652 292.9 314.8 385.4 430.1 507 618.4 4.1 瓦斯的抽采规律及抽采条件的分析 鸡西矿区的地质条件是薄煤层累煤层开采， 断层多地质构造复杂、 煤层透气性差， 邻近层、 采空区瓦斯涌出量所占比例大， 针对采后卸压裂隙带瓦斯抽放。 运用回采工作面采动影响上覆 岩层移动的的“三区”“三带” 、 、岩层采动的影响应力的分布。如图 1 图 1 回采工作面采动影响上覆岩层移动的“横三区”与“竖三带” A----煤壁支撑影响区（a--b） ；B----离层区（bc） ；C----重新压实区（cd） ； Ⅰ--Ⅰ冒落带；Ⅱ 裂隙带；Ⅲ 弯曲下沉带 -7- 4.2 杏花矿 28煤层 135 采煤队瓦斯抽采技术 杏花矿为高瓦斯矿井，2006 年在开采西二区 28煤层右 2 工作面时，煤层高 1.7 米-2.0 米，工作面长度 140m。利用 U 型通风，采用仰角钻孔、顶板高位近 水平钻孔，顶板高抽巷以外还在 28层与 30层间的 6-8m 的岩柱内，布置了底板 钻场水平钻孔，钻场距 50m，钻孔 12-14 个，以控制 3031煤层的瓦斯向 28采空 区内涌出， 采用两台 2YK-110 型地面集中抽放泵， 并联抽放。 顶板高位钻场 CH4 达 40,流量达 50m3/min.底板钻场的近水平钻孔 CH4 达 25,流量达 30m3/min.1 台 YD-VI 型移动抽放泵抽上巷仰角钻孔， 4 达 40,流量 20m3/min.1 台 YD-VII 型移 CH 动抽放泵抽放顶板高抽巷 CH4 达 45,流量 40m3/min。4 台抽放泵，3 套系统同时 抽放，主管路采用∮400mm,支管路采用∮200mm.该采煤工作面回风风量 1200 m3/min、CH40.8，CH4 绝对涌出量 73.1 m3/min。抽放布置如图 2。技术参数如表 3，实现了高强度顶底板立体式抽放。抽采瓦斯量 63.5m3/min,抽采率达到了 86.7，通过多种瓦斯抽放治理技术，使该采面杜绝了瓦斯超限现象，保证了安 全生产。也给鸡西矿区在瓦斯治理的技术方面积累了经验。 图2 135 队高强度立体瓦斯抽放示意图 回 风 巷 仰 角 钻 场 高 位 钻 场 瓦 斯 抽 放 管 路 高 抽 巷 底 板 钻 场 瓦 斯 抽 放 管 路 进 风 巷 -8- 表 3、顶板高位及仰角钻孔高抽巷主要参数的确定 序 号 1 2 3 4 5 6 高抽 巷 参数范围 高位钻场 50-70 采高 8-12 倍 90-110 6 200 20-40 仰角钻场 30-40 终孔位置是采高 8-12 倍 50-70 12 94 20-40 参数名称 确定方法 依据顶板来压步距，与来压步距成 整数倍关系 宜采用三带观测方法确定 依据钻场间距，并考虑一定的钻场重 叠长度 依据钻口瓦斯抽放量对比确定 依据钻口瓦斯抽放量对比确定 依据钻口瓦斯抽放量对比确定 宜采用三带观测方法确定 钻场间距/m 抽放钻口距离煤层的距离范围 钻口长度/m 每一个钻场中的钻口数/个 钻口直径/mm 抽放负压/kpa 水平距回风巷 20-25m，面长在 140m 以内 垂高是采高的 12-13 倍，比较坚硬的顶板。 2006 年以来， 公司在瓦斯抽采取得一定效果的基础上， 进行瓦斯中和利用， 目前已建有 4 处发电站，装机容量 4500kw,年发电量 5900 万度，年可利用瓦斯 2000 多万 m3。在消除瓦斯危害的同时又实现了变害为利和环保生产。 5、今后研究方向及建议 5.1 鸡西矿业集团提出了“瓦斯不治、矿无宁日” 。就鸡西矿区要深层次的研究 地质结构，掌握地质结构的变化规律，在瓦斯治理工作上便于采用可靠的技术 手段。 5.2、瓦斯抽放方法要根据煤层的地质构造，工作面通风方式和煤层的透气性， 再结合开采工艺来进行布置。不同的条件要采用不同的抽放工艺。 5.3、瓦斯在抽采后的提纯和储存，能够使大量的能源发挥效应和不污染大气， 还造福于人民，鸡西矿业集团现在抽出的瓦斯只能利用 20。 作者简介庞贵智，1952 年出生，男，山东临沂费县人、高级工程师，从事矿井通风瓦斯防治工作。 -9-