田陈煤矿瓦斯赋存规律及预测研究.pdf

现代矿业 MODERNMNNNNG 总第616期 2220年8月第8期 Ser ia l Nv； 210 Au y u a . 2222 田陈煤矿瓦斯赋存规律及预测研究 赵梦 山东省煤田地质局第三勘探队 摘要摘要田陈煤矿位于山东省滕州市南部，张汪镇、鲍沟镇和微山县欢城镇范围内，主采3上和 3下煤层,224年核定生产能力为104万t /a。通过对该矿3下煤层进行取样分析，测定了吸附系数、 煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤的瓦斯放散初速度，煤的坚固性系数等参数，经过鉴定，矿井任一采煤工 作面绝对瓦斯涌出量均小于5 m5/min ,该矿确定为低瓦斯矿井。在上述分析的基础上，对该矿瓦斯 赋存规律进行了分析，并对瓦斯及二氧化碳涌出量进行了预测。研究表明①①瓦斯赋存受到了断层、 褶皱构造、顶板岩性、上覆基岩厚度、水文地质条件、岩浆岩等因素影响；②②该矿瓦斯涌出量主要影响 因素为开采规模及采空区管理因素；③③开采3下煤层埋深854 m时绝对瓦斯涌出量约1.45 m5/min , 开采过程中应加强煤层瓦斯含量监测，确保安全生产。 关键词关键词瓦斯防治瓦斯赋存规律瓦斯预测煤层开采 DOI12. 3999/. issn . 4746982. 2020.48.499 1煤层瓦斯参数和矿井瓦斯等级 1.1煤层瓦斯参数煤层瓦斯参数 依据防治煤与瓦斯突出规定，需要测定的主 要瓦斯参数包括吸附系数、煤层瓦斯压力、瓦斯含量、 煤的瓦斯放散初速度，煤的坚固性系数等。本研究对 田陈煤矿3下煤层进行取样，并进行了瓦斯参数测 定。 1.1.1煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力 3下煤层北七采区瓦斯压力为0.12 - 2. 42 MPa , 最大值没有超过防治煤与瓦斯突出规定规定的预 测煤层突出危险性单项指标值瓦斯压力M 0.74 MPa，如表1所示。 表1 3下煤层瓦斯压力测定结果 测孔 编号 测压地点 所测 煤层 见煤点 标高 m 瓦斯压力 /MPa 1七二皮带P4退后26 m处 3下 -ID2216 2七二皮带4前34 m处 3下 2222 3七一皮带P15退后20 m处 3下 -4542231 4七一轨道G4前m处 3下 -4522242 5746施工道 3下 -4522232 1.1.2煤的坚固性系数煤的坚固性系数 经测定,3下煤层坚固性系数为2. 81 2. 79,大 于临界指标值2.9o 1.1.2煤的瓦斯放散初速度煤的瓦斯放散初速度 经测定，3下煤层瓦斯放散初速度为7.423 - 赵 梦1636,女,工程师,27402山东省泰安市。 7- 84 mmHy。从测定结果分析,3下煤层测定的最高 瓦斯放散初速度未超过临界指标值4 mmHuo 1.1.2煤样瓦斯吸附常数煤样瓦斯吸附常数 在一定煤储层压力条件下,煤的吸附能力决定了 煤层单位含气量的高低,煤储层吸附能力可通过煤的 吸附等温试验进行分析。煤的甲烷吸附常数采用压 力法测定,吸附试验恒温32 C，同等压力条件为2. 8 5-8 MPa,测试参数见表2o吸附常数a值为 4.429 m5/t,吸附常数6值为0.845 MPa-。等温吸 附曲线见图1o 表2瓦斯等温吸附常数及孔隙率测试结果 煤层 吸附常数 a /m3/t “MPa- 真密度 /t m3 视密度 /t m3 孔隙率 8下 14.40922595 1.232 〜 12242 3 199 〜 12229 2.274 〜 32235 E E 日 、 0 * 0 * 淼试底轡 图1 3下煤层瓦斯等温吸附曲线 从图1中可以明显看出当压力2 3 4 MPa时, 煤层吸附气呈现明显增加趋势，吸附量迅速增加至 9.43 m5/t；随着压力增大至3 4 3.0 MPa时，吸附 气逐渐增加，到达3- 4 MPa时，吸附量为10.42 m5/t。 228 赵梦田陈煤矿瓦斯赋存规律及预测研究2020年8月第8期 随后煤的吸附量基本达到饱和状态;压力增大至5 MPa时,煤层吸附气含量达到9. 88 m9/t。综合分析 说明3下煤层对瓦斯的吸附能力较弱。 m瓦斯含量瓦斯含量 3下煤层标咼-757 -783 m范围内测得的瓦 斯含量为9 031 -2.085 m9/t ,没有超过瓦斯抽放标 准瓦斯含量8皿9/。。测试结果见表3o 表3 3下煤层瓦斯含量测试结果 测孔 测压地点 见煤点吸附量游离量总含量 编号 测压地点 标高/m /m3/。/m3/。/m3/。 1七二皮带P4退后26 m处-78922995222961.031 2七二皮带P4前34 m处-7511.2140.0491.203 9七一皮带P15退后20 m处-7521.7800.0711.35 1 4七一轨道G14前2 m处-7522.1940.09122285 57502施工道-7522992 02矿井瓦斯等级矿井瓦斯等级 田陈煤矿瓦斯等级鉴定结果见表4o 表4矿区近年来矿井瓦斯等级鉴定结果 注2012年9月1日以后，根据煤矿安全规程2016版和 煤矿瓦斯等级鉴定办法，瓦斯矿井等级改称低瓦斯矿井” 年度批复文号 瓦斯 相对 涌出量 /m3/。/ 瓦斯 绝对 涌出量 pm3/ min 二氧化碳二氧化碳“4 相对 涌出量 /m3/t / 绝对 涌出量 m3/ min 矿井 瓦斯 等级 222 鲁煤安管 22621.2022894.04 瓦斯 [2012]180 号矿井 2014 鲁煤安管 22622.041.254.09 瓦斯 [20 14]297 号矿井 226 枣矿集团便字 [2012]141 号 0.491.341.015.35 低矿斯 矿井 228227222291.544.39 低矿斯 矿井 2018年度瓦斯鉴定报告显示瓦斯相对涌出量 最大为2i 72 m9/t ,瓦斯绝对涌出量最大为2. 29 m9/mig;二氧化碳相对涌出量最大为1.37 m9/t ,二氧 化碳绝对涌出量最大为4.34皿9/1込1。掘进工作面 瓦斯最大绝对涌出量为2. 29 m9/mig ,采煤工作面瓦 斯最大绝对涌出量为2i 74 m9mig[9]。根据2016年 9月1日起施行的煤矿安全规程2012版有关规 定,矿井相对瓦斯涌出量不大于9 m9/t ,矿井绝对瓦 斯涌出量不大于44 m9/mig ,且矿井任一掘进工作面 的绝对瓦斯涌出量不大于3 m9/mig ,矿井任一采煤 工作面绝对瓦斯涌出量均小于5 m9/mm,该矿确定 为低瓦斯矿井。 2矿井瓦斯赋存规律 2. 2瓦斯成分、含量瓦斯成分、含量 田陈煤矿1677年提交了山东省滕县煤田田陈 井田精查补充地质勘探报告，钻孔取样瓦斯成分及 含量如表5所示。由表5可知3上、3下煤层属二氧化 碳氧气带。 表5煤层瓦斯成分 2.2瓦斯赋存规律瓦斯赋存规律 煤层 编号 瓦斯含量/m3/t瓦斯成分/ CH-CO2CH-CO5 5上 7.074222291.450.20098295 5下 2228962229760.44 〜7. 65 〜8.14 〜 0.532 47.345 1228211. 996252 1 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响。矿井内 除了揭露极少数逆断层外,95以上均为正断层，尤 其是大型正断层破碎带较宽，有利于瓦斯逸散，所以 井田中绝大部分瓦斯逸散了出去，使得整个井田的瓦 斯含量与瓦斯的绝对、相对涌出量变得非常小。田陈 井田位于滕县煤田南部，总体上为西北高，东南低的 单斜构造。以断裂构造为主，仅发育次级褶曲。地层 沿走向和倾向皆有起伏，地层倾角为4 - 9,平均 9。左右,仅个别地段受构造影响达到25o整体上 来说，本区内由于受后期构造切割，围岩较为破碎，易 于瓦斯逸散，因此该矿区瓦斯涌出量、含量受断层和 褶曲影响，不易储存。 2 顶板岩性对瓦斯赋存的影响。目前矿井主 采3上和3下煤层,顶板基本为中细砂岩，局部有砂泥 岩的伪顶或直接顶。砂岩抗压强度高,抗拉强度低, 硬度大、质硬，易破裂且孔隙度大，裂隙发育,空隙率 高、透气性强,是瓦斯逸散通道,不利于瓦斯保存。 3 上覆基岩厚度对瓦斯赋存的影响。从井田 瓦斯分布来看，井田范围内瓦斯含量普遍较低，且规 律不明显。就覆基岩厚度对其影响而言，随着基岩厚 度增加，瓦斯相对涌出量略有增加。 4 水文地质条件对瓦斯赋存的影响。矿井3上 煤层和3下煤层的直接顶板大多为中细砂岩,煤层瓦 斯受顶板砂岩水的影响较大，不利于煤层瓦斯储集。 在北三采区左翼，因煤层顶板砂岩富水性差，以静储 量为主，煤层瓦斯受顶板砂岩水的影响较小，同时受 岩浆侵入影响较明显，表现为瓦斯涌出异常。 5 岩浆岩对瓦斯赋存的影响。田陈煤矿岩浆 岩活动主要分布在井田东南部,侵入层位自下而上有 本溪组、太原组、山西组，侵入形态以岩床、岩脉为主。 主要侵入3上、3下煤层,侵入煤层厚度一般为5.2-16 mo由于岩浆岩侵入，形成了大片天然焦区和煤焦混 和区,导致煤层变薄,灰分、硫分增高,煤质变差。 根据矿井实测资料分析,通过对北三采区上部 3下 392工作面瓦斯涌出量的分析发现，该地区受岩 浆侵入影响较大,表现为瓦斯涌出量骤然增大且距离 岩浆岩体越近，瓦斯涌出量越大表7o该地区煤层 229 总第 616 期现代矿业2020年8月第8期 均受到岩浆岩较大程度地直接侵入，使得该地区瓦斯 含量、涌出量略高于其他区域，表现为瓦斯异常。但 是由于侵入区受到石庄断层,Fo _1-,T15_1/,T15_2断层 及顶板岩性为中细砂岩的影响，大部分瓦斯逸散出 去,故岩浆岩对瓦斯含量的影响并没有很好地体现出 来。在实际开采过程中仅在北三采区上部0下 364工 作面发现瓦斯涌出异常。 表6工作面异常瓦斯涌出量统计 日期 CH7 浓度 / 风量 / m0 / min 抽采量 / m0 /min 日 产量 / 绝对瓦斯 涌出量 /m0/ min 相对瓦斯 涌出量 /m0/ 20017090015450167600850073 2001710001838019730.340061 20017110013470190500857.04 3矿井瓦斯与二氧化碳涌出量预测 33矿井涌出量来源矿井涌出量来源 本研究根据枣庄矿业集团有限责任公司田 陈煤矿2015年矿井瓦斯等级鉴定报告，对瓦斯和二 氧化碳的三区来源和采区来源进行分析。 3.1.4三区来源分析三区来源分析 4生产区。生产区绝对瓦斯涌出量为0.84 m5/min ,占全矿井绝对瓦斯涌出量的36. 40，二氧 化碳涌出量为1- 24 m5/min ,占全矿井绝对二氧化碳 涌出量的2743采煤工作面，其绝对 瓦斯涌出量为2.64 m5/min ,绝对二氧化碳涌出量为 9.47m0/min。生产区绝对瓦斯涌出量和绝对二氧化 碳涌出量的较大一部分来源于743采煤工作面。主 要原因是7123采煤工作面作为矿井的主要生产区， 开采强度明显强于323采煤工作面，开采过程中受采 动影响，煤层赋存的瓦斯得以释放。 2准备区。准备区绝对瓦斯涌出量为9.86 m5/min ,占全矿井绝对瓦斯涌出量的37.55。瓦斯 均来源于备用工作面和掘进工作面。掘进工作面中 570运输巷、7120运输巷和7115轨道巷的绝对瓦斯 涌出量最大，其涌出量为0.44 m5/min ,其次为570轨 道巷、7121运输巷的绝对瓦斯涌出量为9. 98 m5/min。备用工作面中,714备用工作面绝对瓦斯 涌出量为9. 50 m0/min ;7199备用工作面绝对瓦斯涌 出量为0.21 m5/min。593施工道、七二轨道下山和 七二运输下山为岩巷掘进，绝对瓦斯涌出量为9o准 备区绝对二氧化碳涌出量为0. 40 m5/min ,占全矿井 绝对二氧化碳涌出量42.09。二氧化碳均来源于 备用工作面和掘进工作面。掘进工作面中 503 轨道 巷绝对二氧化碳涌出量为9. 19 m5/min ;543施工道 绝对涌出量为9. 13 m5/min ,543运输巷绝对二氧化 碳涌出量为9. 20 m0/min ,741运输巷绝对二氧化碳 涌出量为9. 06 m5/min ,7n 5轨道巷和740运输巷 绝对二氧化碳涌出量为0.20 m5/min ,七二轨道下山 和七二运输下山绝对二氧化碳涌出量为0.17 m5/ min ;备用工作面中714备用工作面绝对二氧化碳涌 出量为9. 16 m0/min ,7199备用工作面绝对二氧化碳 涌出量为9. 14 m5/min。通过以上分析可知,地质构 造及煤层中的瓦斯含量对掘进工作面瓦斯涌出起着 主导作用。 3已采区。已采区绝对瓦斯涌出量为9.63 m5/min ,占全矿井绝对瓦斯涌出量的07. 50 ;绝对 二氧化碳涌出量为1- 07 m5/min ,占全矿井绝对二氧 化碳涌出量的38 34。已采区瓦斯、二氧化碳来源 于除了采煤工作面及掘进工作面之外的揭煤巷道、顶 底板裂隙及采空区遗煤。随着采场延伸，矿井采空区 及密闭越来越多,密闭巷道长时间受到挤压变形产生 裂隙，从而造成密闭内的有害气体沿裂隙溢出，这是 已采区瓦斯及二氧化碳绝对涌出的主要原因。没有 喷浆的暴露煤体中赋存的瓦斯及二氧化碳气体沿煤 壁裂隙自然涌出，也是已采区瓦斯及二氧化碳绝对涌 出量的重要来源。田陈煤矿开采时间较长，采空区范 围逐年增大，使得已采区绝对瓦斯和二氧化碳涌出量 所占比较高。 3.1.2采区来源分析采区来源分析 七一采区绝对瓦斯涌出量和绝对二氧化碳涌出 量最大，北三采区绝对瓦斯涌出量和绝对二氧化碳涌 出量次之,北五采区和七二采区绝对瓦斯涌出量和绝 对二氧化碳涌出量最小。原因如下 在进行瓦斯等级鉴定期间,七二采区布置2个岩 巷掘进工作面，七一采区布置1个采煤工作面、2个 备用工作面和0个掘进工作面，北五采区布置0个掘 进工作面，北三采区布置-个采煤工作面。鉴定期 间，七一采区月产煤量最大，采掘地点较其他采区多, 采掘强度相对于其他采区大，煤层赋存的瓦斯受采动 影响释放出来，使得该采区绝对瓦斯涌出量和绝对二 氧化碳涌出量较其他采区高。北三采区采掘作业点 个数少于七一采区，使得该采区绝对瓦斯涌出量和绝 对二氧化碳涌出量低于七一采区。而北五采区和七 二采区均未布置采煤工作面,采掘强度低,故北五采 区和七二采区绝对瓦斯涌出量和绝对二氧化碳涌出 量最低。 3.2瓦斯涌出影响因素瓦斯涌出影响因素 通过分析2015年瓦斯涌出量来源，煤矿瓦斯涌 出量主要受开采规模及采空区管理因素影响,其中采 煤工作面和掘进工作面个数，是瓦斯涌出的主要原 230 赵梦田陈煤矿瓦斯赋存规律及预测研究2222年 8月第 8期 因。 3.3瓦斯涌出量预测瓦斯涌出量预测 田陈煤矿北七采区回采工作面的实测绝对瓦斯 涌出量见表7o 表7北七采区实测绝对瓦斯涌出量 * 0.28 I 0.27 0.26 就 0.25 弊 0.24 g 0.23 fe 0.22 工作面日期 煤层埋深 m 绝对瓦斯涌出量 / j m3 / min 41262029624522224 41282215-634422225 41282211-128222224 41122010-584520.48 4112204694422222 41282018 644922226 41282018 664422225 本研究采用矿山统计法预测瓦斯涌出量,并获得 了瓦斯涌出量与煤层埋深的回归分析曲线，如图2所 示。 2720 740 760 780 800 820 煤层埋深/m 图2 3下煤层绝对瓦斯涌出量与煤层埋深回归曲线 如图2所示,该曲线反映了 3下煤层绝对瓦斯涌 出量与埋深的线性关系，相关系数0.47，说明北 七采区绝对瓦斯涌出量与煤层埋深有较好的相关性。 据此预测该煤层北七采区在540 854 m未采区域绝 对瓦斯涌出量与埋深的关系如表8所示。 经预测，开采3下煤层埋深854 m时绝对瓦斯涌 出量约325 m5/miv。今后需要注意的是，煤层瓦斯 含量在某一平面范围内不完全呈线性变化，常出现局 表8 3下煤层北七采区瓦斯涌出量预测值与埋深的关系 序号 层 煤 对 绝 测 预 序号 层 煤 对 绝 测 预 深 埋 量 出 涌 斯 瓦 深 埋 量 出 涌 斯 瓦 mm 1225425224982 22554426245 3 29 2 3 2261824228 29 4 2 4 2565828258251 部突变，开采过程中要加强煤层瓦斯含量监测，确保 安全生产。 3.4煤与瓦斯区域突出危险性预测煤与瓦斯区域突出危险性预测 根据田陈煤矿3下瓦斯参数测定结果，瓦斯放散 初速度为7- 465 - 7. 815 mmHg ,瓦斯压力0. 16 - 0. 42 MPa,坚固性系数0.81 - 0. 44,瓦斯含量为 1.031 2. 285 m5/t。各测试指标均未达到临界值, 因此，目前3下煤层无瓦斯突出危险性。 3.2矿井瓦斯类型评价矿井瓦斯类型评价 瓦斯类型分为简单、中等、复杂、极复杂2种，是 划分井工煤矿地质类型的重要依据之一。根据矿井 历年瓦斯鉴定及参数测试结果2下煤层瓦斯含量均 小于4 m8/t ,因此，本矿井开采3下煤层的瓦斯类型属 简单等类型。 4结语 测定了田陈煤矿瓦斯参数,讨论了该矿瓦斯赋存 规律，并进行了瓦斯预测，分析结果对于该矿瓦斯防 治以及安全开采有一定的参考价值。 参考文献 [1 ]杜文州.不同气体氛围下煤燃烧特性及综放采空区空间惰化技 术研究[D].青岛山东科技大学,2918. [2]曹国华，田富超,郝从娜.地质构造对寺河矿煤层瓦斯赋存规律 的影响分析煤炭工程,20993 54-69. [8]李浩威.姚家山5号煤层瓦斯赋存规律及层次分析法在瓦斯灾 害预测中的应用[D],徐州中国矿业大学,294. 收稿日期222263-69 -记者在线- 生态修复是满足人们美好生活的必然要求 建设美丽中国,为人民创造良好的生产和生活环 境。如今,我们要建设的现代化是人与自然和谐共生 的现代化,既要创造更多物质财富和精神财富以满足 人民日益增长的美好生活需要,也要提供更多优质生 态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要。 2218年4月，习近平总书记在中央城镇化工作 会议上满怀深情地说“要依托现有山水脉络等独特 风光,让城市融入大自然;让居民望得见山、看得见 水、记得住乡愁。” 建设绿色矿山和绿色矿业,修复废弃矿山生态, 重现秀美山川，是加强生态文明建设,建设美丽中国 的重要内容,是“让居民望得见山、看得见水、记得住 乡愁”的生动体现，也是满足人民日益增长的优美生 态环境需要的具体行动。 231