容易自燃煤層火成巖順層侵入?yún)^(qū)瓦斯涌出規(guī)律及防治實踐 　 　

大興礦??? 陳志平 　 　

摘 ? 要 ： 以大興煤礦南五采區(qū) 7 煤層為對象，通過煤樣試驗、現(xiàn)場實測結(jié)合理論分析火成巖順層侵入對煤層瓦斯賦存及涌出規(guī)律的影響， 并定量分析了該瓦斯地質(zhì)條件下綜采工作面的瓦斯涌出規(guī)律，對比分析不同瓦斯防治措施的效果，為同類型地質(zhì)條件瓦斯治理工作積累了經(jīng)驗。 　 　

關(guān)鍵詞 ： 火成巖；順層侵入；容易自燃；瓦斯賦存規(guī)律；瓦斯涌出 　 　

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鐵法煤田為一走向北北東向的斷坳式沉積盆地，大興井田位于鐵法煤田西南部的盆地中心，總體呈北北東向展布、東西狹窄的向斜盆地。井田內(nèi)構(gòu)造復雜，正斷層較發(fā)育、巖漿活動頻繁、發(fā)育一些伴生的短軸背、向斜構(gòu)造。含煤地層分上、下兩個含煤段，主要可采煤層 10 個。 大興煤礦為一設(shè)計生產(chǎn)能力 3Mt/a 的煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為 3.30Mt/a 。 到目前共發(fā)生過 10 次突出 ， 最大突出煤量 450t 、涌出瓦斯量 2.3 萬 m³ ， 2017 年測定礦井相對瓦斯涌出量 20.08m³/t ，絕對瓦斯涌出量 116.95m³/min 。開采層 煤自燃傾向性等級為 I 類容易自燃和 II 類自燃、煤塵具有爆炸性。多年開采實踐經(jīng)驗表明，突出、自然發(fā)火事故與火成巖構(gòu)造的發(fā)育和侵入關(guān)系密切。 　 　

火成巖 侵入影響后煤層結(jié)構(gòu)變得復雜、煤低溫耗氧自熱更強、煤層瓦斯壓力和含量實測均較原生煤異常增大、升高。 火成巖構(gòu)造對于煤層的破壞及瓦斯賦存條件的改變是 發(fā)生突出和自然發(fā)火的主要因素、也是制約生產(chǎn)的主要根源，且在生產(chǎn)實踐中瓦斯與內(nèi)因火災相互關(guān)聯(lián)，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。通過統(tǒng)計分析煤層瓦斯賦存規(guī)律及其涌出特征，選取“靶向”目標治理瓦斯方法，能有效地提升礦井生產(chǎn)能力、保障安全。 　 　

1? 試驗區(qū)概況 　 　

南五采區(qū)位于大興井田東南部，宏觀上為一單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造較復雜。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷層為主并伴有寬緩的褶曲，火成巖侵入嚴重、且無規(guī)律。侵入形式以巖床為主，巖墻次之。局部區(qū)域發(fā)育有陷落巖體。煤層以復合煤層為主，厚度變化大，結(jié)構(gòu)復雜，受火成巖侵入破壞影響局部形成天然焦。 　 　

目前主要開采上煤組、以 7-2 煤層為主要生產(chǎn)煤層，為不粘煤、氣煤?；鸪蓭r巖床侵入煤層后破壞其連續(xù)完整性將其一分為二，形成了 7-2 上煤層和 7-2 煤層。圍繞火成巖體的煤層發(fā)生漸次接觸熱變質(zhì)作用，表現(xiàn)為環(huán)帶狀分布的接觸變質(zhì)暈。地勘期間測得 7-2 煤層瓦斯含量為 0.55~13.77 m³/t·daf 。 生產(chǎn)期間在 -533m 、 -665m 標高分別測得瓦斯壓力為 0.56MPa 、 2.5MPa ；煤層瓦斯放散初速度 △ P=10~13.5 ；堅固性系數(shù) f=0.42~1.33 ，煤層以 Ⅰ ～ Ⅱ 類煤破壞類型為主，局部存在軟分層或軟煤，破壞類型為 Ⅵ ～ Ⅴ 類。該區(qū)北翼淺部 711 綜采面瓦斯涌出量為 70.42 m³/min 、其深部 719 綜采面瓦斯涌出量高達 90.29m³/min ；而南翼淺部 712 綜采面最大瓦斯涌出高達 　 120m³ 　 /min。712、719綜采面均因瓦斯涌出量大、回采進度慢而造成采空區(qū)自燃導致封閉綜采面；719綜采面改造掘進新運順時發(fā)生突出傷亡事故。711、717、719工作面傾斜方向位置見圖1。 　 　

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

圖 1? 南五采區(qū)傾向地質(zhì)剖面圖 　 　

2? 火成巖侵入對煤層開采安全的影響 　 　

當火成巖侵入煤層中時，除吞蝕部分煤層外，還造成煤質(zhì)、煤氧化性能、煤體物理力學性質(zhì)等的側(cè)向變化。 　 　

由表 1 煤樣實驗結(jié)果對比分析可發(fā)現(xiàn)，火成巖侵入過程中的高溫烘烤作用使煤體內(nèi)部水分受熱氣化造成變質(zhì)煤水分含量低于工作面正常煤；受火成巖侵蝕影響變質(zhì)煤的灰分含量高于正常煤；而變質(zhì)煤揮發(fā)分含量普遍低于正常煤?；鸪蓭r侵入煤層對提高煤的變質(zhì)程度具有明顯的提高作用。 　 　

表1? 煤樣工業(yè)分析實驗結(jié)果　　

通過兩種煤樣測定的孔隙率（表 1 ）對比可發(fā)現(xiàn)由于火成巖侵入過程中的高溫高壓作用促進了變質(zhì)煤中孔隙的發(fā)育， 使得其鄰近區(qū)域變質(zhì)煤的總孔容增加、孔徑（表 2 ）變大，增強了氣體滲容運移能力。 　 　

表 2? 煤的孔容及分布比例 　 　

由表 3 瓦斯參數(shù)測定結(jié)果對比分析可發(fā)現(xiàn)，受火成巖侵入影響煤受熱變質(zhì)后，吸附能力增強，且進一步生成瓦斯；侵入體造成煤體結(jié)構(gòu)的破壞，改變了煤體的物理力學性質(zhì)，煤層局部形成軟煤分層，煤的堅固性系數(shù)減小、煤層透氣性降低、煤放散瓦斯的能力增強；改造了煤巖體原有裂隙體系，阻塞和封閉原有的瓦斯通道，從而改變了瓦斯運移、賦存狀態(tài)，使煤層局部覆蓋或封閉區(qū)形成瓦斯富集，影響帶向周邊原生煤體存在較大的瓦斯運移勢能；巖漿侵入使局部含煤地層處于不均衡的應(yīng)力緊張狀態(tài)，影響帶邊緣受到額外的張應(yīng)力形成張性為主的裂隙，近巖體處煤層受到額外的壓應(yīng)力積蓄了彈性潛能。以上既是有利于瓦斯生成和富集的良好條件，也是瓦斯突出和異常涌出發(fā)生的基礎(chǔ)條件。 　 　

表 3? 煤層瓦斯參數(shù)實測結(jié)果 　 　

由表 4 實驗室測定不同變質(zhì)程度的煤樣自燃傾向性指標參數(shù)可以看出，原生煤與變質(zhì)煤均為Ⅰ類容易自燃煤層； 30 ℃煤的吸氧量表現(xiàn)為原生煤大于變質(zhì)煤；但在反應(yīng)溫度達到 70 ℃時，變質(zhì)煤對于氧氣的消耗速率大于原生煤；結(jié)合衡量溫升速率快慢的交叉點溫度指標，體現(xiàn)為變質(zhì)煤較原生煤加速氧化階段的氧化自燃特性更強烈；計算煤氧化動力學綜合指標判定指數(shù)表明火成巖侵入破壞使得變質(zhì)煤較原生煤具有更高的自然發(fā)火的風險。由圖 2 對比分析可以看出變質(zhì)煤較原生煤在低溫氧化階段標志性氣體產(chǎn)出溫度低，變現(xiàn)了變質(zhì)煤更易發(fā)火的實踐經(jīng)驗。 　 　

表 4? 煤樣自燃傾向性指標 　 　

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

圖 2? 煤的低溫氧化過程氣體產(chǎn)物變化曲線 　 　

在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，火成巖侵入影響區(qū)煤層瓦斯含量顯著增高、自然發(fā)火危險性大。表現(xiàn)為低透氣性煤層瓦斯難于預抽，在采掘落煤時瓦斯涌出量明顯增大、工作面推進速度慢、地質(zhì)和開采技術(shù)條件遺煤多、發(fā)育松動圈與氧氣的接觸時間長等。通過加大配風量稀釋落煤涌出瓦斯是主要有效措施，但同時也為防治自然發(fā)火提供了不利條件；機械切割或爆破松動火成巖侵入體由增加了外因火災風險。因此，在容易自燃煤層火成巖順層侵入?yún)^(qū)開采作業(yè)時，存在著嚴重的瓦斯、火災耦合災害風險，雙重災害關(guān)鍵在于瓦斯治理程度。 　 　

3? 瓦斯賦存規(guī)律 　 　

3.1 煤層瓦斯壓力 　 　

甲烷帶內(nèi)煤層的瓦斯壓力一般隨埋深的增加而增大，瓦斯壓力梯度因地質(zhì)條件而存在差異性，在地質(zhì)條件相近的地質(zhì)塊段內(nèi)，相同深度的同一煤層具有大體相同的瓦斯壓力，多數(shù)煤層瓦斯壓力隨埋深呈線性增加，可按下式推測煤層瓦斯壓力： 　 　

　 　 　 　 ?????????????????? ……式 1　　

式中： P 為埋深 H 處的煤層瓦斯壓力， MPa ；ω為瓦斯壓力梯度， MPa/m ； C 常數(shù)。 　 　

根據(jù)井下直接測定煤層瓦斯壓力值確定南五采區(qū) 7 煤層瓦斯壓力賦存規(guī)律為： 　 　

　 　 　 　 ?????????????????? ……式 2　　

3.2 煤層瓦斯含量 　 　

根據(jù)煤吸附瓦斯理論，煤層原始瓦斯含量也就是吸附和游離兩種狀態(tài)下瓦斯量的總和。實驗室測定煤的孔隙率、吸附常數(shù) a 和 b 值和煤的工業(yè)分析，根據(jù)已知規(guī)律推算煤層原始瓦斯壓力，利用朗格繆爾方程間接計算煤層瓦斯含量： 　 　

　 　 　 　 ??? ……式 3　　

式中： a 、 b 為吸附常數(shù)； P 瓦斯壓力， MPa ； M_ad 水分， % ； A_d 灰分， % ； F 孔隙率， % ； γ 視密度， t/m³ 。 　 　

根據(jù)測算南五采區(qū) 7 煤層瓦斯含量值繪制瓦斯含量與埋深關(guān)系曲線如圖 3 。 　 　

　 　 　 　 　 　 　 　

圖 3? 瓦斯含量與埋深關(guān)系曲線 　 　

由式 2 和圖 3 可以看出，煤層瓦斯壓力與含量整體隨埋深增加而增大，但根據(jù)地勘時期含量測定發(fā)現(xiàn)瓦斯含量存在異常增高，這主要是因為該處煤層火成巖侵入所致。 　 　

4? 瓦斯涌出規(guī)律 　 　

瓦斯涌出可分為緩慢、均勻、經(jīng)常性的普通涌出和突發(fā)、強烈的異常涌出。通過南五 711 、 712 、 717 和 719 四個工作面絕對瓦斯涌出情況實際觀測來看，在于火成巖相關(guān)的變質(zhì)煤區(qū)開采時瓦斯涌出量明顯增大、甚至發(fā)生突出事故，表明瓦斯涌出強度與火成巖體破壞地段也有較好的對應(yīng)性；在傾斜方向來看，瓦斯涌出與煤層埋藏深度有一定的正相關(guān)關(guān)系；隨著工作面推進，伴隨頂板的周期性活動，瓦斯涌出也呈現(xiàn)出周期性波動。 　 　

采用沈陽煤科院孫波等人總結(jié)的“利用工作面初次放頂定量分析瓦斯來源”分析方法 對工作面瓦斯涌出變化進行定量分析確定瓦斯涌出來源構(gòu)成，如表 5 、 6 。在近距離煤層群開采時，鄰近層卸壓瓦斯占主要來源比例，一般受采動影響卸壓后釋放到開采層采空區(qū)內(nèi)，隨圍巖來壓活動而滯后采煤工作面一定距離；本煤層瓦斯涌出是配風大小的主要依據(jù)，但隨配風量的增加會造成采空區(qū)內(nèi)瓦斯受漏風強度增加涌入采煤作業(yè)空間內(nèi)，增加了通風稀釋瓦斯壓力，并且對于內(nèi)因火災防治及其不利；上隅角作為采空區(qū)漏風匯點是瓦斯防治的重點區(qū)域，落煤期間瓦斯管理重點破落煤巖體時的新暴露煤壁瓦斯涌出。

表 5? 工作面瓦斯涌出來源構(gòu)成 　 　

表 6? 工作面瓦斯抽排量 　 　

火成巖床順煤層中部侵入后，煤層被分為不均勻的上下兩幅，開采下幅可以滿足產(chǎn)能需求，但上幅煤在冒落帶內(nèi)瓦斯易被漏風帶出，同時采空區(qū)內(nèi)容易形成松散遺煤對自然發(fā)火不利；開采上幅煤遺煤少，但產(chǎn)能小，同時火成巖床對于下幅煤瓦斯蓋儲作用形成較大的突出、瓦斯噴出的威脅。表 7 為南五 709 綜采工作面瓦斯涌出來源構(gòu)成，可見 7-2 上幅煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的 37.2% ，在風排量中的 48.6% 的瓦斯由 7-2 上幅煤層涌出，為瓦斯治理的重點對象。 　 　

表 7? 709 工作面瓦斯涌出來源構(gòu)成 　 　

如圖 4 ，在南五 709 回采過程中工作面遇到火成巖沿煤層底板侵入煤體時，揭露的構(gòu)造體向工作面涌入瓦斯，造成回風斷電中斷生產(chǎn)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在停產(chǎn)面風排瓦斯量增加 4m³/min 。與其同向推進的南五 903 掘進工作面在施工底板錨索時，鉆孔位于火成巖床體內(nèi)時發(fā)生瓦斯噴出，造成回風斷電中斷生產(chǎn)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)風排瓦斯量增加 4m³/min 。巖漿在侵入過程中，破壞地層同時也在冷卻收縮易形成賦存瓦斯的裂隙，巖床下煤層受熱烘烤作用，瓦斯向上運移、富集在多孔的火成巖床內(nèi)，采煤和打鉆作業(yè)破壞了蓋儲條件，對瓦斯富集區(qū)形成“天窗”出口，從而瓦斯大量異常涌出。 　 　

　 　 　 　

圖 4? 火成巖床體內(nèi)蓋儲瓦斯異常涌出示意圖 　 　

5? 治理措施 　 　

在煤層開采設(shè)計階段要對煤層原始狀態(tài)瓦斯涌出情況進行評估，合理布置瓦斯抽采工程和確定瓦斯抽采時間，就容易自燃煤層火成巖順層侵入?yún)^(qū)開采 瓦斯、火災耦合災害而言，瓦斯是主導因素。因此采取鉆孔預抽開采區(qū)域煤層瓦斯，底板瓦斯道施工穿層預抽鉆孔，可以預抽煤層及近距離煤層群瓦斯，回采時還可以作為抽采鄰近層卸壓瓦斯的主動措施，尤其在南五采區(qū) 7 煤層火成巖床分幅條件下，更能有效控制上幅煤瓦斯，彌補順層鉆孔不足。鄰近層卸壓瓦斯主要涌入開采層采空區(qū)，并且瓦斯在漏風影響下，趨向于上隅角匯聚，通過在頂板冒落帶上邊緣布置內(nèi)錯式瓦斯道，可以實現(xiàn)這部分瓦斯控制，并且其穩(wěn)定性和抽放能力較鉆孔抽采法更明顯。 　 　

通風稀釋瓦斯主要是針對落煤時瓦斯涌出，因此對于本煤層瓦斯易采取采前預抽、采動區(qū)邊采邊抽盡量來控制，確保工作面有效推進，當推進度大于采空區(qū)氧化帶內(nèi)煤的自燃發(fā)火期時基本消除遺煤自燃風險。配風量的合理降低，不但能減少漏風排放采空區(qū)瓦斯，同時對于防火也是一項主要措施。充填隅角空間，既冷卻降溫，又封堵漏風通道。 　 　

6? 結(jié)語 　 　

（ 1 ）開展好瓦斯涌出預測和瓦斯涌出來源定量分析的基礎(chǔ)工作，可為通風和抽采瓦斯決策提供依據(jù)。 　 　

（ 2 ）火成巖侵入煤巖體后會造成瓦斯賦存異常，存在富集瓦斯的煤層區(qū)或巖層區(qū)，且煤層突出危險性更嚴重，瓦斯異常涌出與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)，采用瓦斯地質(zhì)分析手段與超前鉆孔探測相結(jié)合的方法能夠及時發(fā)現(xiàn)瓦斯地質(zhì)異常地帶，在進行采掘活動時采取“靶向”瓦斯治理措施，可保障礦井安全生產(chǎn)。 　 　

（ 3 ）穿層鉆孔預抽近距離煤層群瓦斯，能有效控制上幅煤瓦斯涌入采煤空間。 　 　

（ 4 ）頂板瓦斯道抽采采空區(qū)內(nèi)瓦斯，具有高效、穩(wěn)定、可靠特點。 　 　

（ 5 ）火成巖侵入?yún)^(qū)采煤工作面瓦斯治理和火災防治是耦合相輔的，要作為統(tǒng)一整體來考慮，同時災害治理工作要從三維立體開展。 　 　

（ 6 ）本區(qū)瓦斯治理實踐可為類似條件的采掘工作面借鑒。 　 　

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參考文獻： 　 　

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作者簡介： 陳志平( 1982- ) ， 男，工程師。 2006 年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學安全工程專業(yè)，現(xiàn)在鐵煤集團大興煤礦從事煤礦“一通三防”技術(shù)與管理工作。聯(lián)系電話： 13591619192 。