龍山煤礦瓦斯治理技術研究技術報告

1、.龍山煤礦瓦斯治理技術研究技術報告目 錄礦 區(qū) 概 況4一、礦井基本概況：4二、礦區(qū)生產(chǎn)礦井開采及瓦斯概況5礦區(qū)瓦斯分布特征7一、煤層瓦斯資料及其評價7二、瓦斯風化帶10三、瓦斯分布特征11影響瓦斯分布的主要地質因素14一、地質構造控制14二、煤層埋藏深度15三、煤層特征173、煤的變質程度184、水文地質條件215、 巖漿活動22煤與瓦斯突出特征與機理24一、煤與瓦斯突出的特征24瓦斯治理技術28一、瓦斯治理技術現(xiàn)狀28二、煤與瓦斯突出預測技術29結 論 與 建 議36礦 區(qū) 概 況一、礦井基本概況：龍山煤業(yè)公司位于河南省安陽縣水冶鎮(zhèn)南約6Km處，南距鶴壁市17Km，井田東起F165斷層，西

2、至F303斷層。南以煤層露頭和老窯開采為界，北部以煤層底板等高線為界。井田走向長3.68Km，傾斜寬2.65Km，面積5.1378Km2。安陽鑫龍煤業(yè)集團龍山煤業(yè)公司由安陽礦務局龍山煤礦于2006年7月改制而成。始建于1969年，1978年簡易投產(chǎn)。 本礦井主采煤層為二1煤層，平均厚度為46米，傾角為7°28°；煤塵爆炸指數(shù)最高為9.04%，為無爆炸危險性煤層；煤自燃傾向性為三類不易自燃。根據(jù)2008年瓦斯等級鑒定結果，龍山煤礦為煤與瓦斯突出礦井，相對瓦斯涌出量為25.73m3/t，絕對瓦斯涌出量為18.76m3/min。煤層的透氣性系數(shù)為2.928.36m2/Mpa

3、83;d，煤層的瓦斯壓力為0.671.89Mpa。礦井水文地質簡單，正常涌水量180m3/h。最大涌水量300m3/h，目前礦井實際涌水量100m3/h。龍山公司是單水平反斜井上下山開采，開采水平為-220m。目前井下共布置4個采區(qū)，11、23采區(qū)為生產(chǎn)采區(qū)，21、25采區(qū)為接替采區(qū)，采煤方法為走向長壁傾斜采煤法，回采工藝為炮采。圖 2-1 交通位置圖二、礦區(qū)生產(chǎn)礦井開采及瓦斯概況1、礦區(qū)生產(chǎn)礦井開采概況安陽鑫龍煤業(yè)集團龍山礦開采主要依據(jù)河南省安陽煤田天喜鎮(zhèn)井田地質精查報告，始建于1968年，1978年12月建成投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力50萬噸/年，設計服務年限68年。目前實際生產(chǎn)能力為40萬噸/年

4、。礦井開采二1煤層，煤類為無煙煤。礦井采用斜井開拓，走向長壁采煤法，放炮落煤，全部垮落法頂板管理。開采水平-220m，最大采深500m。自建礦以來累計開采了457.3萬噸，礦山平均回采率為75。通風方式為分區(qū)獨立通風，主副斜井進風，天喜鎮(zhèn)風井和馮家洞風井回風。礦井開采正常涌水量為150200m3/h。2、生產(chǎn)礦井瓦斯情況目前，安陽鑫龍煤業(yè)（集團）所屬礦井均為煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井，瓦斯參數(shù)、突出情況及礦井等級如表2-2。目前各礦均建成有井下瓦斯抽放系統(tǒng)，井下瓦斯抽放系統(tǒng)運行正常，2007年集團公司共抽放純瓦斯847萬m3。 表2-2 礦井瓦斯情況一覽表礦名礦井位置瓦斯含量瓦斯遞增率瓦斯相

5、對涌出量瓦斯絕對涌出量瓦斯壓力瓦斯壓力梯度Pf煤體結構礦井瓦斯等 級是否發(fā)生過重大事故龍山煤礦安陽市龍安區(qū)17.56 m3/t1.43 m3/t/100m32.08 m3/t.d27.44m3/min0.671.89（平均為1.004）0.47（-500標高以淺）380.98、突 出發(fā)生過煤與瓦斯突出事故礦區(qū)瓦斯分布特征一、煤層瓦斯資料及其評價瓦斯含量測試方法瓦斯含量測試方法有三種：真空罐、集氣式和解吸法。（1）真空罐法工作原理是利用煤芯管上下兩端的結構，將含有瓦斯的煤芯的孔底嚴密封閉在煤芯管內。鉆具提至地面后，卸下已裝有煤芯的煤芯管，送到實驗室進行脫氣，得出煤層甲烷含量。（2）集氣式工作原理

6、是在普通煤芯采取器的上部安裝帶閥門的集氣室，收集提鉆過程中煤芯泄出的瓦斯。鉆具提至地面后，卸下已裝有瓦斯及煤芯的帶集氣室的取樣器保持密閉狀態(tài)送到實驗室進行脫氣，得出煤層甲烷含量。（3）解吸法解吸法主要優(yōu)越之處是由專用儀器在孔內采樣，改為利用普通煤芯管在孔底鉆取煤芯，當煤芯提升至孔口后，裝入密封罐。這樣既減少了鉆孔采樣的困難、提高了含量測定成功率，又不影響正常施工鉆進。該方法自1973年起在美國得到廣泛應用，撫順分院在19781981年期間經(jīng)過在我國一些煤田試驗后，改進了測定所用的儀器和工具，并已形成部標，在我國廣泛應用。當采用該法測定煤層甲烷含量時，由于煤樣裝罐前，氣體已經(jīng)損失，利用裝罐后所測

7、定的煤層甲烷解吸規(guī)律和煤樣暴露時間推算損失氣體量是該方法的關鍵。具體測定步驟如下：(1) 采樣用普通煤芯管采取煤芯，當煤芯提到地表后，先取煤樣300400g，立即放進密封罐中。在采樣過程中，標定提升煤芯和煤樣在空氣中的暴露時間。(2) 氣體解吸規(guī)律測定煤樣裝罐后與氣體解吸速度測定儀連接，測定煤層甲烷解吸量與時間的關系。測定2h后，將裝有煤樣的煤樣罐送到試驗室進行脫氣和氣體分析。(3) 損失氣體量的計算損失氣體量的計算是按經(jīng)驗公式近似計算的，即該法未考慮煤芯在鉆孔和空氣中解吸規(guī)律的差異，且煤樣在鉆孔中解吸的時間未準確確定，因此計算的損失氣體量僅是估算。其具體方法是，煤樣從提鉆至地面解吸測定初期1

8、012min以內，由解吸儀測定的解吸量與暴露時間的平方根近似成正比。存在如下關系（見式6-1） （6-1）式中：Q煤樣暴露時起至解吸測定時間為(t0+t)時的氣體解吸總量，ml；t0煤樣在解吸測定前的暴露時間，min；t0+t2；t1煤樣在鉆孔內提鉆時間，min；t2煤樣在地表解吸測定前的暴露時間，min；t煤樣解吸測定時間，min；a、b待定系數(shù)，可以根據(jù)最小二乘法求出。a值即為所求的損失氣體量。(4) 煤樣殘存氣體含量測定及氣體成份分析將經(jīng)過解吸測定的煤樣，在密封狀態(tài)下盡快送到試驗室進行加熱脫氣，首次脫氣完后將煤樣粉碎，再進行一次脫氣。每次脫出氣體后進行氣體組份分析。脫氣過程在撫順分院研制

9、的FH-4型脫氣儀上進行。殘存氣體含量的測定方法同樣適用于井下解吸法測定煤層甲烷含量殘存量和礦井甲烷涌出量預測中測定采落煤炭中的殘存量。(5)煤層甲烷含量計算煤層甲烷含量是上述各程序放出的氣體量之和同煤樣重量的比值。即：W=(Q1+Q2+Q3+Q4)÷G （6-2）式中：W煤層甲烷原始含量，ml/g；Q1煤樣解吸測定過程累計解吸的氣體體積，ml；Q2推算出的氣體損失量，ml；Q3煤樣粉碎前的脫出氣體量，ml；Q4煤樣粉碎后脫出的氣體量，ml；G煤樣重量，g。地勘鉆孔解吸法在我國應用以來，經(jīng)在淮南、淮北、鐵法、陽泉和焦作等礦區(qū)用間接法和實測涌出量反推法驗證，該方法的測定結果偏小10%2

10、5%。且有鉆孔越深、煤越粉碎、偏差越大。究其原因主要是由損失氣體量估算產(chǎn)生誤差過大。在損失氣體量計算中，除該法未考慮煤芯在鉆孔和空氣中解吸規(guī)律的差異及煤樣在鉆孔中解吸的開始時間未準確確定外，另一個重要原因是采用t式造成的。目前我國的煤田鉆具提鉆速度大部分均小于20m/min，500m孔深提鉆時間要超過25min，若地面裝罐前時間為3min，解吸測定6個點要12min，這樣用t式計算時，要求在25÷2+3+12=27.5min，呈直線式。瓦斯含量評價和校正由于勘探時期的不同，勘探單位所采取的測試方法也不盡相同。為保證資料的可靠性，并使各種方法的測試結果之間具有可比性，有必要對收集到的地

11、質勘探期間鉆孔瓦斯含量進行評價和校正。凡屬于下列情況的鉆孔煤層瓦斯資料，認為不可靠，棄而不用。（1）瓦斯成分百分比之和大于105%及小于80%的數(shù)據(jù)。（2）根據(jù)瓦斯含量算出的甲烷百分比與實測瓦斯成分之中的甲烷百分比之差大于20%的數(shù)據(jù)。（3）評價為“不合格”、“不采用”、“漏氣”、“灰分過高”、“氧超限”、“煤樣超重”、“廢”； 備注為“未利用”的數(shù)據(jù)。（4）無“煤層埋深”、或“水分”、或“灰分”數(shù)據(jù)，而不能得到應有校正的數(shù)據(jù)。瓦斯含量的測試結果受測試方法和采樣深度的影響，故地質勘探階段的瓦斯含量，為使其更接近于真實值，根據(jù)其測試方法特點和采樣深度，均采取一定的校正系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，真空罐和集氣式

12、方法測得的瓦斯含量較解吸法大約偏低30%和20%；當埋藏深度大于500m后，由于樣品暴露時間較長，測得的瓦斯含量大約偏低20%。據(jù)此制定校正原則為：真空罐和集氣式測試的瓦斯含量分別乘以1.3和1.2，解吸法乘以1，當深度大于500m時，各種測試方法獲得的瓦斯含量均再乘以1.2，見表61。各種測試方法測得的均為可燃基瓦斯含量，而原煤的瓦斯含量要考慮水分和灰分的影響，所以有必要進行水分和灰分的校正，把可燃基瓦斯含量換算為原煤瓦斯含量。校正公式如下： （6-3）式中：V原煤瓦斯含量，ml/g；Vdaf可燃基瓦斯含量，ml/g；A煤中灰分，無鉆孔灰分資料時，取井田煤層平均灰分，%；M煤中水分，無鉆孔水

13、分資料時，取井田煤層平均水分，%；表6-1 校正原則一覽表采樣方法校正系數(shù)500m以淺500m以深真空灌1.31.3×1.2集氣式1.21.2×1.2解吸法11×1.2校正后數(shù)據(jù)見附件一（表6-2）。二、瓦斯風化帶據(jù)煤炭資源地質勘探規(guī)范（1985年修訂稿）中的分帶標準：CO2N2帶：CH4成分10%；N2CH4帶：CH4成分1080%，CO220%；CH4帶：CH4成分80%，CO2含量20%。以CH4成分80%作為煤層瓦斯風化帶的分界線，瓦斯風化帶主要分布在煤田淺部地段，形態(tài)和煤層露頭大體一致。安陽礦區(qū)北部二1煤層甲烷逸散條件較好，二1煤瓦斯風化帶沿標高-75m

14、煤層底板等高線擺動。礦區(qū)中部煤層露頭大部分為第三系粘土層覆蓋，且構造復雜，多為壓性、壓扭性正斷層，甲烷逸散條件相對較差，二1煤層都處在甲烷帶內。根據(jù)各礦井地質報告，主焦礦F12斷層以淺為風化帶，以深應為CH4 帶；紅嶺礦F30斷層以淺為風化帶，以深應為CH4 帶；龍山礦+25m以淺為風化帶，以深為CH4帶；大眾礦二1煤層埋深250m850m，瓦斯成分CH4兩極值為86.9097.18%，平均含量為92.83%，CO2平均3.90%、N2平均為3.28%，均為沼氣帶。 三、瓦斯分布特征經(jīng)過評價和校正，安陽礦區(qū)共有合格的鉆孔煤層瓦斯樣72個，目前所開采的均為二1煤層。煤層瓦斯的總體分布情況如表63

15、。由表6-3可以看出：龍山、大眾2個井田主采煤層瓦斯含量最高，平均在14m3/t以上；其次為彰武-倫掌及龍宮2個深部開發(fā)區(qū)，其二1煤層瓦斯含量次之，平均值在12.91m3/t和15.09m3/t；紅嶺主采煤層瓦斯含量較低，平均值為7.67m3/t。上述只是對各井田煤層瓦斯情況的總體進行了評價，而對于不同礦井，由于地質條件各異，導致其瓦斯分布的局部差異。表6-3 安陽礦區(qū)鉆孔煤層瓦斯資料一覽表序號井田鉆孔數(shù)最大值/m3/t平均值/m3/t埋深/m平均埋深/m1紅嶺1314.297.67321.54646.19518.582主焦511.617.18567.79649.6620.353彰武-倫掌53

16、7.1515.09155.111195.96872.574龍宮勘探區(qū)1927.2912.91514.79858.72694.625龍山827.8517.56149.51686.51478.066大眾734.2814.28303.16576.78433.717北善應414.149.15205.04285.92253.83 通過對安陽礦區(qū)主采煤層二1煤瓦斯資料分析研究，其瓦斯分布特征（圖6-1）主要表現(xiàn)在： 南北呈條帶狀分布。從西向東由淺部至深部，瓦斯含量整體呈現(xiàn)沿煤層傾向，隨煤層埋深增加而增高的趨勢；煤層瓦斯風化帶下界至埋深750m范圍內，瓦斯含量變化梯度為3.42m3/t/100m；埋深750

17、1200m范圍內，瓦斯含量變化梯度則為1.42m3/t/100m，即深部瓦斯含量增幅較小，淺部瓦斯含量增幅相對較大。 三個構造小區(qū)從北到南，瓦斯含量由低到高。從最北部的（F1斷層以北構造小區(qū)）主焦、紅嶺至中部（F1F174構造小區(qū)）的大眾再到最南部（F174以南構造小區(qū)）的龍山煤礦，其瓦斯含量平均值分別由6.74 m3/t、8.36m3/t、12.81 m3/t和15.46m3/t。 向斜構造的翼部、仰起端瓦斯含量相對較高，而核部及接近核部瓦斯含量相對較低。如礦區(qū)南部龍山礦，煤層底板標高同為-500±，向斜翼部CK30鉆孔瓦斯含量為27.85m3/t，而位于核部的CK22的鉆孔瓦斯含

18、量為20.65m3/t；同樣，煤層底板標高同為-300±處，向斜翼部CK24鉆孔瓦斯含量為18.93 m3/t，而接近核部的CK5為13.24 m3/t。又如，龍山瓦斯遞增率為1.43 m3/t/hm，處于±0的CK7鉆孔瓦斯含量為13.24 m3/t，處于-150的CK8為13.37m3/t，處于-200的CK9為9.63m3/t，處于-350的CK5為14.42m3/t。 斷層附近瓦斯涌出量變化較大。如礦區(qū)南部龍山井田，在F303斷層（斷距為140m）的東翼的三個工作面依次為11041、11061、11081，其瓦斯相對涌出量分別為10.61m3/t、18.02 m3/

19、t、11.99 m3/t，在距斷層約300m時涌出量出現(xiàn)峰值；礦區(qū)中部的大眾井田：1995年8月揭露F101斷層，巷道與斷層垂直相交，掘進巷道距斷層186米范圍出現(xiàn)峰值內（12 m3/t），距斷層65米出現(xiàn)峰谷（3.5 m3/t）；在礦區(qū)北部紅嶺：08年11月F5101斷層，落差5.6米，距50米時出現(xiàn)涌出峰值。 圖6-1安陽礦區(qū)瓦斯地質圖影響瓦斯分布的主要地質因素煤層瓦斯主要以吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)賦存于煤層中，二者在一定溫壓條件下保持動態(tài)平衡。煤層瓦斯含量的多少是煤層瓦斯生成量及保存條件共同作用的結果。B·A·烏斯別斯基根據(jù)地球化學與煤化作用反應物與生成物平衡原理，計算出各

20、煤化階段的煤生成的甲烷量，如表7-1所示。表7-1 各煤化階段的煤生成的甲烷量煤 階褐煤長焰煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤生氣量 （m3/t）68168212229270287333419階段生氣量（m3/t）100441741174686由表7-1可見，肥煤階段已經(jīng)能夠生成足夠的甲烷量，而安陽各煤礦主采煤層為中、高變質煤，故其含氣量主要取決于保存條件。綜合分析安陽礦區(qū)瓦斯地質條件，影響煤層瓦斯賦存的主要地質因素有地質構造、煤層埋藏深度、煤的變質程度、煤層厚度及其變化、圍巖類型及破碎程度、地下水活動、巖漿巖等。一、地質構造控制從廣義上講，地質構造因素直接或間接控制著從含煤地層形成至煤層瓦斯生成聚

21、集過程中的每個環(huán)節(jié)，是所有地質因素中最為重要和直接的控氣因素。在聚煤期，構造控制著含煤地層和煤層發(fā)育的特征，在聚煤期后，構造特征及其演化通過對瓦斯地質條件的改變，不僅對煤層瓦斯的生成、賦存產(chǎn)生影響，而且直接控制煤層瓦斯的運移、聚集、保存特征，從而決定著煤層瓦斯的分布規(guī)律。位于F1斷層以北構造小區(qū)內的紅嶺、主焦兩煤礦瓦斯較低，瓦斯含量最大值14.29 m3/t，平均7.4m3/t；因為該區(qū)總體是一個地壘構造，地層抬升使煤層埋藏深度變淺；區(qū)內NNE向正斷層密集發(fā)育，盡管從目前來看，這些斷層均屬壓性、壓扭性正斷層（這是由于喜山期構造應力為NEE向所導致），但在燕山晚期形成時屬張性，其間使瓦斯部分散失

22、，導致瓦斯含量較低。位于F1斷層以南兩個構造小區(qū)內的龍山和大眾兩煤礦都處于不同斷層所構成的地塹內，瓦斯含量相對較高。龍山礦瓦斯含量最大值27.85 m3/t，平均17.56 m3/t；大眾礦最大值34.28 m3/t，平均14.28 m3/t。同時龍山礦受龍山向斜、馮家垌背斜控制，大眾礦受銅冶背向斜與安林向斜控制，造成瓦斯分布不均衡，在褶皺轉折端瓦斯含量較高，這是因為在封閉的條件下，瓦斯向上運移的結果。區(qū)內發(fā)育的斷裂多屬正斷層，由于喜山期構造應力方向為NEE，現(xiàn)代應力方向為SE向，使斷層性質轉變?yōu)閴盒曰驂号ば?，封閉瓦斯逸散通道，有利于瓦斯保存。斷裂附近煤層由于受到構造應力的作用，原生結構被破壞

23、形成軟煤（構造煤），增強吸附瓦斯能力，減弱抵抗瓦斯壓力助力，形成遇斷層瓦斯含量和涌出量增高的現(xiàn)象。 煤層傾角變化對瓦斯賦存也有影響。在其它條件近似，煤層圍巖封閉條件較好的情況下，一般傾角平緩的煤層所含的瓦斯量較傾角陡的煤層要大。這是因為前者的瓦斯運移路線長，所受阻力大，去氣難，后者，則相反。如龍山向斜，其北西翼，傾角一般在4°15°，瓦斯含量相對較高；南東翼傾角一般在14°28°，瓦斯含量相對較低。 二、煤層埋藏深度在瓦斯風化帶以下，煤的瓦斯含量、涌出量隨著深度加深而有規(guī)律的增加。從瓦斯含量等值線圖上可以看出，礦區(qū)內瓦斯含量與埋藏深度密切相關。從整體趨勢

24、看，瓦斯含量總體呈現(xiàn)由西向東沿煤層傾向，隨煤層埋深增加而增高。并且隨著標高絕對值的增加，相對瓦斯涌出量也在增加，見圖7-1。一般地，隨著埋深的增加瓦斯含量隨之增高，兩者呈正相關關系（見圖7-2，圖7-3）。但不完全是線性關系(圖7-4)，隨著煤層埋藏深度增加，地壓增加，封閉條件相對變好，煤的甲烷吸附能力變強，游離瓦斯向吸附瓦斯轉化，使大量氣體保存下來，但到一定深度，煤層密度加大，孔隙減少，氣體滲透率下降，瓦斯含量的增長幅度減弱，逐漸趨于平穩(wěn)。 在研究區(qū)內，根據(jù)統(tǒng)計對72個鉆孔數(shù)據(jù)進行計算，煤層瓦斯風化帶下界至埋深750m范圍內，瓦斯含量變化梯度為3.42m3/t/100m；埋深7501200m

25、范圍內，瓦斯含量變化梯度則為1.42m3/t/100m，即深部瓦斯含量增幅較小，淺部瓦斯含量增幅相對較大。圖7-1 龍山煤礦二1煤層底板標高與瓦斯相對涌出量趨勢圖圖7-2 龍山井田煤層底板標高與瓦斯含量趨勢圖圖 7-3 二1煤瓦斯含量變化梯度示意圖圖7-4 安陽礦區(qū)二1煤層甲烷含量變化趨勢圖 三、煤層特征1、 煤層頂?shù)装迕簩訃鷰r主要指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度范圍的層段。煤層的頂?shù)装鍘r性決定于成煤泥炭沼澤發(fā)育的背景和泥炭層形成后掩埋沉積物的環(huán)境。煤層頂?shù)装宸忾]條件是控制煤層甲烷含量的主要因素之一。據(jù)長慶石油勘探研究院研究結果，在裂隙不發(fā)育的條件下，泥質含量大于40%的泥巖和泥質

26、粉砂巖的巖體滲透率變化范圍為10-410-6mD，滲透性極差。研究區(qū)內二1煤層頂板為泥巖、砂質泥巖或泥巖夾粉砂巖，厚度一般0.515m，節(jié)理、裂隙均不發(fā)育，滲透系數(shù)遠遠小于0.001m/d，具有較好的隔氣阻水性能。二1煤層底板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖互層，以泥巖、砂質泥巖為主，厚度達3050m，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，滲透性差，滲透系數(shù)遠小于0.001m/d，阻水隔氣性能極佳。二1煤層的直接頂?shù)装宥紝俑魵庾杷?，具有良好的封閉性，有利于煤層瓦斯氣體的富集。 2、煤層厚度根據(jù)菲克定律和質量平衡原理建立的煤層甲烷擴散的數(shù)學模型可知，在其他初始條件相似的情況下，煤儲層厚度越大，達到中值濃度或擴散終止所

27、需時間就越長。進一步分析可知，煤儲層本身就是一種高度致密的低滲透性巖層，上部分層和下部分層對中部分層有封蓋作用，煤儲層厚度越大，中部分層煤層瓦斯向頂?shù)装鍞U散的路徑就越長，擴散阻力就越大，對煤層瓦斯的保存越有利。本區(qū)主采二1煤層層位穩(wěn)定，煤厚0.5614.49，平均6.95，屬全區(qū)可采的中厚厚煤層。大部分含夾矸12層，結構簡單，唯紅嶺井田夾矸15層，結構較復雜。煤層厚度整體呈現(xiàn)北西薄南東厚的變化規(guī)律，煤層瓦斯含量也隨之呈現(xiàn)規(guī)律性的變化北西部的主焦、紅嶺至南東部的龍山煤礦，瓦斯含量在增加，同時也加大了煤與瓦斯突出的危險性。從圖7-5圖7-10 可以看出：整體趨勢是隨著煤層厚度的增加瓦斯含量也在增加

28、，盡管大眾規(guī)律不是很明顯（原因可能是由于受地塹式向斜構造影響，煤體結構破碎，瓦斯重新分布不均衡所造成），但不違背整體趨勢。3、煤的變質程度煤的變質程度是決定煤層甲烷生成、儲集的主導因素。煤的變質程度控制著煤層甲烷的生成量，也是煤內部分子結構、微組分的變化過程，從而影響煤層甲烷含量。本區(qū)主要為高變質煙煤無煙煤，煤化程度高，有較大的生氣量，煤中微孔隙發(fā)育，對甲烷吸附能力強。因此，全區(qū)主采二1煤層瓦斯含量普遍較高。通過對研究區(qū)內數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可知，在中高變質階段，隨著煤變質程度的增高，鏡質組和絲質組成分在煤中所占比例愈大。在高變質階段，煤中甲烷含量主要取決于鏡質組在煤中所占比例，即鏡質組比例越大，

29、煤中甲烷含量就越大。見表7-4，以及圖7-11、圖7-12。表7-4 煤巖組分與瓦斯含量表煤種鏡質組惰質組殼質組原煤瓦斯含量JM65.9617.545.756.74SM6619.93.47.67WY76.1816.690.3311.71圖7-11 煤變質程度與煤巖組分關系圖圖7-12 煤變質程度與原煤瓦斯含量關系圖瓦斯主要是煤變質作用的產(chǎn)物，隨著煤的變質程度增高，瓦斯含量與變質程度成正比關系變化。見表7-5，圖7-13。由此可以看出，在圍巖等條件無大的改變之情況下，研究區(qū)內由北向南隨著煤變質程度的增加，瓦斯含量整體呈現(xiàn)加大的趨勢。表7-5 不同變質階段的瓦斯含量煤類揮發(fā)份Vdaf(%)瓦斯含量

30、(m3/t)JM21.326.74SM20.3167.67PM10.9111.71WY6.99517.56圖7-13 不同煤種瓦斯含量變化示意圖4、水文地質條件通過對安陽礦區(qū)礦井涌水量和瓦斯相對涌出量的資料分析統(tǒng)計，繪出了安陽礦區(qū)相對瓦斯涌出量與涌水量關系圖（見表7-6，圖7-14）。從圖7-14可以看出，一般情況下，涌水量大，瓦斯涌出量小。由此可以得出一個明顯的規(guī)律是：含水豐度大，則含氣豐度小。但就龍山煤礦而言，這一規(guī)律表現(xiàn)的不是很明顯。龍山煤礦現(xiàn)開采二1煤層，礦井充水水源主要為二1煤層頂板砂巖水，多以淋水、滴水為主，水量較小，全礦建井至今除頂板淋水外，共發(fā)生頂板突水6次，其水量3-55 m

31、3/h，宜于疏干。礦井正常涌水量多年來一直保持在150 m3/h，最大時也僅為200m3/h，隨開采深度增加，礦井涌水量增加不明顯。表7-6 安陽礦區(qū)瓦斯相對涌出量與礦井涌水量礦名瓦斯涌出量涌水量紅嶺18.9780主焦11.59120大眾1580銅冶12.7220果園12.9980龍山32.08150圖7-14 安陽礦區(qū)相對瓦斯涌出量與涌水量關系圖5、 巖漿活動深成變質作用通常是一個地區(qū)煤化作用的主要營力，但巖漿熱作用的影響也不能忽視，特別在巖漿活動強烈的地區(qū)，巖漿熱作用對煤的變質程度可有很大影響。大量研究表明，巖漿侵入對煤層含氣性具有雙重作用。（1）改善煤層含氣性、增加氣含量巖漿侵入的熱作用

32、一方面促使煤層進一步熱演化和煤層甲烷的進一步生成，為煤層甲烷的吸附聚集提供大量的氣源；另一方面，進一步的熱演化導致煤級的升高，提高了煤層的吸附能力，有利于煤層甲烷的吸附儲集。該區(qū)三疊紀后遭受了廣泛的抬升剝蝕作用，至中侏羅世，已有部分煤層甲烷散失，導致煤層含氣量降低。而中侏羅早白堊世廣泛發(fā)生的巖漿侵入所導致的煤的再次熱演化，即提高了煤層的儲集能力，又提供了大量的氣源，使得煤層能再次吸附更多的煤層甲烷，增加了煤層的氣含量。因此，遭受過抬升剝蝕和煤層甲烷散失，其后又經(jīng)歷了再次熱演化的含煤區(qū)具有較好的含氣性，為煤層甲烷保存的有利地區(qū)。三疊紀末，印支運動使本區(qū)整體抬升，遭受剝蝕，深層變質作用減弱乃至終止

33、。到晚侏羅早白堊世，燕山運動巖漿活動熱事件處于主導地位，區(qū)域巖漿熱變質作用使本區(qū)煤的變質程度劇增，造成以巖漿體為中心，由天然焦無煙煤貧煤分瘦煤瘦煤焦煤組成的環(huán)帶狀變質帶，呈由南到北、由西至東變質程度減小的規(guī)律。煤的變質程度是決定煤層甲烷生成、儲集的主導因素。煤的變質程度控制著煤層甲烷的生成量，也是煤內部分子結構、微組分的變化過程，從而影響煤層甲烷含量。由于區(qū)域巖漿熱變質作用，使本區(qū)煤變質程度較高，生氣量較大，煤層甲烷含量普遍較高。（2）破壞煤層的儲集結構，使煤層喪失儲集能力這種作用可在兩種情況下出現(xiàn)：一是巖漿熱作用十分強烈，導致煤過渡熱演化。當煤級達到超天然無煙煤甚至石墨階段時，由于儲集結構遭

34、到嚴重破壞，煤層的儲集能力急劇降低，甚至徹底喪失；二是各種巖漿侵入體直接侵入煤層。由于強烈的熱接觸變質作用，受侵入體影響的煤將會被焦化，形成天然焦，喪失對煤層甲烷的儲集能力。 煤與瓦斯突出特征與機理一、煤與瓦斯突出的特征安陽礦區(qū)6對礦井中有4對為煤與瓦斯突出礦井，其中龍山煤礦突出相對比較嚴重，也比較典型，故以龍山煤礦煤與瓦斯突出資料為主進行分析。龍山煤礦自建井到2008年12月共生發(fā)煤與瓦斯突出事故111次，均發(fā)生在煤巷掘進工作面，其中煤平巷突出76次，占70.3，上山突出22次，占20.4%，下山突出7次，占6.5，石門突出3次，占2.8。平均突出強度118t，最大一切突出發(fā)生在1999年4

35、月6日13081切眼掘進時，突出強度為1070t，噴出瓦斯量167435m3。龍山煤礦所發(fā)生的動力現(xiàn)象數(shù)據(jù)統(tǒng)計見附件一（表8-1）。通過總結分析，安陽礦區(qū)煤與瓦斯突出具有以下特征： 始突深度始突深度是指某地開始突出的深度（或標高），也就是該地突出的最淺深度（或最大標高）。安陽礦區(qū)各突出礦井始突深度、始突標高見表8-2。始突深度受多種因素影響，各礦因地質條件、開采技術條件等不同而有所不同，我國煤礦的始突深度一般在垂深200m以下。從表8-2可以看出，龍山煤礦始突深度為155m，說明突出相對比較嚴重。表8-2 安陽礦區(qū)煤與瓦斯突出有關突出指標數(shù)據(jù)表 突出指標龍山大眾銅冶始突深度（m）1553042

36、05始突標高（m）+15-268+20 突出強度突出強度用煤（巖）和瓦斯的突出數(shù)量來衡量。一般情況下，以突出煤量（巖石量）表示突出強度。根據(jù)強度大小，一般將突出劃分為五種類型，安陽礦區(qū)礦井突出強度見表8-3。龍山煤礦以小型突出為主，占統(tǒng)計突出次數(shù)的47.6%，其次為中型和次大型，各占22.9%和25.7%，大型和特大型少見，僅占3.8%，大眾礦、果園礦、銅冶礦從有限的資料分析也符合這個特征。表8-3 突出數(shù)據(jù)統(tǒng)計表礦井名稱龍山大眾銅冶果園突出總次數(shù)（次）11182360煤量統(tǒng)計次數(shù)（次）1057總煤量（t）12139.3639最大突出強度（t/次）1070320250436最小突出強度（t/次

37、）612平均（t/次）111.492瓦斯量統(tǒng)計次數(shù)（次）1057最大突出瓦斯量（m3）16743538000200000最小突出瓦斯量（m3）135總瓦斯量（m3）2010093平均（m3/次）20303.97突出強度小型（50t以下）503中型（50100t以下）242次大型（100500 t以下）272大型（5001000t以下）3特大型（1000t以上）1 突出頻度突出頻度是以單位時間（一般為年）內突出的平均次數(shù)來衡量。安陽礦區(qū)由于資料的不完整，無法準確記錄出其突出礦井的突出頻度，龍山煤礦資料相對完整，具體數(shù)據(jù)見表8-4。表8-4 安陽礦區(qū)煤與瓦斯突出頻度表 礦井名稱龍山大眾銅冶突出頻度

38、（次/年）3.480.5（1979-1995）0.575（1959-1999）突出壓力突出壓力是指突出點在臨突前的瓦斯壓力。按照我國煤礦安全規(guī)程，瓦斯壓力大于0.74MPa時才有發(fā)生突出的可能。龍山礦的始突深度為+15標高處，經(jīng)推測計算該處的瓦斯壓力約為0.8MPa（見表8-5，圖8-1），大眾煤礦瓦斯壓力在0.70MPa以上時就有發(fā)生突出的危險。表8-5 龍山煤礦瓦斯壓力數(shù)據(jù)表序號測量地點瓦斯壓力/Mpa標高/m113021上順槽0.6719.17213021下順槽0.8-12.33313051車場-155413021集中巖巷0.85-12.33515041工作面1.116-426巖石運輸大

39、巷1.89-220715051車場-788鉆孔CK101.479鉆孔2550.6868410鉆孔CK291.083.3411鉆孔CK91.86-214.4812鉆孔CK242.16-320.3813鉆孔CK32.45-447.761423051下順槽218米處2.5-3701523051下順槽236米處2.5-3701623051下順槽264米處2.5-3751723051下順槽21米處1.88-235圖8-1 標高與瓦斯壓力趨勢圖 突出類型煤與瓦斯突出分為突出、壓出和傾出三種類型。安陽礦區(qū)以突出為主，龍山礦有突出記錄記載的41次，其中突出的36次，噴出的2次，壓出為0次，傾出5次，突出占89

40、%；大眾礦全為突出，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表8-6。表8-6 安陽礦區(qū)煤與瓦斯突出類型表礦井名稱煤與瓦斯突出情況總次數(shù)（次）其中有記錄記載次數(shù)（次）引突作業(yè)方式突出噴出傾出放炮其它龍山11136259120大眾87銅冶23果園60綜上分析，安陽礦區(qū)煤與瓦斯突出以中小型突出為主要型式，從突出強度、始突深度、突出壓力和突出頻度看介于嚴重突出與一般突出之間。瓦斯治理技術一、瓦斯治理技術現(xiàn)狀安陽礦區(qū)所屬礦井均為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，集團公司與各礦井十分重視瓦斯防治工作，牢固樹立安全為天的理念，認真貫徹落實“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風定產(chǎn)” 的瓦斯治理工作方針，和“通風可靠、抽采達標、監(jiān)控有效、管理到位” 的

41、瓦斯綜合治理工作體系，除了采取完善制度，健全機構，監(jiān)督檢查，加強培訓等措施外，在瓦斯治理技術方面采取了以下措施： 1）優(yōu)化通風系統(tǒng)、加強通風管理。通風系統(tǒng)的優(yōu)化和各類風機的正常運行以及科學的通風管理，為采掘用風地段具有足夠的風量，奠定了可靠的物質基礎。 2）安裝瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。井下瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，為礦井瓦斯局部積聚的及早發(fā)現(xiàn)和及時處理提供了可能。3）加強煤層瓦斯預抽煤層瓦斯預抽技術，可降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，改善突出煤層的應力狀態(tài)，是防止煤與瓦斯突出的根本途徑。安陽礦區(qū)各礦多采用本煤層平行鉆孔、邊掘邊抽鉆孔、頂板高位巖孔、上隅角埋管抽放等抽放形式。龍山礦抽放前絕對涌出量為5m

42、3/min,抽放后絕對涌出量為3m3/min；紅嶺礦抽放前瓦斯?jié)舛?.7%，抽放后0.4%。從抽放前后涌出量和瓦斯?jié)舛葘Ρ瓤?，效果比較明顯（見表9-1）。 圖9-1 安陽礦區(qū)各礦抽放參數(shù)礦名鉆孔直徑mm長度m孔距m負壓Kpa濃度抽出率封孔材料大眾755013.5626約31聚胺脂紅嶺75左右約701.5-213.3310-30約35聚胺脂4）加強煤與瓦斯突出預測礦區(qū)內各礦都開展了煤與瓦斯突出預測，預測方法大多采用單項指標法（見表9-2）。表9-2 預測煤層突出危險性單項臨界指標值煤層突出危險性煤層破壞類型瓦斯放散初速度（p）煤的堅固性系數(shù)（f）煤層瓦斯壓力（p）突出危險、100.50.74安陽

43、礦區(qū)在瓦斯治理方面做了大量的工作，采取了許多措施，也取得了一定成效，但是仍然存在煤與瓦斯突出事故、生產(chǎn)效率不高、抽放濃度低等多種制約煤礦高效、安全生產(chǎn)及瓦斯資源利用等問題，針對這些問題，結合安陽礦區(qū)瓦斯地質特征，運用現(xiàn)代地質理論提出安陽礦區(qū)瓦斯預測與治理技術建議。二、煤與瓦斯突出預測技術礦區(qū)煤與瓦斯突出預測的目的是確定煤層中突出危險區(qū)域和工作面作業(yè)地點的突出危險性，使防突工作有的放矢，減少措施的盲目性，提高突出礦井的安全可靠性和經(jīng)濟效益。目前，國內外進行煤與瓦斯突出區(qū)域危險性預測的方法較多，其中，常用的方法主要有：單項指標法、綜合指標法、地質統(tǒng)計法和瓦斯地質法。表9-3 安陽部分礦井煤與瓦斯突

44、出參數(shù)情況礦井等級煤層煤體破壞類型pfpK龍山突出二1380.981.00438.77大眾突出二119.3370.2790.869.31紅嶺高瓦斯二1120.260.9846.15主焦高瓦斯二113.260.3690.3935.93從安陽礦區(qū)礦井煤與瓦斯突出參數(shù)看（表9-3），礦井的單項指標及綜合指標均超出臨界值，突出具有普遍性。繼續(xù)采用單項指標法、綜合指標法進行預測，將會因指標不敏感而影響預測效果，因此建議除了繼續(xù)采用單項指標法對工作面進行預測、綜合指標進行區(qū)域預測外，還應該加強瓦斯地質研究，采用瓦斯地質法綜合預測。1、瓦斯地質法國內外大量突出事例的統(tǒng)計分析表明，煤與瓦斯突出在井田內的分布是

45、不均衡的，往往比較集中地分布在某些區(qū)域，這種不均衡分布與地質條件有密切的聯(lián)系，地質條件對煤與瓦斯突出的區(qū)域性分布起控制作用。區(qū)域預測的目的就是預先找出這些具有突出危險和突出威脅的區(qū)域，為煤與瓦斯突出防治提供決策依據(jù)。煤與瓦斯突出的綜合假說認為，突出是地應力、高壓瓦斯和煤的物理力學性質等三個因素綜合作用的結果。瓦斯是突出發(fā)生的基本能源之一，較高的瓦斯壓力和瓦斯含量是突出發(fā)生的必要條件。因此，根據(jù)瓦斯含量和瓦斯壓力，選取瓦斯含量為8m3/t、瓦斯壓力為0.74Mpa等值線為界劃分出安陽礦區(qū)二1煤層瓦斯突出威脅區(qū)和突出危險區(qū)（見圖9-1安陽礦區(qū)二1煤層瓦斯地質分區(qū)圖，圖9-2龍山煤礦二1煤層瓦斯地質

46、分區(qū)圖）。圖9-1安陽礦區(qū)二1煤層瓦斯地質分區(qū)圖圖9-2 龍山煤礦二1煤層瓦斯地質分區(qū)圖2、預測模型法除了瓦斯地質法之外，本課題嘗試將灰色理論神經(jīng)網(wǎng)絡方法應用于研究區(qū)的煤與瓦斯突出預測中。利用灰色系統(tǒng)理論之核心灰色關聯(lián)分析法確定控制礦井煤與瓦斯突出的主控因素，并對煤與瓦斯突出主控因素進行篩選，建立煤與瓦斯突出危險性預測人工神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)學模型和系統(tǒng)結構，并利用該模型對礦井進行煤與瓦斯突出的預測工作?？刂泼号c瓦斯突出的主要因素（1）地質構造因素 地質構造是控制瓦斯突出發(fā)生的主導地質因素，地質構造類型、規(guī)模、性質、疏密程度、排列組合以及構造部位等的差異，對瓦斯突出均有不同程度的影響。安陽礦區(qū)的龍山、

47、大眾兩礦井大多數(shù)突出都發(fā)生在地質構造帶，尤其是向斜構造及壓性、壓扭性正斷層所組成的地塹、以及同向正斷層的下降盤和反向正斷層的上升盤。（2）煤層因素 煤層因素包括煤層厚度、煤層開采深度等，煤層開采越深，煤層越厚特別是軟分層越厚突出越頻繁，突出次數(shù)和突出強度也同時增多。龍山、大眾兩煤礦較大型突出發(fā)生在煤層厚度變化煤層，尤其是軟分層變化煤層。強烈破壞的松軟煤層，由于強度低，極易發(fā)生煤與瓦斯突出。 （3）瓦斯因素 煤與瓦斯突出前總是伴隨著一些特征，這些特征是預測煤與瓦斯突出的依據(jù)之一。突出特征主要有巷道頂板來壓、掉渣、片幫、響煤炮、瓦斯壓力增大、噴孔、卡鉆等。發(fā)生突出前并非所有特征同時出現(xiàn)，往往出現(xiàn)其

48、中一種或某幾種預兆。確定煤與瓦斯突出危險指標灰色系統(tǒng)理論是指既含已知信息、又含未知信息的分析方法，它以“部分”信息為已知，“部分”信息為未知的“小樣本”、“貧信息”的不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的正確認識和有效控制?；疑到y(tǒng)理論是在經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論（包括大系統(tǒng)理論）、模糊控制理論（即白色控制理論）的基礎上，針對要求高而又難于用傳統(tǒng)方法建模的系統(tǒng)發(fā)展起來的新方法。（1） 灰色關聯(lián)模型對一個抽象系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析，首先要選準系統(tǒng)行為特征的映射量（反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)系列），進一步明確影響系統(tǒng)行為的有效因素。在量化分析研究中，要對系統(tǒng)行為特征映射量和各有效因素進行適當處理，通過算子作用，使之轉化為無量綱數(shù)據(jù)，并將負相關因素轉化為正相關因素。 灰色關聯(lián)系數(shù)設煤的突出強度為母因素 ( Y0 , 參考序列 ) ,各影響因素為子因素 ( Yi , 比較序列 )。母因素的觀測值為 （9-1）子因素的觀測值為 （9-2）其中：i = 1，2，m；由于在