低滲透煤層瓦斯抽采中的不滲透斷裂帶研究

低滲透煤層瓦斯抽采中的不滲透斷裂帶研究

在高瓦爾礦山和煤炭突出的礦山，應注意預防和控制風險事件。根據(jù)我國2009年實施的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求,不具備開采保護層條件的突出危險區(qū)的煤層,必須采用鉆孔預抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施,對煤層巷道、揭煤石門和回采工作面涉及的高瓦斯突出煤層,要求通過穿層或順層鉆孔進行采掘前的瓦斯預抽采,以求降低相應區(qū)域的煤層瓦斯含量和瓦斯壓力,消除煤與瓦斯突出隱患,避免采掘過程中發(fā)生瓦斯災害。然而,值得注意的是,不滲透斷層的存在可能導致采掘前的煤層瓦斯抽采很難做到抽采程度均衡,甚至可能在不滲透斷層兩盤煤層間產生更大的瓦斯壓力差和瓦斯含量差。在這種情況下,如果不加強斷層兩盤煤層的檢測工作,不及時采取必要的防治措施,當采掘巷道從低瓦斯壓力區(qū)(低瓦斯含量區(qū))跨越不滲透斷層進入另一盤高瓦斯壓力區(qū)時,極有可能發(fā)生瓦斯突然大量涌出或煤與瓦斯突出事故。煤礦的生產實踐和科學實驗都證明了這一點。1工作面壓扭性不滲透斷層某煤礦21431工作面煤層平均厚度8.6m,采用沿頂分層,走向長壁綜采方法回采,頂板采用全部垮落法管理。工作面設計采高2.2m,走向長856m,傾向長150m。投產前分別采用了順層鉆孔、底板巖石抽放巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯。總計施工抽采瓦斯鉆孔2271個,總長度87148m,噸煤鉆孔工程量為0.057m/t。煤層原始瓦斯含量14.7m3/t,抽采后工作面正常區(qū)段瓦斯含量下降到瓦斯突出危險臨界值8m3/t以下。為了確?；夭砂踩?工作面回采期間仍按突出危險工作面管理,制定了淺孔注水防突安全技術措施。然而,盡管采取了比較完善的區(qū)域和局部防突措施,當工作面采至一條隱伏斷層時,仍然發(fā)生了造成9人死亡的瓦斯災害事故。經專家現(xiàn)場調查,確認該事故為突出和壓出混合型煤與瓦斯突出,突出煤量400t,瓦斯53583m3(圖1)。根據(jù)現(xiàn)場調查結果分析,筆者認為,導致這一災難性事故的客觀原因,是工作面遭遇了一條正斷式壓扭性不滲透斷層。根據(jù)井下觀察,21431工作面發(fā)生煤與瓦斯突出的斷層為一上盤相對下降的正斷式斷層,落差4m左右。該斷層產狀沿走向和傾向均有較大變化,與21431運輸巷揭露的一條斷層呈尖滅側現(xiàn)雁行排列,斷裂帶附近煤層發(fā)生了強烈的揉皺和剪切破壞,產生了大量構造煤。由此可見,該斷層具有明顯的壓扭性斷裂特點。該礦煤層透氣性系數(shù)僅1.2~1.8m2/(MPa2·d),透氣性很差。根據(jù)相關研究,構造煤在孔隙結構、力學性質和對瓦斯的吸附及解吸特性等諸多方面,與正常煤體有很大差別,并且具有更低的透氣性。因而,在具有低滲透性的21431工作面煤層中,構造煤大量發(fā)育的壓扭性斷裂帶可能構成了良好的瓦斯不滲透屏障,在鉆孔瓦斯抽采過程中阻隔了斷層兩盤煤層間的瓦斯運移;再加上21431工作面瓦斯預抽鉆孔在斷層上盤沒有施工到位,造成兩盤煤層瓦斯抽采不均等原因(根據(jù)瓦斯預抽鉆孔實際施工情況記錄),在斷層兩盤煤層間形成了高瓦斯壓差和高含量差。當工作面自低瓦斯含量和低瓦斯壓力的斷層下盤煤層采至上盤時,積聚在斷層上盤的高壓瓦斯,在采煤機割煤震動觸發(fā)下,突然釋放出來也就成了必然結果。2不滲透斷層對煤層瓦斯實際吸收的影響通過長壁工作面瓦斯抽采數(shù)值模擬實驗,也可以說明不滲透斷層對回采工作面瓦斯抽采效果具有重要影響。從圖2可以看出,煤層瓦斯抽采后,在沒有不滲透斷層的正常情況下(基礎模型),隨著采掘工作面靠近抽采鉆孔,煤層平均瓦斯壓力按一定梯度逐步降低,相鄰部位不發(fā)生急劇變化;與之相對,當煤層存在不滲透斷層時,實施瓦斯抽采后,鉆孔所在盤的煤層瓦斯壓力急劇下降,沒有抽采鉆孔的另一盤的瓦斯壓力則沒有改變,兩盤間形成了明顯的壓力差。數(shù)值模擬實驗還證明,實施瓦斯抽采后,不滲透斷層對回采工作面瓦斯涌出量同樣產生很大影響。圖3表明:當沒有不滲透斷層存在時,隨著采煤工作面靠近抽采鉆孔,煤層絕對瓦斯涌出量有規(guī)律的逐漸下降;當有不滲透斷層存在時,抽采鉆孔所在盤的煤層瓦斯涌出量明顯減小,另一盤的瓦斯涌出量則居高不下。因而,對抽采后的煤層,當抽采鉆孔僅位于不滲透斷層的一盤時,回采期間工作面在經過不滲透斷層所處位置時,瓦斯涌出量將發(fā)生很大變化。數(shù)值模擬結果表明,不滲透斷層可被視為隔絕瓦斯運移通道的天然屏障。所以,當不滲透斷層兩盤煤層瓦斯抽采鉆孔布設不均,其中任何一盤煤層的抽采效果不好時,極易形成兩盤間的瓦斯壓力和瓦斯含量的較大差異,在斷失盤的構造煤中很可能儲積高能瓦斯。當工作面由瓦斯低壓區(qū)和低含量區(qū)向不滲透斷層所在位置采掘時,一旦采掘工作面靠近儲積高能瓦斯的另一盤煤層,采掘工作面與高能瓦斯間的隔離煤(巖)柱的強度不足以阻隔前方瓦斯能量的釋放時,高能瓦斯向工作面的異常涌出,甚至發(fā)生煤與瓦斯突出。3不滲透斷層預測和超前探測的技術措施一般來說,上盤相對上升的逆斷層或逆平移斷層具有壓或壓扭力學性質,在其附近可能形成不滲透斷裂帶。然而,由于我國大多數(shù)煤系地層經歷過多次構造運動,煤層中發(fā)育的斷層發(fā)生過力學性質的轉化,斷層兩盤也出現(xiàn)過不同形式的相對運動,因而,在高瓦斯突出礦井常?？梢园l(fā)現(xiàn)正斷式的壓性和壓扭性斷層或落差較小的不滲透斷裂。所以,不能僅僅根據(jù)現(xiàn)今斷層兩盤的相對位置和位移大小(斷層落差)來預測和判斷某一斷層是否是不滲透斷層以及它的危險程度,必須通過對區(qū)域構造演化、構造應力場分析、斷層面(斷裂帶)以及斷層的伴生和派生構造的實際觀測,才能判斷某一組系或特定產狀斷層的力學性質和對瓦斯的開放或封閉程度;此外,煤礦的生產實踐和數(shù)值模擬試驗表明,當采掘巷道向某一斷層位置掘送時,判斷前方斷層是否是不滲透斷層,也可以通過井下實際觀測的煤層瓦斯參數(shù)的變化比較準確地預測斷層對瓦斯的開放和閉合程度。這方面的研究成果將另文發(fā)表,這里不再贅述。理論和實踐均已證明,在高瓦斯突出礦井,不滲透斷層附近是煤與瓦斯突出的高危區(qū)。其原因不僅是斷裂帶本身構造煤發(fā)育,具有造成煤與瓦斯突出的物質條件,而且,由于不滲透斷裂帶對瓦斯運移的阻隔作用,斷層兩盤間可能存在高瓦斯壓差和瓦斯含量差。所以,在不滲透斷層附近的采掘施工,必須嚴格執(zhí)行區(qū)域的和局部的“四位一體”綜合防突措施。為了防止不滲透斷層可能導致的瓦斯災害,尤其要重視不滲透斷層預測和超前探測工作,并在準確查明不滲透斷層位置的基礎上,合理布設煤層瓦斯抽采鉆孔,通過穿層或順層鉆孔使不滲透斷層兩盤的煤層瓦斯得到均衡的抽采,避免不滲透斷層兩盤間形成瓦斯高壓差和高含量差。當采掘巷道通過改變方向或坡度跨越落差較大的不滲透斷層揭露斷失盤煤層時,必須嚴格遵照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中要求的石門揭煤程序進行施工作業(yè)。必須在采掘巷道距斷層對盤煤層20m之前布置一定數(shù)量的前探鉆孔,以保證確切掌握對盤煤層的厚度變化、瓦斯壓力和瓦斯含量等情況,對煤與瓦斯突出危險性做出預測。在斷層兩盤存在壓力差或瓦斯含量差的情況下,必須采取必要的局部防突措施給予消除,并經效果檢驗合格,實施安全防范措施后才能進行對斷層斷失盤煤層的揭煤作業(yè)。當采掘巷道采用“挑頂”或“臥底”方式直接跨越落差較小的不滲透斷層時,同樣必須提前對另一盤煤層的煤與瓦斯突出危險性進行預測和檢測,預測或檢測指標低于危險臨界值時,方可實施跨越斷層的采掘作業(yè)。對不滲透斷層對盤煤層的檢測范圍不能小于20m,在確保采掘工作面前方排除了高壓瓦斯后,才能對不滲透斷層進行安全跨越。4布孔方式不當利用鉆孔抽采煤層瓦斯是我國煤礦當前防治瓦斯災害的主要措施。生產實踐和科學實驗都表明,在不滲透斷層兩盤抽采煤層瓦斯過