貴州煤礦煤與瓦斯突出特點及防突措施研究

貴州煤礦煤與瓦斯突出特點及防突措施研究

貴州煤炭資源豐富。2008年底，新增549億天，埋深2000米，總磷儲量2829億t。2009年貴州煤炭產(chǎn)量1.37億t,預(yù)計到2015年煤炭產(chǎn)量達2.3億t,煤炭是貴州省的支柱產(chǎn)業(yè)。貴州煤層賦存條件復雜,煤層瓦斯含量高,煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴重。2010年,貴州開展瓦斯等級鑒定礦井1403對,其中高瓦斯礦井446對,煤與瓦斯突出礦井348對,高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占56.59%。目前貴州已將六枝、水城、盤江、織納、黔北、黔西北、林東、普興和紅茂礦區(qū)劃分為煤與瓦斯突出礦區(qū)和突出危險礦區(qū),目的是加大煤礦管理,遏止煤與瓦斯突出事故發(fā)生。隨煤礦開采強度的加大和開采深度的增加,煤與瓦斯突出事故時有發(fā)生,有往深度和廣度發(fā)展的趨勢。因此研究貴州煤與瓦斯突出特點,提出相應(yīng)防突措施,對防止煤與瓦斯突出事故有重要意義。1貴州突出煤層分布特點和突出指數(shù)1.1鑒定對象的分布情況通過收集貴州省74對礦井,107層煤的煤與瓦斯突出危險性鑒定結(jié)果,各地區(qū)所占比例見表1。從收集的74對礦井的煤與瓦斯突出危險性鑒定結(jié)果來看,鑒定為突出礦井的28對,占37.84%,鑒定為非突出礦井的46對,占62.16%,其中,鑒定為突出的礦井主要分布在畢節(jié)、六盤水和遵義地區(qū)。鑒定為突出煤層或煤與瓦斯突出危險性煤層的45層,占42.06%,其中畢節(jié)、六盤水和遵義地區(qū)占的比例分別為48.9%、24.4%和17.8%。鑒定為沒有煤與瓦斯突出危險性的,絕大部分都是小型煤礦,這些礦井目前開采深度淺,煤層瓦斯含量和瓦斯壓力很低。鑒定為突出的礦井主要分布在桐梓—遵義—貴陽—安順—興義一線以西的遵義、畢節(jié)、安順、六盤水等富煤區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)的大中型煤礦,由于開采深度深、煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大,幾乎所有煤層均具有煤與瓦斯突出危險性,礦井均屬煤與瓦斯突出礦井。小型煤礦目前沒有煤與瓦斯突出危險性的,隨著礦井開采深度的增加,開采煤層煤與瓦斯突出危險性增大,礦井將會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊号c瓦斯突出礦井。1.2煤層瓦斯壓力通過對收集的74對礦井、107層煤的煤與瓦斯突出危險性鑒定,現(xiàn)場共測得煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)303組;采集煤樣在實驗室測得瓦斯放散初速度指標(ΔP)268組,煤的堅固性系數(shù)(f)268組;在井下各煤層暴露點判定煤的破壞類型。突出指標在各地區(qū)的分布比例見表2。1煤層瓦斯壓力隨埋深的變化從表2可看出,煤層瓦斯壓力P≥1.00MPa占14%,0.74MPa≤P<1.00MPa占13%,P<0.74MPa占73%。實測煤層瓦斯壓力P≥1.00MPa的在畢節(jié)、六盤水、遵義、安順、黔西南州均有分布,但大多分布在畢節(jié)、六盤水、遵義地區(qū)。實測煤層瓦斯壓力大多小于0.74MPa,一方面部分礦井開采深度淺,煤層瓦斯壓力確實低;另一方面,體現(xiàn)了煤層瓦斯壓力確實是一個很難測準的一個參數(shù),在現(xiàn)場實際測定過程中,即使在同一標高或同一地點,同時布點測得的幾組數(shù)據(jù)相差也很大,因為它不僅與鉆孔封孔質(zhì)量有關(guān),而且還與測壓地點巷道布置、地質(zhì)構(gòu)造以及采掘活動有關(guān)。目前,在納雍五輪山煤礦、盤縣松河煤礦和習水木擔壩煤礦測得煤層瓦斯壓力最高分別為3.00、2.50和1.70MPa。總體來看煤層瓦斯壓力與埋深呈線性關(guān)系,瓦斯壓力梯度平均為0.3MPa/hm,即埋深每增加100m,煤層瓦斯壓力將增大0.3MPa。煤層瓦斯壓力與埋深關(guān)系如圖1所示。2瓦斯放散初速度煤的瓦斯放散初速度指標反映的是煤在常壓下吸附瓦斯的能力和放散瓦斯的速度,它的大小與煤的瓦斯含量大小、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙表面性質(zhì)等有關(guān)。在煤與瓦斯突出的發(fā)展過程中,瓦斯的運動和破壞力在很大程度上取決于含瓦斯煤體在破壞時瓦斯的解吸與放散能力。對107層煤的268組瓦斯放散初速度指標進行統(tǒng)計分析,煤層瓦斯放散初速度ΔP<10的占20%,ΔP≥10的占80%(其中10≤ΔP<20占53%,ΔP≥20的占27%),最大值37.65。針對煤層來講,瓦斯放散初速度指標最大值大于10的占90.6%,貴州煤層瓦斯放散初速度普遍較大。瓦斯放散初速度指標最大值小于10的煤層在各地區(qū)均有分布,這些煤層在鑒定當時大多開采深度淺,有可能還處于瓦斯風化帶。3煤的固結(jié)和煤層破壞類型分布規(guī)律煤的堅固性系數(shù)是表示煤抵抗外力破壞能力的一個綜合指標,煤的堅固性系數(shù)越小,發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性越大。對實測107層煤的268組堅固性系數(shù)統(tǒng)計分析,六盤水地區(qū)煤的堅固性系數(shù)整體較小,大多小于0.5;畢節(jié)、遵義、安順地區(qū)煤的堅固性系數(shù)從小于0.3到大于1.0均有分布,這些地區(qū)煤種為無煙煤,煤質(zhì)硬,煤的堅固性系數(shù)一般都大于0.5,但煤層遇到構(gòu)造或存在有軟分層時,又變得很軟,煤的堅固性系數(shù)一般都小于0.5,甚至小于0.3。煤層破壞類型為Ⅰ類的占4%,Ⅱ類的占32%,Ⅲ類的占46%,Ⅳ類的占16%,Ⅴ類的占2%。貴州煤層破壞類型大多為Ⅱ~Ⅳ類,Ⅰ、Ⅴ類占的比例小。畢節(jié)地區(qū)從Ⅰ~Ⅳ類均有分布,煤層穩(wěn)定無軟分層區(qū)域?qū)佗駘Ⅱ類,煤層遇地質(zhì)構(gòu)造或有軟分層時為Ⅲ~Ⅳ類;六盤水地區(qū)從Ⅱ~Ⅴ類均有分布,一般情況無煙煤礦區(qū)煤層穩(wěn)定時為Ⅱ類,煤層遇地質(zhì)構(gòu)造或有軟分層時為Ⅲ~Ⅳ類,煙煤礦區(qū)煤層大多為Ⅲ類,部分煤層為Ⅳ類,甚至少部分煤層為Ⅴ類;遵義、安順、黔西南地區(qū)從Ⅱ~Ⅳ類均有分布,一般情況無煙煤礦區(qū)煤層穩(wěn)定時為Ⅱ~Ⅲ類,煤層遇地質(zhì)構(gòu)造或有軟分層時為Ⅲ~Ⅳ類,遵義地區(qū)個別煤層的軟分層達Ⅴ類。2突出貴州煤、鎂特色、突發(fā)性問題2.1發(fā)生情況對比自2005年至2010年10月,貴州共發(fā)生較大煤礦事故160起,其中煤礦瓦斯事故96起,煤與瓦斯突出事故35起,占瓦斯事故66.67%;發(fā)生煤與瓦斯突出未造成人員傷亡的有2起。自2005以來貴州共發(fā)生重特大事故9起,其中煤與瓦斯突出事故6起,占66.67%。通過對貴州2005年來發(fā)生的煤與瓦斯突出事故進行分析,總結(jié)了貴州省發(fā)生的煤與瓦斯突出事故具有以下特點。1煤層強度小且條件薄弱煤與瓦斯突出發(fā)生地點,大多受斷層、褶皺等影響,煤層破壞嚴重,煤體強度小,且有部分煤層滑面還發(fā)育;另外,一部分受地質(zhì)構(gòu)造的影響,煤層軟分層發(fā)育,軟分層突然增厚等。2出煤與瓦斯突出工作面發(fā)生煤與瓦斯突出區(qū)域,通過煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),大多可以看出煤與瓦斯突出工作面在發(fā)生煤與瓦斯突出前,都出現(xiàn)過瓦斯涌出異常增高現(xiàn)象;發(fā)生煤與瓦斯突出后,礦井瓦斯涌出量突然增大,且部分礦井還出現(xiàn)風流逆轉(zhuǎn),使煤與瓦斯突出事故擴大。3大多數(shù)事故發(fā)生在挖掘井的工作面在41起煤與瓦斯突出事故中,僅有3次發(fā)生在回采工作面,其余38次均發(fā)生在煤巷掘進工作面,占92.68%。4放炮是影響煤炭和磚瓦突出的主要因素在41起煤與瓦斯突出事故中,以放炮為主誘導煤與瓦斯突出的有25次,占到了60.98%。5前，許多人有跡象表明煤炭和磚瓦是突出的據(jù)統(tǒng)計,已發(fā)生的大多數(shù)煤與瓦斯突出事故,在發(fā)生前都出現(xiàn)過噴孔、卡鉆、響煤炮、瓦斯涌出異常等突出征兆。2.2預(yù)防和控制突發(fā)事件的主要問題11事故前未采取預(yù)防和措施的情況下，情況沒有得到執(zhí)行根據(jù)統(tǒng)計的41起煤與瓦斯突出事故,有22起事故煤礦在采掘作業(yè)前未采取防突措施;其他礦井雖然制定了防突措施,但存在執(zhí)行不到位的情況。2工作面設(shè)置回風系統(tǒng)2010年發(fā)生的某重大煤與瓦斯突出事故,發(fā)生突出的掘進工作面,沒有獨立的回風系統(tǒng),且與其他工作面形成串聯(lián)通風,從而導致其他作業(yè)點人員大量傷亡。3分層安裝防突風門按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求,在突出煤層的石門揭煤和煤巷掘進工作面進風側(cè),須設(shè)置2道牢固可靠的防突風門,但某些煤礦在突出事故發(fā)生后,發(fā)現(xiàn)掘進工作面未安裝防突風門。42監(jiān)控和安全系統(tǒng)不完整2010年發(fā)生的某重大煤與瓦斯突出事故,調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)生突出的掘進巷道沒有瓦斯傳感器,沒有安裝壓風自救系統(tǒng),放炮地點無避難硐室。5無地質(zhì)變化報告煤與瓦斯突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶,但事故發(fā)生后調(diào)查發(fā)現(xiàn),大多數(shù)礦井都沒有對事故發(fā)生前出現(xiàn)的地質(zhì)變化進行編錄,也沒有相關(guān)的分析報告。另外,在超前探煤措施方面,2010年發(fā)生較大煤與瓦斯突出事故的某礦井超前探煤鉆孔僅5m,嚴重不滿足超前探煤的要求。6斯參數(shù)測試大部分煤礦尤其是小煤礦,在開采過程中,一般都沒有對井田內(nèi)煤層瓦斯參數(shù)進行測試。有的礦井在開采煤層淺部時,雖然對煤層進行了煤與瓦斯突出危險性鑒定,但隨著開采深度的增加,由于未及時收集煤層瓦斯參數(shù),或未進一步對其進行鑒定,盲目生產(chǎn),最終造成煤與瓦斯突出事故。7觀測指標與鉆機防突裝備水平低,主要體現(xiàn)在工作面突出危險性預(yù)測儀器裝備單一,防突鉆機鉆進能力不足。不同的礦區(qū),突出敏感指標不一樣。絕大多數(shù)礦井都沒有對本礦井的突出敏感指標進行考察,采用單一指標預(yù)測,有可能出現(xiàn)高指標不突,低指標突出現(xiàn)象,因此,靠單一的儀器將難以準確預(yù)測工作面的突出危險性。在防突鉆機方面,大多數(shù)小型煤礦目前裝備的還是75鉆機,無法滿足區(qū)域防突實施瓦斯抽采的要求。在防突機構(gòu)方面,只要是突出礦井目前基本上都已建立,但仍存在鉆工操作不熟練,人員配備不足等問題。8工作面異常危險2010年發(fā)生的某重大煤與瓦斯突出事故,掘進工作面在突出發(fā)生前2天,測得K1值為0.73mL/(g·min1/2),預(yù)測工作面有突出危險,另外,在打鉆過程中,也出現(xiàn)過卡鉆和噴孔現(xiàn)象,但這些都沒引起管理人員和井下作業(yè)人員的重視,繼續(xù)實施打眼放炮掘進,導致事故發(fā)生。3貴州省重要的煤炭和磚瓦管理關(guān)鍵和對策1煤層鉆孔預(yù)抽放放火炬貴州煤礦多為近距離煤層群開采,防突工作應(yīng)以區(qū)域防突為重點,堅持保護層開采和提前預(yù)抽煤層瓦斯措施。區(qū)域防突工作必須做到多措并舉、可保必保、應(yīng)抽盡抽、效果達標。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求,當?shù)V井各煤層均有煤與瓦斯突出危險性時,應(yīng)當選擇突出危險性小的煤層先行開采;煤層瓦斯預(yù)抽應(yīng)優(yōu)先選擇穿層鉆孔抽采,穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯,鉆孔應(yīng)當控制整個開采塊段煤層,順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯時,鉆孔控制條帶長度要求不小于60m。目前,大多數(shù)礦井在選擇保護層時,只是簡單地按照煤層開采順序,將上部的首采煤層作為保護層開采,沒有真正做到將保護層選擇在沒有突出危險性或突出危險性小的煤層;采用預(yù)抽煤層瓦斯措施的,多數(shù)煤礦(尤其是小煤礦)都沒有布置頂(底)板瓦斯抽采巷,實施穿層鉆孔預(yù)抽;采用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯,部分煤層受煤層條件的限制,鉆孔塌孔嚴重,抽采鉆孔控制范圍又達不到要求。因此,煤礦企業(yè)防突工作的第一要務(wù)應(yīng)當是選擇好適合本礦井的區(qū)域防突措施,并嚴格按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求實施。2預(yù)抽瓦斯時間不足礦井要實現(xiàn)長期安全高效生產(chǎn),優(yōu)化礦井采掘部署是防突的核心和關(guān)鍵,也是礦井安全工作綜合系統(tǒng)工程中的重要環(huán)節(jié)。目前,部分礦井采掘接替緊張,根本無法保證煤層的預(yù)抽瓦斯時間,另外在礦井通風系統(tǒng)方面,有些突出礦井采掘工作面還存在串聯(lián)通風,掘進工作面進風側(cè)沒有安裝防突風門等問題。優(yōu)化礦井采掘部署,提前安排保護層開采,并為煤層的瓦斯抽采留足充足的時間和空間,是確保采掘生產(chǎn)活動始終在保護范圍內(nèi)和抽采達標的區(qū)域內(nèi)進行的前提。另外,在優(yōu)化礦井采掘部署時應(yīng)將礦井通風系統(tǒng)納入優(yōu)化,確保優(yōu)化后的系統(tǒng)滿足突出礦井對通風的要求,真正做到系統(tǒng)合理,設(shè)施完好,通風可靠。3礦井防突裝備能力貴州煤礦受山區(qū)地形地質(zhì)影響,煤層產(chǎn)狀多起伏,地質(zhì)構(gòu)造復雜。近年來發(fā)生的煤與瓦斯突出事故,大多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶或斷層分布密集區(qū)域。今后的防突工程,尤其是實施區(qū)域綜合防突措施,應(yīng)加強地質(zhì)探測工作,提升突出礦井防突裝備能力。目前國內(nèi)外較先進的地質(zhì)探測設(shè)備有:WKT無線坑透儀、YTR(D)型瑞麗波探測儀、KJH-D礦井地質(zhì)雷達等儀器,能超前探測煤巖體前方30~150m的斷層構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造破壞軟分層帶、陷落柱、溶洞、破碎帶、裂隙帶、采空區(qū)等地質(zhì)異常情況。在鉆機配備方面,有條件的礦井建議配備1臺大功率的千米鉆機,實施順層水平長鉆孔抽采;另外,礦井特別是中小型煤礦,應(yīng)配備至少2臺200型以上的液壓鉆機,以滿足瓦斯抽采及防突工程的需要。在突出危險性預(yù)測裝備上,礦井應(yīng)結(jié)合目前所用的儀器,增加其他危險性預(yù)測指標所需的儀器,采用多指標預(yù)測。有條件的礦井建議與科研院所合作,開展本井田突出敏感指標及臨界值的研究。4煤層瓦斯賦存規(guī)律貴州煤層瓦斯含量高、煤層賦存及地質(zhì)構(gòu)造復雜,瓦斯在不同標高、不同煤層以及在同標高不同區(qū)域,煤層瓦斯含量等參數(shù)變化較大,開展煤層瓦斯參數(shù)測試掌握煤層瓦斯賦存規(guī)律尤為重要。礦井瓦斯基本參數(shù)中,煤層瓦斯壓力的測定,通常是在井下打鉆封孔直接測壓,測壓結(jié)果與測壓地點的選擇、測壓鉆孔的布置、測壓鉆孔的封孔方式、封孔質(zhì)量等關(guān)系極大,通常很難測出準確的瓦斯壓力。測定的煤層瓦斯參數(shù)不準確、不可靠,將直接影響礦井的防突工作。結(jié)合礦井巷道布置、煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等特點,準確選取測壓點和采取煤樣非常重要,準確測試并掌握煤層各區(qū)域真實瓦斯參數(shù),是搞好礦井防突工作的基礎(chǔ)。5瓦斯突出的防治煤與瓦斯貴州煤層賦存復雜,煤與瓦斯突出礦區(qū)多,每個礦區(qū)發(fā)生突出的特點及突出機理不一樣,突出敏感指標不一樣,煤層賦存特點不一樣,防治煤與瓦斯突出的措施也應(yīng)各不相同。加大科研投入,進一步深入研究各礦區(qū)瓦斯地質(zhì)及瓦斯分布規(guī)律、礦區(qū)煤層突出危險程度評價及