納林河礦區瓦斯地質分析及溯源

摘? ?要： 納林河礦區瓦斯地質分析與煤層瓦斯賦存情況存在偏差，對礦井施工人員安全造成了威脅。以納林河二號礦為研究對象，通過理論分析、現場實測等手段，探討采空區溫度、天然氣井、采掘工作面瓦斯含量和采動等因素對瓦斯濃度的影響。研究發現：1）采空區溫度穩定，不會造成瓦斯解吸，與瓦斯濃度升高無關;2）采掘工作面無天然氣標志性氣體，瓦斯濃度高與天然氣井無必然關系;3）3-1煤、4-1煤北翼鉆孔煤樣中瓦斯含量明顯高于南翼，同時3-1煤與4-1煤構成保護層與被保護層關系，表明北翼工作面瓦斯含量偏高的主要原因是煤體瓦斯含量偏高，次要原因是采動導致4-1煤瓦斯擴散進入3-1煤采空區。為后期納林河礦區其他礦井開采時的瓦斯事故安全預防提供了依據。

關鍵詞： 瓦斯地質分析;納林河礦區;煤層;采空區;采動

中圖分類號：TD712? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-132-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.024

引言

瓦斯爆炸處于煤礦五大威脅災害之首，煤礦井下作業現場瓦斯超限和瓦斯積聚等現象，嚴重威脅著礦井施工人員的生命安全。掌握瓦斯的產生原因和規律，用科學方法治理瓦斯、預防風險，對煤礦企業的安全持續發展具有重要意義。

為了準確把握瓦斯的產生原因與反應機理，國內學者開展了相關研究。許崇幫等[1]采集新疆西山煤樣進行了室內煤樣自燃升溫試驗，認為隨著溫度的變化，CO與瓦斯的含量有較好的規律性;王繼仁等[2]應用傅里葉變換紅外光譜儀，通過實驗研究了煤在氧化自燃過程中不同溫度下生成的氣體產物，并采用密度泛函 B3LYP 方法，在 6-311G 水平上考察了煤與氧發生反應生成瓦斯的過程，認為50～100℃生成的瓦斯來自煤吸附的甲烷發生的脫附，而在更高溫度下生成的瓦斯則來自甲基支鏈;何滿潮等[3]通過對煤樣施加不同應力和溫度，促使煤中原生吸附瓦斯發生解吸，模擬煤體變形過程中吸附瓦斯的解吸—釋放過程，證實溫度升高是誘發煤樣中吸附瓦斯被大量解吸的因素之一;《防治煤與瓦斯突出細則》[4]認為瓦斯區域防突措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯2類;程遠平[5]提到保護層開采的意義為：通過開采保護層，解放被保護層，使得被保護層煤層內的瓦斯有效得到釋放，降低被保護層瓦斯突出危險性。

本文針對納林河二號礦3-1煤一盤區的瓦斯地質情況與當地煤層瓦斯賦存情況不符的問題，通過理論分析、現場實測等手段，開展瓦斯地質分析，進行瓦斯溯源，為今后納林河礦區內其他礦井的安全開采提供依據。

1? 項目背景

納林河二號礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市，首采煤層為3-1煤層，開采深度為480～630 m。目前一盤區北翼、南翼兩側開采，其中北翼31121工作面與南翼31101、31102工作面已回采完畢，北翼31116工作面與南翼31103-1工作面正在回采。2019年4月，北翼31121工作面回采至距離主回撤通道約600 m處時，上隅角瓦斯濃度逐漸升高，且平均瓦斯濃度高于南翼已回采完畢的2個工作面，如圖1所示。

2019年8月，北翼31116工作面開始回采后，上隅角瓦斯濃度相對于同期南翼31103-1工作面依舊偏高，如圖2所示。

以上現象與鄂爾多斯地區煤層瓦斯賦存情況不符，瓦斯涌出量突然增大也給安全生產帶來了風險。為了采取針對性措施，迫切需要對瓦斯進行溯源。

2? 溯源過程

2.1? 采空區溫度變化

瓦斯以吸附和游離兩種狀態存在于煤體內，在300～1 200 m開采深度范圍內，游離態瓦斯僅占5%～12%，但游離態與吸附態瓦斯可以相互轉化：當溫度降低或壓力升高時，一部分瓦斯由游離態轉化為吸附態，這種現象叫吸附;當溫度升高或壓力降低時，一部分瓦斯由吸附態轉化為游離態，這種現象叫解吸[6-7]。煤在50～100℃時生成的瓦斯主要來自解吸作用，而在溫度大于100℃時生成的瓦斯則主要來自化學反應（如圖3a所示），而煤體中的CO隨著溫度而變化的規律與瓦斯非常相似，如圖3b所示。

如圖4所示，31121工作面與31116工作面束管監測數據顯示，兩工作面采空區CO濃度穩定，無持續升高趨勢。所以，當時采空區溫度無法使遺煤持續產生CO，這一溫度也無法使瓦斯解吸。同時，早晚溫差導致的氣壓變化對采空區煤體解吸效果影響不大，所以31121工作面與31116工作面上隅角瓦斯濃度升高與瓦斯解吸無關。

2.2? 天然氣井密閉性

天然氣主要由甲烷（85%）和少量乙烷（9%）、丙烷（3%）、氮（2%）和丁烷（1%）組成[8]。如果天然氣井套管與井壁封閉不嚴密或者廢棄氣井井壁老化，就可能導致氣體泄漏。甲烷及其他氣體通過煤體裂隙進入周邊采空區，導致采空區瓦斯濃度升高。

采掘工程平面圖中顯示：G8-8氣井位于31121回風順槽西側590.375 m，距離回撤通道647.730 m，如圖5a所示;G7-8氣井位于31121回風順槽西側333.256 m，距離工作面切眼371.872 m，如圖5b所示;G9-10氣井位于31103-1工作面切眼南側286.526 m，如圖5c所示。

從采掘區域距天然氣井距離來看，G9-10氣井距離31103-1工作面切眼最近，但31103-1工作面采空區瓦斯低于31121工作面與31116工作面，且31116工作面附近無天然氣井，而其瓦斯濃度仍然偏高，同時31121工作面采空區氣體化驗成分中無乙烷、硫化氫等天然氣成分特征，所以31121工作面、31116工作面采空區瓦斯濃度高與天然氣井無必然關系。

2.3? 北翼采掘工作面煤體瓦斯含量偏高

煤層瓦斯含量與煤的變質程度、地質構造、圍巖透氣性以及水文地質條件等多種因素有關。如果圍巖為低透氣性巖層，如泥巖、石灰巖等，煤層中的瓦斯容易保存下來。如果圍巖由粗砂巖、礫巖以及裂隙溶洞發育的石灰巖組成，煤層中的瓦斯含量則會偏小[9]。

文獻[10]共選取了11個瓦斯測量孔，分別為NL53、MD12、MD13、MD15、MD22、MD24、MD26、MD32、MD33、MD34、MD41，采取瓦斯煤樣，進行煤層瓦斯含量測定。其中MD12孔位于31121工作面輔運順槽西側約516.779 m，距離回撤通道垂直距離303.398 m，如圖6a所示;MD13孔位于31116工作面回風順槽西側90.520 m，距離回撤通道垂直距離191.439 m，如圖6b所示;MD26孔位于31104工作面地質異常體區域，距離31103工作面膠運順槽53.116 m，如圖6c所示。

上述MD12、MD13瓦斯測量孔與北翼兩個已開采工作面的距離最近，MD26瓦斯測量孔與南翼三個已開采工作面的距離最近，故選取MD12孔、MD13孔與MD26孔作為對比南翼、北翼兩側煤層上下圍巖情況與瓦斯含量的樣孔。

地質鉆孔結果顯示，MD12與MD13兩孔3-1煤層上下圍巖均為砂質泥巖，透氣性較差，可能導致煤層瓦斯含量偏高，而MD26孔煤層下部圍巖為細粒砂巖，煤層瓦斯含量可能偏低。

文獻[10]中可采煤層地勘瓦斯含量結果顯示，MD12孔、MD13孔與MD26孔在3-1煤層的純煤可燃基瓦斯含量分別為0.17 mL/g.r、0.22 mL/g.r、0.03 mL/g.r，換算成原煤瓦斯含量，分別為0.14 m3/t、0.22 m3/t、0.03 m3/t。MD12孔與MD13孔所處的北翼煤層瓦斯含量明顯高于MD26孔所處的南翼煤層瓦斯含量，所以采空區遺煤和周圍未采動煤層瓦斯泄壓擴散可能是31121工作面、31116工作面上隅角瓦斯的主要來源之一。

2.4? 采動影響

雖然納林河二號礦為低瓦斯礦井，但如果3-1煤與4-1煤構成保護層與被保護層關系，則受3-1煤采動影響，4-1煤瓦斯將通過巖層裂隙進入3-1煤，增加3-1煤采空區瓦斯濃度。查看MD12孔與MD13孔地質鉆孔資料，根據保護層計算公式，驗證3-1煤下保護層最大保護垂距，即

其中，

S—3-1煤下保護層最大保護垂距，m;

S下—下保護層的理論最大保護垂距，m，與工作面長度L與開采深度H有關，當工作面長度L>0.3H時，取L=0.3H，查表后，取S下=138 m;

β1—保護層開采的影響系數，與保護層開采厚度M與保護層最小有效厚度M0有關，當M≤M0時，β1=M/M0，當M>M0時，β1=1，查閱相關資料，取β1=1;

β2—與層間硬巖（砂巖、石灰巖）含量系數η有關，當η≥50%時，β2=1-0.4η/100，當η<50%時，β2=1，查閱相關資料，取β2=1。

經過計算，3-1煤下保護層最大保護垂距為138 m，而MD12孔與MD13孔鉆孔地質資料中顯示，3-1煤與4-1煤層間距為35～38 m，所以3-1煤與4-1煤構成保護層與被保護層關系。

文獻[10]中可采煤層地勘瓦斯含量結果顯示，MD13孔在4-1煤層純煤可燃基瓦斯含量為0.18 mL/g.r，換算成原煤瓦斯含量為0.16 m3/t。MD13孔鉆孔煤樣瓦斯含量明顯高于其他區域，所以31116工作面上隅角瓦斯濃度升高可能與4-1煤瓦斯擴散進入3-1煤采空區有關。

3? 結論與討論

在納林河礦區二號礦，相比于3-1煤層其他區域，3-1煤層北翼工作面瓦斯含量明顯偏高。對瓦斯進行溯源表明：一是北翼采掘工作面煤體瓦斯含量偏高，且回采工作面無鄰近采空區，煤層瓦斯未泄壓，周圍煤層瓦斯會涌出到已經卸壓的工作面采空區內，同時工作面回采過程中個別區域會留設頂煤，使采空區內產生遺煤，增加了采空區瓦斯濃度。二是受3-1煤采動影響，3-1煤與4-1煤間巖層出現裂隙，4-1瓦斯沿裂隙擴散進入采空區內，導致3-1煤采空區內部瓦斯濃度升高。

本文查明了納林河二號礦北翼采煤工作面瓦斯來源。通過采取一系列措施，工作面瓦斯得到了有效控制，保證了施工人員安全，同時也為納林河礦區其他礦井開采時的瓦斯防治、預防風險提供了依據。

參考文獻

[1] 許崇幫， 劉濤， 周少統. 西山煤層自燃氣體指標試驗測試分析[J]. 煤炭工程， 2016， 48（3）： 111-113.

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[3] 何滿潮， 王春光， 李德建， 等. 單軸應力—溫度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征[J]. 巖石力學與工程學報， 2010， 29（5）： 865-872.

[4] 國家煤礦安監局關于印發《防治煤與瓦斯突出細則》的通知（煤安監技裝〔2019〕28號）： 防治煤與瓦斯突出細則[S].

[5] 程遠平. 煤礦瓦斯防治理論與工程應用[M]. 徐州： 中國礦業大學出版社， 2010.

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[9] 楊勝強， 劉殿武. 通風與安全[M]. 徐州： 中國礦業大學出版社， 2011.

[10] 內蒙古自治區東勝煤田納林河礦區二號井田煤炭勘探報告[R].

作者簡介：

張曉昊（1988—），通信作者，男，漢族，內蒙古呼和浩特人，工程師，2011年7月畢業于內蒙古科技大學安全工程專業，現從事礦井通風安全管理工作。

E-mail： 342181666@qq.com

（收稿日期：2020-07-10）