纳林河矿区瓦斯地质分析及溯源

摘   要： 纳林河矿区瓦斯地质分析与煤层瓦斯赋存情况存在偏差，对矿井施工人员安全造成了威胁。以纳林河二号矿为研究对象，通过理论分析、现场实测等手段，探讨采空区温度、天然气井、采掘工作面瓦斯含量和采动等因素对瓦斯浓度的影响。研究发现：1）采空区温度稳定，不会造成瓦斯解吸，与瓦斯浓度升高无关;2）采掘工作面无天然气标志性气体，瓦斯浓度高与天然气井无必然关系;3）3-1煤、4-1煤北翼钻孔煤样中瓦斯含量明显高于南翼，同时3-1煤与4-1煤构成保护层与被保护层关系，表明北翼工作面瓦斯含量偏高的主要原因是煤体瓦斯含量偏高，次要原因是采动导致4-1煤瓦斯扩散进入3-1煤采空区。为后期纳林河矿区其他矿井开采时的瓦斯事故安全预防提供了依据。

关键词： 瓦斯地质分析;纳林河矿区;煤层;采空区;采动

中图分类号：TD712    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-132-05

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.024

引言

瓦斯爆炸处于煤矿五大威胁灾害之首，煤矿井下作业现场瓦斯超限和瓦斯积聚等现象，严重威胁着矿井施工人员的生命安全。掌握瓦斯的产生原因和规律，用科学方法治理瓦斯、预防风险，对煤矿企业的安全持续发展具有重要意义。

为了准确把握瓦斯的产生原因与反应机理，国内学者开展了相关研究。许崇帮等[1]采集新疆西山煤样进行了室内煤样自燃升温试验，认为随着温度的变化，CO与瓦斯的含量有较好的规律性;王继仁等[2]应用傅里叶变换红外光谱仪，通过实验研究了煤在氧化自燃过程中不同温度下生成的气体产物，并采用密度泛函 B3LYP 方法，在 6-311G 水平上考察了煤与氧发生反应生成瓦斯的过程，认为50～100℃生成的瓦斯来自煤吸附的甲烷发生的脱附，而在更高温度下生成的瓦斯则来自甲基支链;何满潮等[3]通过对煤样施加不同应力和温度，促使煤中原生吸附瓦斯发生解吸，模拟煤体变形过程中吸附瓦斯的解吸—释放过程，证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯被大量解吸的因素之一;《防治煤与瓦斯突出细则》[4]认为瓦斯区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2类;程远平[5]提到保护层开采的意义为：通过开采保护层，解放被保护层，使得被保护层煤层内的瓦斯有效得到释放，降低被保护层瓦斯突出危险性。

本文针对纳林河二号矿3-1煤一盘区的瓦斯地质情况与当地煤层瓦斯赋存情况不符的问题，通过理论分析、现场实测等手段，开展瓦斯地质分析，进行瓦斯溯源，为今后纳林河矿区内其他矿井的安全开采提供依据。

1  项目背景

纳林河二号矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，首采煤层为3-1煤层，开采深度为480～630 m。目前一盘区北翼、南翼两侧开采，其中北翼31121工作面与南翼31101、31102工作面已回采完毕，北翼31116工作面与南翼31103-1工作面正在回采。2019年4月，北翼31121工作面回采至距离主回撤通道约600 m处时，上隅角瓦斯浓度逐渐升高，且平均瓦斯浓度高于南翼已回采完毕的2个工作面，如图1所示。

2019年8月，北翼31116工作面开始回采后，上隅角瓦斯浓度相对于同期南翼31103-1工作面依旧偏高，如图2所示。

以上现象与鄂尔多斯地区煤层瓦斯赋存情况不符，瓦斯涌出量突然增大也给安全生产带来了风险。为了采取针对性措施，迫切需要对瓦斯进行溯源。

2  溯源过程

2.1  采空区温度变化

瓦斯以吸附和游离两种状态存在于煤体内，在300～1 200 m开采深度范围内，游离态瓦斯仅占5%～12%，但游离态与吸附态瓦斯可以相互转化：当温度降低或压力升高时，一部分瓦斯由游离态转化为吸附态，这种现象叫吸附;当温度升高或压力降低时，一部分瓦斯由吸附态转化为游离态，这种现象叫解吸[6-7]。煤在50～100℃时生成的瓦斯主要来自解吸作用，而在温度大于100℃时生成的瓦斯则主要来自化学反应（如图3a所示），而煤体中的CO随着温度而变化的规律与瓦斯非常相似，如图3b所示。

如图4所示，31121工作面与31116工作面束管监测数据显示，两工作面采空区CO浓度稳定，无持续升高趋势。所以，当时采空区温度无法使遗煤持续产生CO，这一温度也无法使瓦斯解吸。同时，早晚温差导致的气压变化对采空区煤体解吸效果影响不大，所以31121工作面与31116工作面上隅角瓦斯浓度升高与瓦斯解吸无关。

2.2  天然气井密闭性

天然氣主要由甲烷（85%）和少量乙烷（9%）、丙烷（3%）、氮（2%）和丁烷（1%）组成[8]。如果天然气井套管与井壁封闭不严密或者废弃气井井壁老化，就可能导致气体泄漏。甲烷及其他气体通过煤体裂隙进入周边采空区，导致采空区瓦斯浓度升高。

采掘工程平面图中显示：G8-8气井位于31121回风顺槽西侧590.375 m，距离回撤通道647.730 m，如图5a所示;G7-8气井位于31121回风顺槽西侧333.256 m，距离工作面切眼371.872 m，如图5b所示;G9-10气井位于31103-1工作面切眼南侧286.526 m，如图5c所示。

从采掘区域距天然气井距离来看，G9-10气井距离31103-1工作面切眼最近，但31103-1工作面采空区瓦斯低于31121工作面与31116工作面，且31116工作面附近无天然气井，而其瓦斯浓度仍然偏高，同时31121工作面采空区气体化验成分中无乙烷、硫化氢等天然气成分特征，所以31121工作面、31116工作面采空区瓦斯浓度高与天然气井无必然关系。

2.3  北翼采掘工作面煤体瓦斯含量偏高

煤层瓦斯含量与煤的变质程度、地质构造、围岩透气性以及水文地质条件等多种因素有关。如果围岩为低透气性岩层，如泥岩、石灰岩等，煤层中的瓦斯容易保存下来。如果围岩由粗砂岩、砾岩以及裂隙溶洞发育的石灰岩组成，煤层中的瓦斯含量则会偏小[9]。

文献[10]共选取了11个瓦斯测量孔，分别为NL53、MD12、MD13、MD15、MD22、MD24、MD26、MD32、MD33、MD34、MD41，采取瓦斯煤样，进行煤层瓦斯含量测定。其中MD12孔位于31121工作面辅运顺槽西侧约516.779 m，距离回撤通道垂直距离303.398 m，如图6a所示;MD13孔位于31116工作面回风顺槽西侧90.520 m，距离回撤通道垂直距离191.439 m，如图6b所示;MD26孔位于31104工作面地质异常体区域，距离31103工作面胶运顺槽53.116 m，如图6c所示。

上述MD12、MD13瓦斯测量孔与北翼两个已开采工作面的距离最近，MD26瓦斯测量孔与南翼三个已开采工作面的距离最近，故选取MD12孔、MD13孔与MD26孔作为对比南翼、北翼两侧煤层上下围岩情况与瓦斯含量的样孔。

地质钻孔结果显示，MD12与MD13两孔3-1煤层上下围岩均为砂质泥岩，透气性较差，可能导致煤层瓦斯含量偏高，而MD26孔煤层下部围岩为细粒砂岩，煤层瓦斯含量可能偏低。

文献[10]中可采煤层地勘瓦斯含量结果显示，MD12孔、MD13孔与MD26孔在3-1煤层的纯煤可燃基瓦斯含量分别为0.17 mL/g.r、0.22 mL/g.r、0.03 mL/g.r，换算成原煤瓦斯含量，分别为0.14 m3/t、0.22 m3/t、0.03 m3/t。MD12孔与MD13孔所处的北翼煤层瓦斯含量明显高于MD26孔所处的南翼煤层瓦斯含量，所以采空区遗煤和周围未采动煤层瓦斯泄压扩散可能是31121工作面、31116工作面上隅角瓦斯的主要来源之一。

2.4  采动影响

虽然纳林河二号矿为低瓦斯矿井，但如果3-1煤与4-1煤构成保护层与被保护层关系，则受3-1煤采动影响，4-1煤瓦斯将通过岩层裂隙进入3-1煤，增加3-1煤采空区瓦斯浓度。查看MD12孔与MD13孔地质钻孔资料，根据保护层计算公式，验证3-1煤下保护层最大保护垂距，即

其中，

S—3-1煤下保护层最大保护垂距，m;

S下—下保护层的理论最大保护垂距，m，与工作面长度L与开采深度H有关，当工作面长度L>0.3H时，取L=0.3H，查表后，取S下=138 m;

β1—保护层开采的影响系数，与保护层开采厚度M与保护层最小有效厚度M0有关，当M≤M0时，β1=M/M0，当M>M0时，β1=1，查阅相关资料，取β1=1;

β2—与层间硬岩（砂岩、石灰岩）含量系数η有关，当η≥50%时，β2=1-0.4η/100，当η<50%时，β2=1，查阅相关资料，取β2=1。

经过计算，3-1煤下保护层最大保护垂距为138 m，而MD12孔与MD13孔钻孔地质资料中显示，3-1煤与4-1煤层间距为35～38 m，所以3-1煤与4-1煤构成保护层与被保护层关系。

文献[10]中可采煤层地勘瓦斯含量结果显示，MD13孔在4-1煤层纯煤可燃基瓦斯含量为0.18 mL/g.r，换算成原煤瓦斯含量为0.16 m3/t。MD13孔钻孔煤样瓦斯含量明显高于其他区域，所以31116工作面上隅角瓦斯浓度升高可能与4-1煤瓦斯扩散进入3-1煤采空区有关。

3  结论与讨论

在纳林河矿区二号矿，相比于3-1煤层其他区域，3-1煤层北翼工作面瓦斯含量明显偏高。对瓦斯进行溯源表明：一是北翼采掘工作面煤体瓦斯含量偏高，且回采工作面无邻近采空区，煤层瓦斯未泄压，周围煤层瓦斯会涌出到已经卸压的工作面采空区内，同时工作面回采过程中个别区域会留设顶煤，使采空区内产生遗煤，增加了采空区瓦斯浓度。二是受3-1煤采动影响，3-1煤与4-1煤间岩层出现裂隙，4-1瓦斯沿裂隙扩散进入采空区内，导致3-1煤采空区内部瓦斯浓度升高。

本文查明了纳林河二号矿北翼采煤工作面瓦斯来源。通过采取一系列措施，工作面瓦斯得到了有效控制，保证了施工人员安全，同时也为纳林河矿区其他矿井开采时的瓦斯防治、预防风险提供了依据。

参考文献

[1] 许崇帮， 刘涛， 周少统. 西山煤层自燃气体指标试验测试分析[J]. 煤炭工程， 2016， 48（3）： 111-113.

[2] 王继仁， 陈启文， 邓存宝， 等. 煤自燃生成甲烷的反应机理[J]. 煤炭学报， 2009， 34（12）： 1660-1664.

[3] 何满潮， 王春光， 李德建， 等. 单轴应力—温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征[J]. 岩石力学与工程学报， 2010， 29（5）： 865-872.

[4] 国家煤矿安监局关于印发《防治煤与瓦斯突出细则》的通知（煤安监技装〔2019〕28号）： 防治煤與瓦斯突出细则[S].

[5] 程远平. 煤矿瓦斯防治理论与工程应用[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2010.

[6] 胡卫民， 高新春， 鹿广利， 等. 矿井通风与安全[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2008.

[7] 卢义玉， 王克全， 李晓红. 矿井通风与安全[M]. 重庆： 重庆大学出版社， 2006.

[8] 高颖， 戴连奎， 朱华东， 等. 基于拉曼光谱的天然气主要组分定量分析[J]. 分析化学研究报告， 2019， 47（1）： 67-76.

[9] 杨胜强， 刘殿武. 通风与安全[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2011.

[10] 内蒙古自治区东胜煤田纳林河矿区二号井田煤炭勘探报告[R].

作者简介：

张晓昊（1988—），通信作者，男，汉族，内蒙古呼和浩特人，工程师，2011年7月毕业于内蒙古科技大学安全工程专业，现从事矿井通风安全管理工作。

E-mail： 342181666@qq.com

（收稿日期：2020-07-10）