瓦斯涌出异常

2024-08-12

瓦斯涌出异常（精选7篇）

瓦斯涌出异常篇1

光正公司 (原淄矿集团石谷煤矿) 的矿井于1960年投产, 属于瓦斯类矿井, 由于多年的开采生产, 导致矿井中的地质状况发生了复杂的变化。在某些煤层和某些区发生过多次的瓦斯涌出的相对异常的现象。在长期的、不断的对这些情况进行勘测和研究后, 并结合发生异常现象的位置的地质构造对出现的瓦斯涌出这一异常现象进行了综合的原因分析后, 采取有效的瓦斯防治措施, 确保了矿井安全生产。

1 矿井瓦斯异常区探讨分析

1.1 7、9煤层瓦斯赋存情况

7煤层形成于石炭纪太原统, 煤层厚度为1.1m, 结构简单, 无夹石, 煤质为贫煤。其储量分布在矿井南部即F14断层上盘区域, 现已开采9个采区, 开采面积为5.1km2, 受断层的影响, 构造煤比较发育, 局部块段瓦斯涌出变化大瓦斯含量较高。9煤层厚度0.8m, 局部有夹矸0.08m, 结构复杂, 较稳定, 煤层瓦斯含量较低。970南六采煤工作面瓦斯绝对量2.2m3/min, 960北十一采煤工作面瓦斯绝对量3.8m3/min, 770北三采煤工作面瓦斯绝对量4.2m3/min, 770南十二采煤工作面瓦斯绝对量3.6m3/min, 790北三采煤工作面瓦斯绝对量4.1m3/min,

1.2 测定顶底板岩石厚度、分析岩性, 掌握瓦斯赋存规律

煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。7煤层顶板为强度低的砂质页岩, 底板为粘土页岩。顶底板岩石含泥质较多, 层理不明显。围岩的透气性差, 易于贮存瓦斯。9煤层顶板为石灰岩, 底板为砂质页岩, 围岩的透气性好, 瓦斯含量比7煤层低, 在采掘过程中测定厚度、分析岩性进行统计, 掌握7、9煤层瓦斯涌出量。

2 瓦斯涌出异常和地质构造的关系

7煤层的地质结构比较复杂, 煤层内一些大的断层发育比较早, 有严重的火成岩侵入现象, 出现了较多的背斜、向斜以及褶曲, 比其它煤层的瓦斯含量高, 在采掘工作中回容易出现瓦斯涌出的现。

2.1 瓦斯涌出异常与开采深度的关系

当除了煤层埋藏深度的条件都相对一致时, 煤层中的瓦斯会随着煤层埋藏的越来越深而向地表移动的距离就越来越长, 就会越来越难以散失。并且, 深度越深, 煤层受到的压力也越来越大, 它的透气性也变得越来越差, 造成瓦斯更不容易扩散, 瓦斯含量就会增大, 在此工作时, 就会容易出现瓦斯涌出的异常状况。如770下山采取与780上山采取这两个同一煤层的两个不同采取, 两者中较、都有着比较少的较大地质结构, 较少的影响到瓦斯涌出的变化情况, 但780采区的南二顺槽迎头合760采区的南三顺槽迎头的垂直深度是64m, 瓦斯涌出两从每分钟0.11m3减少到了0.06m3, 770下山采区经常会出项瓦斯涌出的异常现象, 但780采取从开始到工作结束都没有出现瓦斯涌出的异常现象。

2.2 瓦斯涌出异常与断层褶曲、火成岩的关系

一般情况下, 在地质的构造区中, 像出现断层、褶曲、或者火成岩侵入的地区, 煤层出现的瓦斯涌出会出现较大的变化, 如果这个地区的构造是由于受到强应力而产生的话, 则附近的煤层中的瓦斯便能通过此处的裂隙带的开放性而不断的向外扩散出去, 此时, 这个区域内的瓦斯量就相对的小一些, 但如果此区域的构造是由于受到扭应力所产生的, 这个区域的瓦斯由于附近的封闭性的裂缝而不好向外扩散, 导致瓦斯含量较大, 当在这个区域附近工作时, 会容易发生瓦斯涌出异常的状况。

2.3 统计地质构造观测瓦斯涌出量绘制瓦斯地质图

地质构造复杂区域所形成地垒或地堑, 造成了瓦斯不易扩散, 所以煤层中的瓦斯含量大, 瓦斯涌出量大。全面分析掌握断层性质与瓦斯涌出量的关系。在开放性断层附近瓦斯含量低, 而关闭性断层附近瓦斯含量大。7层煤有2个向斜、3个背斜, 从原始地质资料分析看, 工作面是在向斜轴部的位置, 瓦斯含量在推面时高达3.69m3/t, 是一般情况下的两倍左右。据此绘制出瓦斯地质图, 划分瓦斯含量区域。研究其规律预测深部瓦斯含量, 指导安全生产。

3 瓦斯涌出异常区的防治措施及效果

1) 开采前先勘探, 做好地质构造的勘探与分析工作。研究作业层面地质构造对瓦斯涌出的影响。如果有必要, 可放震动炮提前释放瓦斯;

2) 做好通风系统的管理工作, 必须保证风量。严格按照相关规定构建通风设施, 巷道施工前完善通风系统的准备环节。巷道贯通以后必须立即观测通风系统的稳定性, 并及时做好调整。坚决杜绝风流不畅跟瓦斯超限的情况出现;

3) 落实瓦斯治理制度。增派专业的瓦斯检查工作人员对瓦斯异常区进行专门的监测。工作人员要严格按照瓦斯治理的制度进行执行;

4) 做好瓦斯预测预报工作。每班对井下所有采掘工作面的煤炮眼检查一次瓦斯浓度, 通过炮眼内的瓦斯浓度变化分析、预测该工作面前进方向的瓦斯变化趋势, 提前采取预防措施;

5) 加大瓦斯检测的力度。把所有炮眼中的瓦斯含量高于10%的工序的工作面都作为异常来处理, 设专业的瓦斯远进行全面的检查和检测。所测数据要实现“三对口”, 不准空班、漏检、假检。并负责对分工区域内的通风设施的检查, 发现问题及时汇报处理。

通过这些措施的具体实地实施, 通过采取综合治理措施的现场实施, 杜绝了瓦斯超限作业现象, 防止了重大瓦斯事故的发生, 确保矿井安全生产。

4 结论

搞好瓦斯地质工作, 深入现场调查研究, 综合分析, 摸清地质构造与瓦斯涌出量的变化规律, 掌握瓦斯赋存状态, 系统分析煤层中的瓦斯含量, 准确预测瓦斯涌出量, 将瓦斯的涌出变化与地质构造结合起来, 指导安全生产, 坚决杜绝瓦斯事故的发生。

摘要：在采掘生产过程中, 对各煤层、各采煤工作面瓦斯涌出量结合地质的构造情况对出现瓦斯涌出现象的原因进行分析, 总结出并采用有效的防治措施, 使工作环境更加安全。

关键词：瓦斯,涌出,探析

参考文献

[1]王恩营.分层开采掘进工作面瓦斯涌出规律及预测[J].矿业安全与环保, 2006 (6) .

[2]刘新荣, 鲜学福.煤层瓦斯涌出量与若干地质因素之间的关系探讨[J].矿业安全与环保, 2006 (1) .

[3]武亚遵, 潘国营, 张子戌.矿井未采区瓦斯涌出量预测[J].中州煤炭, 2006 (6) .

[4]刘新荣, 鲜学福.煤层瓦斯与煤层厚度及其变化关系的测试[J].煤炭科学技术, 2004 (8) .

[5]欧阳林超.袁庄煤矿煤层瓦斯涌出主控因素分析及研究[J].科技信息, 2011 (20) .

[6]徐瑞.临涣煤矿煤层瓦斯涌出主控因素分析及研究[J].矿业安全与环保, 2011 (4) .

瓦斯涌出异常篇2

关键词：高瓦斯,掘进巷道,瓦斯抽放钻孔,施工及防范措施

1引言及目的

高瓦斯矿井巷道掘进及开采期间瓦斯涌出量较大,现在采取的主要措施为施工瓦斯抽放钻孔进行瓦斯抽排,但在施工过程中由于受瓦斯动力及特殊地质构造影响,时常出现瓦斯异常涌出现象。为了确保施工安全,特制定以下方案。

2施工方案

(1)掘进工作面在掘进前必须进行瓦斯卸压抽放,顶板完好时在巷道两帮实施掘前预抽,具体施工方法如下:巷道在掘进过程中每隔50米施工一个钻场。钻场必须在巷道两帮交替施工,钻场长度4.0米,深度3.0米。每个钻场施工4个钻孔,孔深110米,第一个钻□孔距帮2.2米,与巷帮夹角1.0°,水平角度0°,第二个钻孔距帮2.4米,与巷帮夹角+0.5°,水平角度+0.5°,第三个孔距帮2.6米,与巷帮夹角1.0°,水平角度+1.0°,第四个孔距帮2.7米,与巷帮夹角2.0°,水平角度+2.0°(以上角度均为与巷道的实际相对角度);(2)巷道遇特殊地质条件无法施工掘前预抽钻场时,必须在掘进工作面迎头施工掘前预抽钻孔进行超前卸压。掘前预抽钻孔布置如下:共计施工四个钻孔,每帮各施工两个。钻孔距帮0.8米,第一个钻孔与煤层相对角度为水平零度。第二个钻孔水平角度为2度,与帮夹角为2度。钻孔深度根据现场地质条件确定,原则确定为间隔150米施工一次。(3)本煤层瓦斯钻孔施工:每隔3米施工一个钻孔,孔深不得低于工作面长度的90%,钻孔与顺槽的夹角为900,钻孔距离底板1.6米,钻孔角度根据煤层厚度及两巷高差现场确定。(4)封孔工艺。钻孔采用聚氨荃甲酸酯封孔。矿井下封孔主要要求聚氨荃甲酸酯在发泡后,在其内部形成的孔为封闭孔,孔口不得漏气。钻孔内安放抗静电PE塑料管,长为4-8m(也可根据煤层裂隙发育情况适当调节封孔深度),在PE管上固定毛巾布。卷缠药液法封孔操作程序为:先称量出封一个孔的甲、乙两组成药液,分别装入到两个容器内,再将两种药液同时倒入一个混合桶内,并立即用木棒快速均匀搅拌,当两种药液颜色由黄褐色变为乳白色时,停止搅拌,将混合好的药液均匀的倒在毛巾布上,同时把卷缠好药液的封孔管插入钻孔内,大约4~5分钟后,药液逐渐开始发泡膨胀,大约20分钟后停止发泡,逐渐成硬化固结。

3安全防范措施应急预案

(1)巷道内出现瓦斯超限时。1)掘进迎头瓦斯涌出量突然增大,回风流瓦斯超限时,在无法增加供风的条件下,必须等涌出量降至正常回风流瓦斯浓度在《煤矿安全规程》允许范围内后方可施工。2)钻机处局部瓦斯积聚超限时,可以采用设置导风板、导风帘或用压风予以稀释。

(2)巷道内突然停风时。1)专职电工立即切断电源,现场施工负责人要求停止施工,将施工人员撤离至巷道全风压新鲜风流中,并在掘进巷道口设置栅栏,汇报矿生产调度室。2)如果由于供电线路故障导致停风,供电恢复后不得立即供风,恢复通风前,必须由矿专职瓦斯检查员现场检查瓦斯,只有在局部通风机及其开关附近10m以内风流中的瓦斯浓度都不超过0.5%时,停风区中最高瓦斯浓度不超过0.8%和最高二氧化碳浓度不超过1.5%,方可指定人员人工开启局部通风机,恢复正常通风。停风区中瓦斯浓度超过0.8%或二氧化碳浓度超过1.5%,最高瓦斯浓度和二氧化碳浓度不超过3.0%时,必须由通防专业人员控制风流排放瓦斯。停风区中瓦斯浓度或二氧化碳浓度超过3.0%时,必须制订安全排瓦斯措施,报矿技术负责人批准。由通防专业人员或救护队人员限量排放。3)如果局部通风机烧坏导致停风,掘进工区值班人员必须立即组织人员更换。恢复通风前必须执行探查制度,程序同2)。4)如果风筒损坏导致停风,掘进工区值班人员、跟班人员必须立即组织人员更换、修补。修补前必须由矿专职瓦斯检查员检查瓦斯,只有在局部通风机及其开关附近10m以内风流中的瓦斯浓度都不超过0.5%时,停风区中最高瓦斯浓度不超过0.8%和最高二氧化碳浓度不超过1.5%,方可指定人员人工开启局部通风机,恢复正常通风进行风筒更换修补。停风区中瓦斯浓度超过0.8%或二氧化碳浓度超过1.5%,最高瓦斯浓度和二氧化碳浓度不超过3.0%时,必须由通防专业人员断开风筒、控制风流逐节排放瓦斯,最后全部恢复供风。停风区中瓦斯浓度或二氧化碳浓度超过3.0%时,必须制订安全排瓦斯措施,报矿技术负责人批准。由通防专业人员或救护队人员限量排放。

在排放瓦斯过程中,排出的瓦斯与全风压风流混合处的瓦斯和二氧化碳浓度都不得超过1.5%,且采区回风系统内必须停电撤人,并安设专人在指定位置站岗。

在进行巷道探查时,必须对巷道内的氧气含量进行探查,低于18%时严禁继续探查,必须配备氧气呼吸器由两个人一起探查。

4钻孔内瓦斯突然喷出时

(1)采取防护措施:a.在钻孔处安设防静电护罩,钻杆穿过护罩,在护罩上留设抽放口,并与瓦斯抽放管路相连,如果出现喷孔,立即抽放。b.施工人员不得正对钻孔施工,防治喷孔或顶钻伤人。

(2)打钻过程中如遇喷孔,必须立即停止钻进,如果回风流瓦斯浓度不超过0.8%,必须立即提出钻杆,用聚氨酯封孔抽放。

(3)如果喷孔后回风流瓦斯超过规定,专职电工立即切断电源,现场施工负责人要求停止施工,将施工人员撤离至巷道全风压新鲜风流中,并在掘进巷道口设置栅栏。

(4)专职瓦斯检查员检查巷道口与全风压混合处的瓦斯浓度,如果瓦斯浓度超过0.8%,必须立即撤出受喷出巷道威胁的其他地点的工作人员,撤离至矿井主要进风大巷。如果由于喷出造成三采区回风大巷回风流中的瓦斯浓度超过0.75%,必须立即执行矿井应急预案,由调度室值班人员下达全矿撤人命令。

(5)通防专业领导接通知后立即安排专人赶往喷出巷道查看情况,但不得擅自进入喷出巷道,必须等巷道回风流中瓦斯浓度降至规定范围后方可查看。如果钻机周围及回风流瓦斯浓度不超过0.8%,必须立即提出钻杆,用聚氨酯封孔抽放。

(6)钻机前方与煤壁之间加护板,以防瓦斯喷出时伤人。

瓦斯涌出异常篇3

徐矿集团张双楼煤矿1986年建成投产, 设计生产能力为120万t/a, 自建井以来, 瓦斯涌出量一直都很小, 采掘工作面的瓦斯浓度一般为0～0.04%, 二氧化碳浓度一般为0.04%～0.10%, 采区回风流的瓦斯浓度一般为0.02%～0.04%, 二氧化碳浓度一般为0.04%～0.12%。矿井近年来瓦斯等级鉴定结果表明, 矿井为低瓦斯矿井, 如表1所示。

从表1中可以看出, 矿井瓦斯、二氧化碳的绝对涌出量随着开采的延伸和开采范围的扩大而呈逐渐增大的趋势, 矿井瓦斯、二氧化碳的相对涌出量受采深的影响不明显。

2 7425下顺槽掘进工作面概况

7425下顺槽掘进工作面西起-1 000 m西一皮带上山, 东至工广保护煤柱, 南部为7423工作面, 北部为未采区。

采用功率为2×11 k W, 局部通风机压入式通风, 正常时迎头瓦斯浓度为0.02%～0.04%, 2009年10月下旬7425下顺槽掘进至460 m时, 煤层出现异常, 遇到一条落差0～7 m近EW向正断层, 煤层厚度由3.5 m增加到8 m, 最厚处达10 m, 断层处煤质松软破碎, 迎头瓦斯浓度为0.3%～0.5%, 回风流瓦斯浓度为0.6%～0.85%, 放炮时最高达到1.4%。瓦斯相对涌出量最高达10.35 m3/t。

3 瓦斯涌出异常原因分析

3.1 煤层厚度

瓦斯是在成煤过程中产生的, 因而煤的厚度与瓦斯生成量有一定关系。一般, 煤层厚度越大, 瓦斯含量越高, 因此厚煤带一般也是瓦斯富集带, 煤包往往也是瓦斯包。

从7425下顺槽探煤钻孔资料可知, 7425下顺槽瓦斯涌出异常区地质结构十分的复杂, 有煤层分岔、重叠现象, 煤层厚度变化大。

3.2 地堑构造

7425下顺槽断层较发育, 其中有两条倾向相反的近SN向小型逆断层穿过, 形成了一个小型地堑, 如图1所示。压性断层因其受到较大应力作用, 结构致密的断层泥、糜棱岩较发育, 透气性差, 瓦斯沿断层方向运移相对困难, 因此, 压性断层易于煤层中瓦斯积聚。而张性断层则相反, 其中结构松散的碎裂岩, 断层泥比较发育, 透气性好, 易于瓦斯释放。

3.3 地下水的影响

地下水的活动有利于瓦斯的逸散。凡煤系地层中地下水补给来源充分, 各含水层之间水力联系较好, 富水性较强, 活动性较大者, 一般瓦斯含量小, 这就是“水大瓦斯小, 水小瓦斯大”的一般规律[1]。该矿瓦斯含量小的一个重要原因就是因为矿井水活跃, 涌水量大。但在7425掘进面区域内, 涌水量很小, 所揭露的巷道煤壁比较干燥, 因此煤吸附瓦斯能力大, 煤层中的瓦斯含量高。

3.4 围岩性质

异常区由于煤质松软, 孔隙量大, 能吸附着大量的瓦斯, 煤层顶底板均为对瓦斯封闭有利的致密性泥岩, 泥岩层较厚, 对瓦斯的运移起到阻碍作用。

4 应对措施

(1) 加强局部通风和电气设备的管理, 杜绝失爆, 确保供电可靠, 保证局扇正常供风, 严禁无计划停电停风现象出现。风筒出口风量不小于266 m3/min, 风筒出口距迎头不得大于5 m。

(2) 为提前释放瓦斯, 防止瓦斯突出, 在掘进迎头施工探放瓦斯孔进行泄压[2]。使用φ25 mm钻杆, φ38 mm钻头, 探眼为5个, 分别在巷道左帮上下、右帮上下各施工2个孔, 距顶、底和帮为0.5 m, 巷道中间施工1个探孔, 深度均为4 m, 探孔不得作为炮孔使用。通过实施泄压孔以后, 迎头的瓦斯浓度保持在0.1%以内, 回风流为0.1%～0.3%。

(3) 严格执行“一炮三检”和“三人连锁放炮”制度, 严格执行现场交接班制度。每班至少检查3次瓦斯。迎头20 m内瓦斯达到0.8%时必须停止用电钻打眼、严禁放炮。

(4) 严格执行综合防尘措施。放炮使用水炮泥, 严禁放明炮、放糊炮, 放炮时人员撤到距迎头100 m以外地点, 并在警戒地点安装1部电话。放炮后30 min方可进入迎头。

(5) 加强安全监控系统的管理, 保证系统正常、可靠。探头严格按标准要求吊挂、定期充校。严格执行风电闭锁和瓦斯电闭锁的规定, 确保断电动作灵敏可靠。

5 结论

7425下顺槽掘进期间瓦斯异常涌出是由于特殊的地质情况而出现的局部现象。对于高瓦斯地区, 只要及时施工泄压孔, 加大供风量, 使煤层内的瓦斯得以快速释放和稀释, 瓦斯浓度保持在安全范围以内, 同时加强电气设备管理、安全监控系统的管理、放炮管理和综合防尘等工作, 就可以保证采掘施工的安全。

参考文献

[1]靳建伟, 吕智海.煤矿安全[M].北京:煤炭工业出版社, 2005

瓦斯涌出量篇4

瓦斯涌出量指的是单位时间内实际涌到采掘空间的瓦斯数量。表示矿井瓦斯涌出量的指标有:绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。绝对瓦斯涌出量指单位时间内涌出瓦斯的体积, 单位是m3/d或m3/min;相对瓦斯涌出量指正常生产条件下平均日产1 t煤涌出瓦斯量, m3/t。

瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。瓦斯矿井每2 a进行一次瓦斯等级鉴定。高瓦斯矿井和突出矿井不再进行周期性瓦斯等级鉴定工作, 但应每年测定和计算矿井、采区、工作面瓦斯涌出量。经鉴定或者认定为突出矿井的, 不得改定为瓦斯矿井或高瓦斯矿井。

瓦斯涌出异常篇5

山西新元煤炭有限责任公司(简称新元公司)矿井一期生产能力达到3.0 Mt/a。2010年该矿井被鉴定为瓦斯突出矿井,3号煤层最大瓦斯压力达2.44 MPa,地质构造复杂,具有煤与瓦斯突出危险性,瓦斯灾害已成为制约新元公司高产、高效、可持续发展的瓶颈。为防止煤与瓦斯突出灾害,避免人员伤亡,需要搞清瓦斯地质赋存规律[1],研究一种非接触式连续预测瓦斯突出的方法。

本文针对新元公司的实际情况,设计了瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统。该系统以瓦斯地质基础理论为指导,将矿井煤层赋存、瓦斯赋存、地质构造等相关的海量数据数字化入库,结合最新瓦斯地质实测参数综合、动态地分析矿井瓦斯赋存规律,预测工作面前方的瓦斯参数(压力、含量、涌出量)、煤层情况及地质构造影响情况[2]。在事故理论、预警理论、瓦斯灾害防治理论指导下,自动采集工作面瓦斯监控数据并获取掘进过程中蕴含的瓦斯涌出及突出预兆信息,分析瓦斯涌出量、瓦斯含量、煤体结构等因素与突出的潜在关系,对工作面突出危险性进行实时预警。在区域上重点把控危险区,在局部对具有突出危险性的工作面当前所处的状态进行超前提醒和实时预警[3,4]。

1双系统并行架构

瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统包含瓦斯地质分析子系统及瓦斯涌出预警子系统(简称KJA),2个子系统基于中央数据库相互配合、共同作用,如图1所示。采用GIS(地理信息系统)技术建立瓦斯地质空间数据库,对瓦斯地质相关的信息进行数字化处理和存储,能够进行复杂的空间、几何、拓扑运算。属性数据库存储预警规则、预警指标以及经过滤、采样的瓦斯监控数据。瓦斯地质分析子系统管理海量瓦斯地质数据,执行矿井瓦斯地质规律分析,从宏观上划出突出危险区,确定重点关注区域。瓦斯涌出预警子系统无缝连接煤矿综合监控系统(系统自动、实时采集监控数据),结合瓦斯地质分析子系统对重点关注区域内的工作面进行非接触式连续突出预警。

整个系统运行的网络结构如图2所示。为了保证井下监控环网的安全性,KJA服务器通过防火墙接入井下安全环网,与瓦斯监控系统服务器连接,实时采集瓦斯传感器数据。KJA客户端通过办公网与KJA服务器连接并执行相关设置。瓦斯地质分析子系统通过办公网与瓦斯地质空间数据库服务器连接,维护相关的基础数据并进行分析。KJA服务器连接瓦斯地质空间数据库服务器并进行数据交换。在采集数据、根据预警指标和规则综合分析并生成预警结果后,通过工业以太环网或无线网络以预警客户端和短信的形式发布预警结果。

2数据库建设及子系统功能

2.1核心数据源

(1)瓦斯地质空间数据库。利用GIS空间数据库引擎结合关系数据库建立瓦斯地质空间数据库。在GIS基础理论的指导下,根据瓦斯地质数据的几何特性将其分为点、线、面图层进行存储,并结合瓦斯地质理论对不同的图层添加相应的属性字段,以记录图元实体对象的特征信息[5]。图层分类见表1。

(2)瓦斯地质数据数字化。以采掘工程平面图、地质说明书、瓦斯预测统计报表等为数据基础,将AutoCAD图进行校正并变换到实际坐标;根据分类直接导入图层中,结合图元要素的性质对不同的图层对象添加相应的属性数据。

(3)KJA系统数据库。采用SQLServer2012创建属性数据库,主要用于存储KJA系统采集的瓦斯监控实时及历史数据、预警指标、预警结果等信息。预警结果表结构见表2。

2.2瓦斯地质分析子系统

在现有瓦斯地质研究理论和成果基础上,利用ArcGIS二次开发技术开发瓦斯地质分析子系统[6],实现如下功能:实测煤层瓦斯基本参数、异常现象点的管理及标注;瓦斯参数如压力、含量、涌出量预测及等值线智能绘制;煤厚、埋深预测及等值线智能绘制;突出危险性区域智能划分;区域划分措施对瓦斯等值线及突出危险区的影响效果分析。

瓦斯地质分析子系统的先进性体现在以下方面:1瓦斯地质图自动更新。有新的瓦斯参数录入系统后,系统自动对瓦斯地质图的相关内容进行重运算及更新,如图3所示。2区域措施影响。在有保护层开采和抽放措施的情况下,系统可以智能分析被保护层的被保护范围和抽放区域的残余瓦斯压力或含量,抽采评价效果如图4所示。

2.3瓦斯涌出预警子系统

多数煤与瓦斯突出发生前会产生各种各样的预兆,瓦斯涌出会发生异常[7,8],正常情况下和突出前掘进工作面回风瓦斯体积分数对比如图5所示。KJA系统采集并分析煤矿安全监控系统监测到的瓦斯涌出信息,自动计算各种瓦斯涌出指标,依据这些指标的变化对工作面的突出危险性进行实时预警。

针对新元公司的煤层情况和开采工艺条件,考察其瓦斯涌出特征及突出危险性的敏感指标[9],借助.NetFramework平台及C#语言进行编程,嵌入预警指标和模型,实现实时在线预警。常用预警指标见表3。预警效果如图6所示。

3系统关键技术

(1) 瓦斯地质空间数据库的建立。利用ArcGIS的桌面软件ArcCatalog,结合SQLServer与ArcSDE空间数据引擎创建空间数据库。在数据库中创建井上要素图层集、公共要素图层集及煤层要素图层集。考察矿井所处的经纬度,附加3°分带(如:Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone)投影坐标系。根据表1的分类在各个图层集中为各类数据创建点、线、面图层,并添加属性字段。

(2)瓦斯地质符号自动标注。对于简单的数值标注,直接采用ArcMap提供的标注功能在Mxd地图模板文件中进行设置,由MapControl直接调用模板文件进行显示即可。对于如瓦斯压力点、突出事故点、地堪钻孔等复杂的符号,需要为其建立注记要素 (Annotation)图层,利用IElement,IPoint,IPolygon,IConstructCircularArc接口用代码绘制符号,再利用IAnnotationFeature接口进行保存。

(3)突出危险区的自动划分。利用IFeatureClass和IFeature接口从空间数据库中读取地质构造信息并进行数值运算,计算其影响距离;利用ITopooperator接口的Buffer方法构建地质构造的影响范围,再利用ITopooperator的Cut方法调用等值线来划分整个煤层边界面;最后结合地质构造影响范围,用ITopooperator的Intersect和Union方法对划分出的区块进行求交和合并。

(4)瓦斯抽采评价。利用IPointCollection获取抽放区域内的瓦斯含量采样点,将Point的Z属性附上采样点的含量值;用IZCollection接口的OffsetZs属性减去抽放后下降的瓦斯含量平均值;最后利用ITinEdit接口拟合处理后的采样点集合重构Tin,利用ITinSurface接口生成抽采后的瓦斯含量等值线。在Tin的基础上利用ISurface也可以推算煤层范围内任意点的瓦斯含量值。

(5)与瓦斯监控系统的接口设计。目前国内主流安全监控系统上传到矿务局的数据都有标准的格式,在KJA服务器中创建FTP服务,由安全监控系统提供的功能上传瓦斯传感器定义的文本及实时数据文本。利用MicrosoftVisualC#开发Windows系统服务,根据指定工作面匹配传感器编码及地址,实时读取瓦斯传感器数据,过滤掉无效数据后转存到KJA数据库中。

(6)预警指标计算。利用MicrosoftVisualC#编写预警分析类,为表3中的每个预警指标编写一个方法,根据工作面选取的预警指标,获取相关数据并逐个进行计算,得出预警结果及等级,最后选取一个最高等级作为最终预警结果发布。

4应用效果

收集、整理了新元公司井田3号煤层原始瓦斯含量数据,包括井下实测和煤层地勘钻孔原始瓦斯含量,将其录入瓦斯地质分析子系统进行分析,得出影响新元井田3号煤层瓦斯赋存的主控因素为煤层埋藏深度。原始瓦斯含量预测模型为W =0.0477H-10.302(H为埋深,300~770m)。对多组数据进行预测及验证,得出平均相对误差为10.57%,准确率均高于80%。系统在该预测模型的基础上自动绘制了3号煤层的含量等值线,如图7所示。

对地质构造复杂的突出危险区内的工作面进行了重点关注,利用KJA系统对其进行实时预警[11]。从2013年6月至12月,共发布信息5172次,累计进尺超过2500m。其中,发布正常信息4980次,占96.29%。有28个区段发生预警,共计预警192次,其中威胁预警128次,占总预警次数的2.47%;危险预警64次,占1.24%。本文采取系统发出预警后到井下实际测定、观察的验证方法,将预警结果与井下实测值及地质情况进行对比,结果表明,瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统的预警准确率达79%,预警效果良好。

5结语

瓦斯涌出异常篇6

1 研究方法

计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics, 简称CFD) 可通过计算机数值计算和图像显示, 对包含有流体流动和传热、传质等相关物理现象进行分析。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场, 如速度场和压力场, 用一系列有限的离散点上的变量值的集合来代替, 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组, 然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看成是流体基本方程控制下对流体的数值模拟。通过这种数值模拟, 可以得到所研究的流场内各个位置上基本物理量的分布以及物理量随时间的变化情况。

2 模型建立

模拟平直掘进巷道中的一段, 巷道断面形状为梯形, 上底宽2.4 m, 下底宽3.0 m, 高2.4 m, 采用木棚支护, 圆木Ø0.1 m (为研究方便, 将巷道支护断面简化为边长0.1 m的正方形) , 支护间距为1.0 m。压入式局部通风, 风筒布置在巷道顶部中央, 风筒Ø600 mm, 风筒出口距掘进面10 m, 风筒出口平均风速为10 m/s。局部通风掘进巷道的风筒布置和巷道断面的几何形状如图1所示。

风筒出口平均风速为10 m/s, 瓦斯从风筒出口到巷道掘进面的10 m内沿煤壁 (两帮和掘进面) 均匀涌出。流体可视为不可压缩流体, 在解算中气体密度随压力的变化可以忽略。

3 瓦斯涌出量对瓦斯分布的影响分析

为了研究瓦斯涌出量对风流流场和巷道中瓦斯分布的影响, 分别对涌出量0.081 771, 0.210 883, 0.445 196 kg/ (m3·s) (回风瓦斯平均浓度分别为2%、5%、10%) 时巷道中的流场和流场中的瓦斯浓度分布进行数值模拟, 并对结果进行分析。

3.1 流场分析

回风瓦斯平均浓度分别为1%、2%、5%和10%时, 过巷道轴线的纵截面 (X=0 m) 上的流场分布如图2所示。

由图2可以看出, 在瓦斯涌出量较低 (回风瓦斯平均浓度为1%、2%、5%) 时, 各流场之间的差别很小。无论在何种空气运动状态下, 瓦斯浓度分布引起的上浮力总是存在的, 而且作用于流场, 只是当风速较大或者瓦斯浓度较低时其上浮力作用非常微弱而已。随着瓦斯涌出量的增大, 瓦斯对流场的影响越来越明显。

当风速较低时, 受瓦斯积聚影响引起的集聚区空气密度降低而产生的上浮力作用会改变流场的流动状况, 产生与正常通风条件下的瓦斯运动不同的特征。这种现象在图2d中表现得很明显, 由于体积力的作用在靠近掘进面处产生涡流, 出现瓦斯沿顶板逆流的现象。

从以上各流场的趋势可以推断, 瓦斯涌出量越大且集中涌出时, 瓦斯不易被稀释, 易造成瓦斯积聚, 瓦斯沿顶板的逆流区域越长。

为了进一步证实当瓦斯涌出量较大时靠近掘进面处出现的沿顶板逆流现象是由空气与瓦斯的密度差而不是由于瓦斯涌出体积流量增加引起的, 现将上例 (瓦斯从巷道掘进面和两帮涌出, 回风瓦斯平均浓度c=10%) 中涌出的瓦斯改为同等分量的空气, 模拟结果显示巷道流场如图3所示。风流由风筒出口射出经掘进面折返, 并未在巷道掘进面的上部区域出现漩涡, 从而充分证明了瓦斯逆流现象是由空气—瓦斯混合气体密度和空气的密度差造成的。

3.2 瓦斯浓度分析

回风瓦斯平均浓度为1%、2%、5%和10%时, 过巷道轴线的纵截面 (X=0 m) 上的瓦斯浓度分布分别如图4所示。

由图4可以看出:①在瓦斯涌出量不太大的情况下 (回风瓦斯平均浓度为1%、2%和5%) , 当回风瓦斯平均浓度成比例变化时, 低浓度区的瓦斯浓度大致成比例变化 (图4a中的瓦斯浓度为0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的等值线和对应图4b中瓦斯浓度为0.4%、0.8%、1.2%和1.6%以及图4c中瓦斯浓度为1%、2%、3%和4%的等值线大致在相同的位置) , 但在靠近掘进面处瓦斯浓度较高的区域, 瓦斯浓度并不是成比例变化 (图4a瓦斯浓度为1%的等值线和图4b中瓦斯浓度为2%的等值线以及4c中瓦斯浓度为5%的等值线位置明显发生偏移) 。②当回风瓦斯平均浓度为10%时, 过巷道轴线的纵截面 (X=0 m) 上瓦斯分布发生明显变化。从图4d可以看出, 在掘进巷道掘进面上部形成涡旋的区域内, 高浓度瓦斯明显上浮且集中在靠近掘进面处的近顶板区域。

当回风瓦斯平均浓度相同时 (c=1%) 风筒出口所在断面Z=0 m、Z=5.00 m和离掘进面0.01 m (Z=9.99 m) 的断面上的瓦斯浓度分布如图5所示。由图5中可以看出:①从风筒出口沿风流方向, 瓦斯浓度逐渐增大, 在靠近掘进面处巷道两帮底部和顶部瓦斯浓度较高。②从风筒出口到掘进面之间断面的上部都处于射流区, 下部处于回流区, 由于风流携带瓦斯从射流区到回流区, 瓦斯浓度沿程逐渐增高, 回流区巷道两帮下部风速较小, 因此巷道断面上两帮下部靠近壁面区域瓦斯浓度较高。③在靠近掘进面的断面上, 由于巷道4个角部区域的风速较低, 由风流携带和掘进面煤壁涌出的瓦斯得不到充分稀释, 因此横截面的4个角上瓦斯浓度较高, 容易发生瓦斯积聚。

当回风瓦斯平均浓度不同时, 在距离巷道掘进面2 m (Z=8.00 m) 断面上的瓦斯浓度分布如图6所示。图6a和6b中高浓度瓦斯集中在两帮靠近壁面区域。随着瓦斯涌出量的增大, 图6c中高浓度瓦斯出现上浮, 巷道顶板的2个角上瓦斯浓度较高。

距离巷道掘进面0.01 m (Z=9.99 m) 断面上的瓦斯浓度分布如图7所示。图7a中由于瓦斯涌出量较小, 较高浓度的瓦斯分布在断面的4个角上;随着瓦斯涌出量的增大, 瓦斯与空气混合气体的密度与空气的密度相差较大, 体积力作用增强, 上浮现象明显。图7b中高浓度瓦斯由两帮出现上浮, 图7c中整个断面上都出现瓦斯上浮现象, 高浓度瓦斯集中在巷道上部。与图7c中靠近掘进面区域高浓度瓦斯上浮是一致的。

4 结语

由煤矿井下梯形巷道掘进面瓦斯涌出规律数值模拟可知, 在瓦斯涌出量较低 (回风瓦斯平均浓度为1%、2%、5%) 时, 各流场间的差别很小。随着瓦斯涌出量的增大, 瓦斯对流场的影响越来越明显。

瓦斯涌出异常篇7

关键词：构造特征,构造煤,瓦斯地质规律,瓦斯含量,瓦斯涌出量,煤与瓦斯突出

1 井田地质构造特征

平煤股份四矿位于平顶山市西北约6 km, 东与一矿、二矿相邻, 西与五矿、六矿相邻, 南与三矿相接。井田位于李口向斜西南翼, 由于受区域构造的控制, 尤其是李口向斜及锅底山正断层的影响, 总体呈一向北缓倾斜的单斜构造, 地层走向80°~120°, 倾向10°~30°, 倾角6°~18°。南部 (浅部) 较陡 (12°~18°) , 向北部 (深部) 逐渐变缓 (5°~8°) 。向斜轴部易于储集瓦斯, 且丁5-6煤层顶、底板岩性多为泥岩、砂质泥岩, 封闭条件好, 更易于储集瓦斯。尤其是压 (扭) 性构造最易于形成构造煤、应力集中带[1]。且构造煤可以大量吸附瓦斯, 使轴部瓦斯含量高, 容易受到扰动[2]。开采到深部时, 煤层受挤压、剪切强烈, 煤层破坏严重, 构造煤发育, 有利于瓦斯的储集, 易发生煤与瓦斯突出[3]。

井田内大中型断裂构造较简单, 而采掘揭露的小断层较发育。大中型断层井田内经勘探与生产揭露的大中型断层共3条, 断层特征见表1。

通过对井田小断层发育规律与分布特征分析, 大致可分为3个小断层带。

南部北西西向小断层带:该断层带己16-17煤层发育较好。控制该断层带发育的主要因素是锅底山断层的分支构造小山北正断层, 距该断层距离越近, 小断层愈发育。

东部和西部断层带:东部断层带和西部断层带呈NE向展布, 受大中型断层的控制较弱。从统计资料分析, 两断层带内小断层具有以下特征:①部分小断层在平面上呈之字型, 显示追踪早期剪节理的特征;②小断层的优势方位为NW向和NE向2组, 二者夹角在75°左右, 同煤系地层中常见岩石剪裂角相近;③NW和NE向断层组平均走向锐角平分线大致为NE14°, 与李口向斜轴 (或者说区域构造线方向) 近于垂直;④多数正断层断层面平整光滑, 具剪节理面特征。该组小正断层应属李口向斜形成时期 (燕山期) , 由全区统一的NE—SW向挤压力作用下形成的早期X型共轭剪节理进一步发育转化而成[4]。

2 矿井瓦斯地质规律研究

井田内既发育NWW—NW向的小型正断层、逆断层, 又发育NNE—NE向的小型正断层、逆断层, NNE—NE向的小型正断层附近构造煤没有NWW—NW向断层附近发肓, NWW、NW向的小型正断层、逆断层附近构造煤都比较发育, 断层面附近构造煤全层发育, 逆断层两盘煤体的破坏程度大于正断层。

四矿南部、西南部发育NW、NWW向的小型正断层、逆断层, 该断层带第一期构造应力场为压 (扭) 性活动, 第二期为张 (扭) 性活动, 第三期 (喜山期) 仍属于压 (扭) 性活动, 断层附近煤体破坏严重, 由于该区各煤层埋藏较浅, 有利于瓦斯释放。对于深部煤层NW、NWW向小断层, 有利于瓦斯保存, 小断层附近具有突出危险性[5]。

井田北部、东北部发育NE、NNE向的小断层, 构造煤没有NW、NWW断层附近发育, 但该区位于井田深部, 上覆基岩较厚, 与上部没有形成通道, 且顶板岩性以泥岩、炭质泥岩为主, 具有很好的封闭作用, 利于瓦斯保存。位于井田浅部的NNE—NE断层, 在第三期 (喜山期) 构造应力场表现为张 (扭) 性, 有利于瓦斯释放[6]。

四矿各煤层采掘过程中出现的多处瓦斯涌出异常情况, 多数是在断层附近一定距离内。根据以往所发生过的17次煤与瓦斯突出事故, 有16次发生在断层构造附近, 1次发生在煤层倾角突然增大区域, 说明四矿丁组、己组煤层的突出危险性与地质构造有着明显的关联关系。据矿井采掘生产资料, 丁5-6煤层的小断层数量和密度均高于其他的已采煤层, 各煤层东部地质构造复杂, 西部地质构造相对简单, 开采时东部瓦斯涌出量明显高于西部。

井田内褶曲不发育, 仅在丁、戊、己组煤层有较少宽缓向斜, 对瓦斯赋存控制不明显[7]。

3 瓦斯含量分布及预测

在对矿井瓦斯地质规律分析研究之后, 以瓦斯地质理论为基础, 筛选、统计分析了四矿历年来己15、己16-17、丁5-6、戊8、戊9-10煤层测试的原始瓦斯含量。对煤层瓦斯含量与其对应的煤层埋深、上覆基岩厚度和底板标高进行了回归分析 (图1—图5) 。选择这几个对煤层瓦斯含量影响较大的因素进行回归分析, 并以此找出主控因素, 确定煤层瓦斯含量的回归方程和梯度。因煤层较多, 不能一一列举影响煤层瓦斯含量因素的回归图和方程。

通过以上定量分析, 找出了影响四矿各煤层煤层瓦斯含量的不同主控因素关系。

(1) 己15煤层瓦斯含量预测:利用上覆基岩厚度与瓦斯含量的关系来预测四矿己15煤层的瓦斯含量。回归方程为y=0.031 3x-16.938。

(2) 己16-17煤层瓦斯含量预测:利用上覆基岩厚度与瓦斯含量的关系来预测四矿己16-17煤层瓦斯含量。回归方程为y=0.011x+0.065。

(3) 丁5-6煤层瓦斯含量预测:利用底板标高与瓦斯含量的关系来预测四矿丁5-6煤层瓦斯含量。回归方程为y=-0.020 9x-4.497 4。

(4) 戊8煤层瓦斯含量预测:利用底板标高与瓦斯含量的关系来预测四矿戊8煤层瓦斯含量。回归方程为y=-0.016x-2.16。

(5) 戊9-10煤层瓦斯含量预测:利用底板标高与瓦斯含量的关系来预测四矿戊9-10煤层瓦斯含量。回归方程为y=-0.063 4x-20.184。

4 矿井瓦斯涌出量预测

煤层瓦斯含量的多少也是影响瓦斯涌出量的主要因素, 瓦斯含量越大, 可能在回采过程中瓦斯涌出量就越大, 越危及矿井的安全生产[8]。在影响瓦斯涌出的地质因素分析中, 通过煤层底板标高、埋深、上覆基岩厚度等影响煤层瓦斯含量的主控因素与瓦斯涌出量的线性分析, 分别建立各煤层主控因素与绝对瓦斯涌出量预测数学模型。

(1) 己15煤层回采工作面瓦斯涌出量预测如图6所示。

(2) 己16-17煤层回采工作面瓦斯涌出量预测如图7所示。通过定性、定量分析, 绝对瓦斯涌出量百米梯度达3.59 m3/min, 相关系数R大于0.9, 可靠性好。

(3) 丁5-6煤层回采工作面东翼瓦斯涌出量预测如图8所示。通过定性、定量分析, 绝对瓦斯涌出量百米梯度达5.22 m3/min, 相关系数R大于0.6, 可靠性好。

(4) 丁5-6煤层回采工作面西翼瓦斯涌出量预测如图9所示。通过定性、定量分析, 绝对瓦斯涌出量百米梯度达6.86 m3/min, 相关系数R大于0.8, 可靠性好。

(5) 戊8煤层回采工作面东翼瓦斯涌出量预测如图10所示。通过定性、定量分析, 绝对瓦斯涌出量百米梯度达6.86 m3/min, 相关系数R大于0.8, 可靠性好。

(6) 戊8煤层回采工作面西翼瓦斯涌出量预测如图11所示。通过定性、定量分析, 绝对瓦斯涌出量百米梯度达1.02 m3/min, 相关系数R大于0.8, 可靠性好。

(7) 戊9-10煤层回采工作面瓦斯涌出量预测如图12所示。通过定性、定量分析, 绝对瓦斯涌出量百米梯度达4.69 m3/min, 相关系数R大于0.8, 可靠性好。

5 结论

(1) 平煤股份四矿己15、己16-17煤层埋藏深度、上覆岩层有效厚度对瓦斯含量大小均影响较大, 相关系数均较好。煤层底板标高对丁5-6、戊8、戊9-10影响较大, 相关系数较好。

(2) 上覆基岩厚度对己15、己16-17煤层瓦斯涌出量影响较大, 相关系数好。煤层底板标高对丁5-6、戊8、戊9-10影响较大, 相关系数较好。

参考文献

[1]张子敏, 瓦斯地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2009.