容易自燃煤层火成岩顺层侵入区瓦斯涌出规律及防治实践

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1、容易自燃煤层火成岩顺层侵入区瓦斯涌出规律及防治实践大兴矿陈志平摘要：以大兴煤矿南五采区7煤层为对象，通过煤样试验、现场实测结合理论分析火成岩顺层侵入对煤层瓦斯赋存及涌出规律的影响，并定量分析了该瓦斯地质条件下综采工作面的瓦斯涌出规律，对比分析不同瓦斯防治措施的效果，为同类型地质条件瓦斯治理工作积累了经验。关键词：火成岩；顺层侵入；容易自燃；瓦斯赋存规律；瓦斯涌出铁法煤田为一走向北北东向的断坳式沉积盆地，大兴井田位于铁法煤田西南部的盆地中心，总体呈北北东向展布、东西狭窄的向斜盆地。井田内构造复杂，正断层较发育、岩浆活动频繁、发育一些伴生的短轴背、向

2、斜构造。含煤地层分上、下两个含煤段，主要可采煤层10个。大兴煤矿为一设计生产能力3Mt/a的煤与瓦斯突出矿井，现核定生产能力为3.30Mt/a。到目前共发生过10次突出，最大突出煤量450t、涌出瓦斯量2.3万m3，2017年测定矿井相对瓦斯涌出量20.08m3/t，绝对瓦斯涌出量116.95m3/min。开采层煤自燃倾向性等级为I类容易自燃和II类自燃、煤尘具有爆炸性。多年开采实践经验表明，突出、自然发火事故与火成岩构造的发育和侵入关系密切。火成岩侵入影响后煤层结构变得复杂、煤低温耗氧自热更强、煤层瓦斯压力和含量实测均较原生煤异常增大、升高。火

3、成岩构造对于煤层的破坏及瓦斯赋存条件的改变是发生突出和自然发火的主要因素、也是制约生产的主要根源，且在生产实践中瓦斯与内因火灾相互关联，严重影响矿井安全生产。通过统计分析煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征，选取“靶向”目标治理瓦斯方法，能有效地提升矿井生产能力、保障安全。1试验区概况南五采区位于大兴井田东南部，宏观上为一单斜构造，地质构造较复杂。区内构造以断层为主并伴有宽缓的褶曲，火成岩侵入严重、且无规律。侵入形式以岩床为主，岩墙次之。局部区域发育有陷落岩体。煤层以复合煤层为主，厚度变化大，结构复杂，受火成岩侵入破坏影响局部形成天然焦。目前主要开采上煤

4、组、以7-2煤层为主要生产煤层，为不粘煤、气煤。火成岩岩床侵入煤层后破坏其连续完整性将其一分为二，形成了7-2上煤层和7-2煤层。围绕火成岩体的煤层发生渐次接触热变质作用，表现为环带状分布的接触变质晕。地勘期间测得7-2煤层瓦斯含量为0.55~13.77m3/t·daf。生产期间在-533m、-665m标高分别测得瓦斯压力为0.56MPa、2.5MPa；煤层瓦斯放散初速度△P=10~13.5；坚固性系数f=0.42~1.33，煤层以Ⅰ～Ⅱ类煤破坏类型为主，局部存在软分层或软煤，破坏类型为Ⅵ～Ⅴ类。该区北翼浅部711综采面瓦斯涌出量为70.42m3

5、/min、其深部719综采面瓦斯涌出量高达90.29m3/min；而南翼浅部712综采面最大瓦斯涌出高达120m3/min。712、719综采面均因瓦斯涌出量大、回采进度慢而造成采空区自燃导致封闭综采面；719综采面改造掘进新运顺时发生突出伤亡事故。711、717、719工作面倾斜方向位置见图1。图1南五采区倾向地质剖面图2火成岩侵入对煤层开采安全的影响当火成岩侵入煤层中时，除吞蚀部分煤层外，还造成煤质、煤氧化性能、煤体物理力学性质等的侧向变化。由表1煤样实验结果对比分析可发现，火成岩侵入过程中的高温烘烤作用使煤体内部水分受热气化造成变质煤水分含

6、量低于工作面正常煤；受火成岩侵蚀影响变质煤的灰分含量高于正常煤；而变质煤挥发分含量普遍低于正常煤。火成岩侵入煤层对提高煤的变质程度具有明显的提高作用。表1煤样工业分析实验结果煤样Mad（%）Aad（%）Vdaf（%）F（%）变质煤1.8713.9025.5620.68原生煤5.7912.4440.544.70通过两种煤样测定的孔隙率（表1）对比可发现由于火成岩侵入过程中的高温高压作用促进了变质煤中孔隙的发育，使得其邻近区域变质煤的总孔容增加、孔径（表2）变大，增强了气体渗容运移能力。表2煤的孔容及分布比例煤样孔径<20nm孔径20nm~50nm孔

7、径>50nm合计原生煤孔容（cm3/g）0.04380.00950.00960.0629比例（%）69.615.115.3100比表面积（cm2/g）17.9271.52830.244719.7比例（%）91.07.81.2100变质煤孔容（cm3/g）0.03010.0170.02630.0734比例（%）41.023.235.8100比表面积（cm2/g）11.8242.23880.837214.9比例（%）79.415.05.6100由表3瓦斯参数测定结果对比分析可发现，受火成岩侵入影响煤受热变质后，吸附能力增强，且进一步生成瓦斯；侵入体造

8、成煤体结构的破坏，改变了煤体的物理力学性质，煤层局部形成软煤分层，煤的坚固性系数减小、煤层透气性降低、煤放散瓦斯的能力增强；改造了煤岩体