瓦斯地质规律与瓦斯预测.ppt

1,瓦斯地质规律与瓦斯预测,2,3,煤炭形成后在长期的地质历史时期，受成煤作用和构造演化控制，形成不同的煤体结构及储层物性特征，使瓦斯（煤层气）的生成、赋存、运移，以及在煤炭开采过程中的涌出方式遵循一定的规律，即瓦斯地质规律。瓦斯地质规律包括瓦斯生成的地质条件，瓦斯保存的地质条件，瓦斯赋存特征，矿区、井田构造变形特征及复杂程度，不同方向的断裂、褶皱类型及发育特征，构造挤压、拉张、剪切应力场的演化历史，煤层结构破坏及构造煤的发育程度等。这些都是影响煤层瓦斯含量、矿井瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出危险性、煤与瓦斯突出强度和瓦斯抽放利用条件的主要地质因素。搞清它们之间的关系就搞清了瓦斯地质规律。,1瓦斯地质规律,4,1.1瓦斯赋存规律1、煤层埋深及产状与瓦斯赋存具有线性关系随着煤层埋藏深度的增加，甲烷所占比例增大，瓦斯含量增大。一般出露地表的煤层瓦斯容易逸出，而且空气也向煤层渗透，因而煤层中含有CO2，N2等气体，瓦斯含量少。在同一理深下，煤层倾角越小，煤层瓦斯含量越高。我国许多矿井浅部水平为低瓦斯矿井，随着水平延伸升级为高瓦斯矿井，到深部水平升级为突出矿井，从宏观定性说明瓦斯含量、涌出量随着埋深增加，成正相关关系。,1瓦斯地质规律,5,1.1瓦斯赋存规律2、地质构造及组合对瓦斯赋存影响明显褶曲类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响。封闭的背斜有利于瓦斯的储存，是良好的储气构造或称圈闭构造。简单的向斜盆地构造，其瓦斯排放条件往往是比较困难的。高沼矿区基本分布在向斜轴部，背斜鞍部、鼻状构造的倾斜端及“S”型背斜转折端等，,1瓦斯地质规律,6,1.1瓦斯赋存规律2、地质构造及组合对瓦斯赋存影响明显断层的开放与封闭性决定于下列条件（1）断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆断层封闭条件较好。（2）断层与地面或冲积层的联通情况。规模大且与地表相通或与松散冲积层相连的断层一般为开放型。（3）断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则利于瓦斯排放。（4）断层带的特征。如断层的充填情况、紧闭程度，裂隙发育情况不同，开放、封闭性也有差别。,1瓦斯地质规律,7,1.1瓦斯赋存规律2、地质构造及组合对瓦斯赋存影响明显重力滑动构造有利于瓦斯释放。逆冲推覆构造增加了煤层上覆岩层的厚度，且挤压作用降低了岩层的透气性，有利于瓦斯的保存。,1瓦斯地质规律,8,1.1瓦斯赋存规律3、岩浆侵入活动改变瓦斯赋存状态岩浆侵入含煤岩系、煤层，使煤、岩层产生胀裂及压缩。岩浆的高温烘烤可使煤的变质程度升高。另外，岩浆岩体有时使煤层局部被覆盖或封闭，有时因岩脉蚀变带裂隙增加，造成风化作用加强，逐渐形成裂隙通道。所以，在某些条件下岩浆侵入煤层有增加瓦斯生成量、保存瓦斯的作用，在某些条件下又有使瓦斯逸散的可能。因此，在研究岩浆岩对煤层瓦斯的影响时，要结合地质背景作具体分析。,1瓦斯地质规律,9,1.1瓦斯赋存规律4．煤层和围岩的透气性影响逸散煤系地层岩性组合及其透气体对煤层瓦斯含量有重大影响。煤层及其围岩的透气性大、瓦斯易逸散，瓦斯含量小；反之，瓦斯易于保存，煤层的瓦斯含量大。,1瓦斯地质规律,10,1.1瓦斯赋存规律5、地下水活动降低煤层瓦斯含量地下水与瓦斯共存于含煤岩系及围岩之中，它们的共性是均为流体，运移和赋存都与煤层和岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动。因此，地下水的活动有利于瓦斯的逸散；同时，水吸附在煤体裂隙和孔隙的表面，还减弱了煤对瓦斯的吸附能力。,1瓦斯地质规律,11,1.2构造煤赋存规律1、推覆构造、重力滑动构造伴生顺煤层剪切带，形成广泛分布的构造煤顺煤层剪切带是指沿煤层发育的，剪切面与煤层以小角度相交或者近于平行的剪切带。它是层面断层bedingfualts或顺层断层的一种，过去称之为顺层滑动构造。这种大规模的顺煤剪切带的走向、倾向和倾角和煤层是近于一致的。形成广泛分布、规模较大的构造煤。剪切带沿煤层发育，其位置可以在煤层上部，煤层下部，煤层中部或者整个煤层，其发育层位表现为一个顺层剪切煤层破坏带．一个煤层中可以发育一条剪切带，也可以是多条．在后一种情况下，剪切带可以相互交织，形成比较复杂的滑面结构。,1瓦斯地质规律,12,1.2构造煤赋存规律2、切层断层在断层带形成构造煤切层断层使构造煤呈现带状分布，构造煤厚度的增加和分布的范围，与断层性质、断层落差有关。切层小型正断层仅在断面和断层下降盘一侧形成薄层构造煤。,1瓦斯地质规律,13,1.2构造煤赋存规律3、褶曲构造伴生顺煤层剪切带褶曲形成的过程中由于不同岩层之间的位移量存在差别，会在某一个岩层中产生剪切滑动或层间滑动，即形成顺煤层剪切带。在同一煤层中，剪切优先选择以镜质组为主的光亮充分层中。在一个构造层内，顺煤层剪切带一般多发生在两组岩层强度差异性较大的界面附近，煤层是弱面，滑动构造常选择在煤层顶板或底板。,1瓦斯地质规律,14,1.3地质构造带及尖灭部位为构造应力集中带在断层带，尤其是逆断层带，仍存在较大的残余构造应力。在地质构造尖灭部位，虽然应力的集中度不足以形成构造，但也发生了应力集中。因为没有形成构造，集中应力没有得到释放，且长期存在。煤层厚度变薄或变厚的地区，也属构造应力集中应力带。,1瓦斯地质规律,15,1.3地质构造带及尖灭部位为构造应力集中带煤与瓦斯压出表现出明显的区域性1向斜轴部附近。2向斜轴和另一断裂或褶曲交汇地区。3向斜轴部的局部隆起区域。（4小断层群及顶板或底板凸起凹陷群区域。（5）煤厚及倾角突然、急剧变化区。,1瓦斯地质规律,16,1.4高应力区、高瓦斯区、构造煤发育区的复合部位是突出危险区国内外突出案例表明，高应力区、构造煤发育区和瓦斯富集区的叠加区是突出危险区。,1瓦斯地质规律,17,2矿井瓦斯涌出量预测技术,2.1预测方法,18,2.1矿山统计法（1）基本公式开采实践表明，在一定深度范围内，矿井相对瓦斯涌出量与开采深度呈如下线性关系,2矿井瓦斯涌出量预测技术,19,2.1矿山统计法（2）瓦斯测定资料统计分析,式中q为采区或工作面瓦斯涌出量的月平均值，m3/t；Qi、Ci为月内每次测得的回风量m3/min和回风流中瓦斯浓度；n为统计月份的测定次数；A为统计月平均日产量，t/d；Hc为全矿井加权平均开采深度m；Hi、Ai为鉴定月份第i采区的采深m和产量t。,2矿井瓦斯涌出量预测技术,20,2.1矿山统计法（3）使用条件及要点①生产矿井的延深水平、生产水平的新采区、与生产矿井邻近的新矿井，在应用中必须保证预测区的开采技术条件、地质条件与生产区相同或类似。②应用统计预测法时的外推范围一般沿垂深不超过100～200m，沿煤层倾斜方向不超过600m。③某些矿井相对瓦斯涌出量与开采深度之间并不呈线性关系，即a值不是常数，此时，应首先根据实际资料确定a值随开采深度的变化规律。④工作面从开切眼形成到第一次放顶期间，由于瓦斯涌出尚未达正常状态，在该段时间内的测定数据不能在统计分析中应用；⑤在采煤不正常的情况下测得的瓦斯涌出量，以及地质变化带采区瓦斯涌出量变化很大的情况下测得的瓦斯涌出量，均不能在统计分析中应用。⑥在实施瓦斯抽放的采区和工作面，还应考虑抽放瓦斯的影响。,2矿井瓦斯涌出量预测技术,21,2.3分源预测法2.3.1矿井瓦斯涌出的源井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。应用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量，是以煤层瓦斯含量、煤层开采技术条件为基础，根据各基本瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律，计算回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量。,2矿井瓦斯涌出量预测技术,22,2.3分源预测法2.3.2计算方法（1）开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量①薄及中厚煤层不分层开采时按下式计算②厚煤层分层开采时按下式计算（2）邻近层瓦斯涌出量,2矿井瓦斯涌出量预测技术,23,2.3分源预测法2.3.2计算方法（3）掘进巷道煤壁瓦斯涌出量（4）掘进落煤的瓦斯涌出量（5）回采工作面瓦斯涌出量（6）掘进工作面瓦斯涌出量,2矿井瓦斯涌出量预测技术,24,2.3分源预测法2.3.2计算方法（7）生产采区瓦斯涌出量（8）矿井瓦斯涌出量,2矿井瓦斯涌出量预测技术,25,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.1煤层突出危险性随采深增加而增大对同一矿区、同一矿井、同一煤层来说，随着开采深度的增加，煤层突出危险性增大，具体表现为突出次数增多、突出强度增大。在浅部开采为高瓦斯矿井，甚至为低瓦斯矿井，开采到深部后，由于煤层赋存条件的变化，煤层瓦斯压力增大，而转变为突出矿井；一些在浅部开采突出危害较轻的突出矿井，开采到深部后，转变为严重突出矿井。一般一个矿井或一个煤层有一个开始发生突出的深度，当小于该深度时不会发生突出，当开采大于该深度时，就有发生突出的危险，在煤与瓦斯突出领域，该深度称为始突深度。始突深度一般取决于发生突出的最小瓦斯压力和井田构造状况，一般是瓦斯风化带的深度深一倍以上。,3煤与瓦斯突出预测,26,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.2绝大多数突出发生在煤巷掘进工作面在统计的9845次突出中，煤巷掘进工作面突出7482次，占到76，石门揭煤工作面突出567次，占5.76，回采工作面突出1556次，占15.8。需要指出的是石门揭煤工作面突出次数少，并不代表石门揭煤突出危险小，危害轻，而是矿井石门揭煤次数少。在防突技术落后的60～70年代，几乎每次石门揭煤都要发生煤与瓦斯突出，而且一旦发生突出，往往发生特大型煤与瓦斯突出。我国的特大型突出几乎都是在石门揭煤工作面发生的。回采面突出次数少，而且回采面突出多数为危害相对较小的压出型煤与瓦斯突出，但采面人员集中，短兵相接，容易造成特大人身伤亡事故，不可忽视。,3煤与瓦斯突出预测,27,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.3石门突出危险性最大在统计的9845突出中，尽管石门突出次数少，但突出强度大，平均突出强度为316.5t，是平巷平均突出强度50t的6倍以上，瓦斯喷出量超过数万立方米，波及范围广，易造成非常严重的重大事故。而且从石门工作面距煤层2m起至穿过煤层全厚而进入顶板或底板2m止，整个揭穿过程都有危险，也曾发生过仅2m厚煤层在石门揭穿过程中突出两次的实例。在各种突出中，采面突出强度最小，平均突出强度为47.8t。,3煤与瓦斯突出预测,28,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.4煤层突出危险性随煤厚增加而加大对同一矿区、同一矿井来说，突出煤层厚度越大，突出危险性也越大，特别是软分层的厚度的增加，突出的次数增多，突出度增大。南桐矿务局三号煤煤层厚度0.3～0.5m，平均突出强度2吨，最大突出强度5吨；五号煤煤厚0.70.8m，平均突出强度38吨，最大突出强度38吨；六号煤厚1.01.5m，平均突出强度43吨，最大突出强度450吨；而煤层厚度较大的4号层，煤厚为2.53.2m，平均突出强度88吨，最大突出强度5000吨。该局所有特大型突出都发生在该煤层，突出次数占全局突出次数的60以上。,3煤与瓦斯突出预测,29,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.5突出大多数发生在地质构造带在有严重突出危险的矿务局的3082次有明确有无地质构造记录的突出中，有2525次突出突出地点有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度变化等地质构造，无地质构造的突出有557次，仅占18.1。需要指出的是，对刚刚开始突出的突出矿井、突出煤层，突出几乎都和地质构造有关，而对突出已有几十年历史的严重突出矿井、突出煤层，当作业地点无地质构造时，也可能发生煤与瓦斯突出。,3煤与瓦斯突出预测,30,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.6大多数突出前有作业方式诱导在对我国8480次有明确作业方式记录的突出事例统计表明，有8253次有放炮、支护、落煤、打钻等作业方式诱导了突出，占97.3,其中放炮作业突出5481次，占64.6。值得注意的是风镐落煤突出676次，占8；手镐落煤突出1102次，占13。尽管风镐落煤和手镐落煤突出强度一般不大，仅10～20吨，但施工人员在现场，一旦发生突出，势必造成人身伤亡事故。,3煤与瓦斯突出预测,31,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.7突出前大多有突出预兆多数煤与瓦斯突出事例发生前，都会出现各种不同的有声或无声预兆。在统计的我国5029次有明确突出预兆记载的突出事例中，有4493次突出发生前有突出预兆，占89.3，无突出预兆仅有536次，占10.7。因此，熟悉掌握煤与瓦斯突出，对防止突出造成人身伤亡事故，具有十分重要的现实意义。,3煤与瓦斯突出预测,32,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.8煤体破坏程度越高突出危险性越大突出煤层结构特点是是破坏程度高，多为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类煤，煤的坚固性系数f一般小于0.5，煤层瓦斯放散初速度ΔP大，煤层透气性系数小，层理紊乱，多为遭受到地质构造揉皱的构造煤。随着煤结构破坏程度的增大，煤的空隙体积增大,煤的强度减小，煤的瓦斯解吸和放散初速度增大。煤强度的减小,连结力和内摩擦角减小，使得煤在地压和瓦斯压力作用下更易于破碎，减少了破碎煤所需要的功。解吸速度的提高，使煤的瓦斯能量释放速度加快。以上这些因素都为煤和瓦斯突出创造了有利条件。,3煤与瓦斯突出预测,33,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.8煤体破坏程度越高突出危险性越大焦作工学院、丰城矿务局等单位将不同类型的破坏煤厚度与煤层总厚度之比，称为揉皱系数、软煤比也列入突出地质指标，其目的是将地质指标定量化，其公式为式中R揉皱系数；mⅤV类煤厚度，m；mⅣⅣ类煤厚度，m；mⅢⅢ类煤厚度，m；m煤层总厚度，m。一般认为R≤0.2时,无突出危险；0.2R0.5时，有突出威胁；R≥0.5时，有突出危险即ⅢV类煤占50以上。,3煤与瓦斯突出预测,34,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.9煤层突出危险区常呈区域条带状分布突出危险区呈带状分布。究其原因，目前的观点是突出危险区受到地质构造控制，而地质构造具有带状分布的特征，如断层、向斜轴部、火成岩侵入地区、煤层扭转地区、煤层产状急剧变化、压性及压扭性断层地带、煤层构造分岔、顶底板阶梯状凸起地区，特别是软分层变厚地区和各种地质构造交汇处都是突出点密集地区，发生大型甚至特大型突出地区。采掘形成的应力集中带，如采掘工作面邻近煤柱、采止线、两条巷道贯通之前的应力集中带，相向采掘的两工作面互相接近的采煤工作面集中应力带内煤层突出危险性增大。这些地区往往也有带状分布的特点，在这些地带不仅突出频繁，而且极易发生大强度煤与瓦斯突出。因此，在突出煤层开采过程中，地质部门应随时掌握工作面附近地质构造变化情况，能够针对性地指导防突工作的进行。,3煤与瓦斯突出预测,35,3.1煤与瓦斯突出一般规律3.1.10突出危险性随着有硬而厚的围岩存在而增大主要是硅质灰岩和砂岩等坚硬岩层的存在，有时造成巷道或工作面支架大面积不接顶，给弹性潜能的积聚创造条件，同时增大工作面前方应力梯度。,3煤与瓦斯突出预测,36,4.3.3“四位一体”综合防突实施,37,3.2煤与瓦斯突出预测方法分类按预测任务的不同分类,3煤与瓦斯突出预测,38,3.2煤与瓦斯突出预测方法分类按作业地点的不同分类,3煤与瓦斯突出预测,39,3.2煤与瓦斯突出预测方法分类按预测工艺的不同分类,3煤与瓦斯突出预测,40,3.3区域突出危险性预测方法,3煤与瓦斯突出预测,41,3.3.1单项指标法,3煤与瓦斯突出预测,42,3.3.2瓦斯地质统计法,,3煤与瓦斯突出预测,43,3.3.2综合指标法,3煤与瓦斯突出预测,44,3.4煤巷掘进工作面突出危险性预测,3煤与瓦斯突出预测,3.4.1钻孔瓦斯涌出初速度法,突出危险性判别,①在掘进工作面的软分层中，靠近巷道两帮，各打一个平行于巷道掘进方向，直径42mm，深3.5m的预测钻孔。②、留0.5m长测量室封孔用专用封孔器封孔；③钻孔瓦斯涌出初速度测定必须在2min内完成。,,,,,,,技术方法,,,,45,3.4煤巷掘进工作面突出危险性预测,3煤与瓦斯突出预测,46,3.4煤巷掘进工作面突出危险性预测,3煤与瓦斯突出预测,