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新义矿瓦斯地质规律及煤与瓦斯突出分级治理研究

新义矿瓦斯地质规律及煤与瓦斯突出分级治理研究

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作者：李祥林中国矿业大学

学位级别：硕士

在我国,煤与瓦斯突出问题已经成为制约煤炭工业健康安全生产的最大障碍。新义矿在多期地质构造运动相互叠加的影响下,井田内煤层厚度变化剧烈,瓦斯差异化赋存,煤体强度极低,矿井瓦斯治理工作严峻而复杂。因此,建立起针对不同突出危险程... 详细信息

在我国,煤与瓦斯突出问题已经成为制约煤炭工业健康安全生产的最大障碍。新义矿在多期地质构造运动相互叠加的影响下,井田内煤层厚度变化剧烈,瓦斯差异化赋存,煤体强度极低,矿井瓦斯治理工作严峻而复杂。因此,建立起针对不同突出危险程度的瓦斯治理体系,对于新义矿的瓦斯治理工作具有重要意义。本文从煤体自身性质和地质因素两个角度并结合突出实例来分析新义矿煤与瓦斯突出的控制因素和瓦斯地质赋存规律。在此基础上,建立基于ahp-模糊概率综合评判法的瓦斯分级治理体系并进行治理效果研究。全文主要研究结论如下:(1)新义矿唯一可采二煤层f值在0.19.30之间,煤体破坏程度为Ⅳ类,ΔP在20.757.27mmHg之间,具备发生突出的煤体条件。煤的工业组分测定结果说明地质构造并未使得煤的变质程度发生改变,但煤层厚度不同区域的煤的灰分差异明显,可以作为煤层厚度判断的参考。对煤的微米级表面孔隙结构特征进行观察,发现2#煤样裂隙最为发育,表面可见微米级大孔,且孔隙开放性较好。3#煤样表面最为平整,被放大1000倍时裂隙宽度较小,说明煤层厚度较薄处的煤受地质构造影响后,孔裂隙更为发育。煤的N与CO吸附实验中,三种煤样的脱附曲线都有明显的H型滞后环,且脱附曲线都出现了突降,说明二煤的微孔、小孔阶段孔型结构都具有开放性且孔隙结构以细颈瓶型孔为主并包含了一定量的层状狭缝孔。定量化分析三种煤样的孔容及比表面积分布时,1#和2#煤样的孔容要大于3#煤样的孔容,煤样的表面积大小关系为2#>1#>3#,这说明二煤层孔隙的发育程度随煤层厚度的减小而增大。煤的吸附及解吸性能测定结果表明,三种煤样的极限瓦斯吸附量大小关系为2#>1#>3#,极限瓦斯解吸量大小关系为2#>1#>3#。因此,对于新义矿二煤层来说,厚度较薄处的煤的瓦斯吸附能力及解吸能力均大于厚度较厚处的煤。(2)新义矿位于新安煤田中南部,新安倾伏向斜北翼的深部。井田地层区划属华北地层大区晋冀鲁豫地层区豫西地层分区陕渑地层小区。矿井唯一可采煤层二煤全区可采,煤层底板标高-200m620m,埋深580m60m,厚05.47m、平均4.81m,煤层倾角在6°0°变化。矿井在印支期NS向挤压应力和燕山期NW—SE向构造应力双重作用下,矿井内小的波状起伏或次级褶皱较为发育,断裂构造主要以NW和SN向正断层为主。在分析埋深、构造、煤厚以及煤质等地质因素对煤与瓦斯突出的控制作用后,最终确定地质构造是煤与瓦斯突出的关键控制因素,其不仅控制井田内煤层厚度的不均匀分布,还导致局部地应力集中和矿井瓦斯含量的差异性分布现象;埋深与煤层厚度是控制煤与瓦斯突出的次要因素,因矿井目前还处于首采区范围内,煤层埋深变化在100m变化范围内,埋深的重要程度要排在煤层厚度变化之后。煤厚变化是地质构造在新义矿的具体表现,煤层增厚区不仅是瓦斯含量较高的瓦斯包,还是构造应力集中区域,所以煤层厚度增加区域是瓦斯治理工作的重点。依据新安煤田内各矿突出资料分析,在新安煤田这一地质单元内,始突垂深为290m。在突出煤量中,小型突出占据较大比例到达66.7%,且突出地点多发生在掘进工作面。突出类型多为压出和突出,倾出仅有两次,且所有的突出都发生在煤层厚度增厚区,而在煤层厚度减小时,发生的突出类型均为压出,这说明煤层厚度对突出类型有着至关重要的影响。(3)矿井内二煤层的自身性质表明煤层厚度较薄区域的煤体突出的危险程度较高,而实际的突出案例以及地质因素分析表明煤层厚度变厚区域的突出危险程度要高于煤层厚度较薄区域。因此,对于新义矿来说煤体自身性质并不是煤与瓦斯突出的决定性因素。综合分析选取地质构造、煤层埋深、煤厚变异系数、原始瓦斯含量、钻屑解吸指标Δh、原始瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出初速度q、异常动力现象以及瓦斯放散初速度ΔP等8个主控因素,建立基于ahp-模糊概率综合评判法的瓦斯治理等级划分模型。将煤与瓦斯突出危险等级由低到高划分为I级、II级和III级三个等级,并针对不同突出危险等级研究了相应的瓦斯治理措施的设计标准、施工标准、验收标准以及效果检验标准,形成瓦斯治理闭环。(4)通过ahp-模糊概率综合评判模型判定11090工作面具有III级突出危险,故采用底板巷穿层钻孔配合水力冲孔增透措施预抽回采区域瓦斯,并在煤巷贯通后布置顺层钻孔预抽区域瓦斯作为辅助治理措施。通过跟踪工作面治理措施施工情况,并与设计方案进行对比,发现工作面切眼至520m区域所有钻孔严格按设计施工,措施孔布孔均匀,未留治理空白区,符合设计规定。此外,水力冲孔钻孔平均冲出煤量达到1.23t/m,超过1.0t/m的标准,总冲出煤量占控制煤量的3.17%,超过2%的标准。11090工作面切眼至520m各评价单元残余瓦斯含量理论计算值为2.23.65m/t,符合小于6m/t的规定,实测二煤层残余瓦斯含量为2.06.88m/

关键词：煤与瓦斯突出主控因素分级治理 ahp-模糊概率综合评判法

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