松藻矿区茅口灰岩巷道中的瓦斯灾害特征与防治

巫显钧

（重庆松藻煤电有限责任公司，重庆綦江 401445）

松藻矿区茅口灰岩巷道中的瓦斯灾害特征与防治

巫显钧

（重庆松藻煤电有限责任公司，重庆綦江 401445）

在茅口灰岩中掘进巷道时，常有瓦斯涌出、偶有岩溶瓦斯喷出或突出及煤与瓦斯突出。通过研究茅口灰岩的生成、储存和盖层条件、古岩溶地貌、瓦斯来源、瓦斯储集特征，分析瓦斯典型事故特征，总结不同层位裂隙瓦斯超限的频率。提出了合理选择层位、采取防范瓦斯喷出突出措施、探测控制岩溶缝洞、改进钻机防喷装置、提高物探准确率、加强预测预报等对策措施。集中运输大巷、回风大巷、变电所、水仓宜布置在茅口组顶部30 m以下；专用茅口瓦斯抽采巷宜布置在距煤系10～20 m；采取严密的探测控制措施后，可杜绝溶洞瓦斯突出、煤与瓦斯突出，采用能够闭锁自动阻止高压瓦斯喷孔的钻机可控制岩溶瓦斯喷出。

瓦斯灾害；特征；对策；茅口巷；松藻矿区

布置在茅口组石灰岩中的巷道（简称“茅口巷”，以区别在其它地层中掘进的岩巷）掘进时，曾发生多次瓦斯事故。矿井地质工作者对岩溶瓦斯及其涌出形式进行过总结分类，但对茅口灰岩中瓦斯的来源与储集、瓦斯灾害特征与对策等缺乏系统研究。通过全面分析总结，采取严密的防范措施，探索出高效可靠的岩溶裂隙瓦斯探测控制手段，减少茅口巷瓦斯灾害及其损失。

1 概况

松藻矿区开采二叠系龙潭组的煤层，开拓与瓦斯抽采巷道多布置在煤系底板茅口灰岩的顶部50 m范围内。矿区每年施工茅口巷2.1～3.3万m，占年度总进尺的41.25%～43.26%。

1.1 地层

矿区地层由老到新依次为：中志留统韩家店组（S2h），二叠系下统栖霞组（P1q）、中统茅口组（P2m）、上统龙潭组（P3l）、长兴组（P3c），三叠系下统玉龙山组（T1y）、飞仙关组（T1f）、嘉陵江组（T1j）、中统雷口坡组（T1l）。韩家店组和雷口坡组厚度不全，从栖霞组-嘉陵江组，地层厚度依次为90～110m、194～298m、68～83m、47～64m、131～137m、168～196m、660～732 m。栖霞组与茅口组为统一的石灰岩岩溶含水层，通称阳新灰岩，总厚度294～398 m（图1）。

与茅口巷瓦斯涌出相关的地层是栖霞组、茅口组和龙潭组。

1.2 构造

松藻矿区位于酒店垭背斜、桑木场背斜西翼。构造主体走向为北东向，在平面上形成向北东收敛、向南西撒开的放射状，由东向西依次发育有两河口向斜、羊叉滩背斜、大木树向斜和鱼跳背斜，形成向西突的“鼓包形构造”（图2）。

图1 松藻矿区中部地质剖面图Figure 1 Geological section of middle Songzao mine area

图2 松藻矿区构造示意图Figure 2 Structural outline map of Songzao mine area

区域大地构造格架、地貌分区以及地质构造特征，都是中生代末-新生代初期的构造运动奠定的。直接影响和控制矿区构造发育的是北东向的桑木场背斜、酒店垭背斜以及七曜山-金佛山基底断裂。七曜山-金佛山基底断裂南东侧断块相对向上弯曲或凸起，导致上覆盖层中背斜轴部产生一些二次纵张的正断层[1]。矿区主压应力轴的方位为北西向（约323°）。

1.3 煤层及其瓦斯含量

龙潭煤组共含煤5～14层，全区可采M8煤层，局部可采薄煤层2～4层。可采、局部可采煤层由老到新编号依次为M12、M11、M8、M7、M6，平均煤厚依次为0.76、0.60、3.02、0.93、0.81 m，平均吨煤瓦斯含量依次为18.38、12.21、18.42、16.12、13.72 m3/t； M8、M7煤层实测平均瓦斯压力分别为6.46、5.54 MPa。各煤层均属极富气煤层，煤系煤层气资源丰度中等（1.12×108m3/km2）[2]。

2 茅口组特征

2.1 茅口组划分

2.1.1 区域分段

茅口组为深灰、灰、灰白色石灰岩，生物屑灰岩含燧石结核，下部含泥质，一般厚度200～250 m。由老到新可划分茅一、茅二、茅三和茅四4个岩性段。其中茅一、茅二段厚度齐全稳定，均可进一步细分为a、b、c三个亚段，各亚段的厚度由老到新依次是35～45 m、25～35 m、25～35 m、40～60 m、45～60 m、20～35 m；矿区茅四（西部剥蚀殆尽）、茅三段被剥蚀，茅四段残厚0～30 m，茅三段厚10～30 m。

整体看P2m3、P2m2b、P2m1b色浅、质较纯，电性具低伽马高电阻特征；P2m4、P2m2c、P2m2a、P2m1c、P2m1a色深，泥机质含量高，电性具明显的高伽马、低电阻识别标志。

2.1.2 矿区分层

松藻矿务局于1990年前后，对茅口组进行分层研究，将茅口组由老到新分为13层（主要研究井巷工程揭露的顶部60 m段10～13四层）。第12、13层属P2m4，第10、11层属P2m3和P2m2c。

第13层：深灰色厚层块状生物粒屑灰岩，夹较多炭质泥岩团块及条带，层厚13.7 m。下往上3.8 m、6.7 m、8.3 m处沿层面发育岩溶，含水性次强。

第12层：灰、深灰色中厚-厚层状灰岩，层厚11.1 m。层间常有波状泥质物分布，岩溶不发育，含水性弱。

第11层：浅灰、浅棕灰色块状生物灰岩，层厚18.7 m。方解石脉顺层分布，灰岩质纯、性脆，岩溶发育，含水性强。

第10层：浅棕灰色厚层粒屑灰岩，层厚17.6 m，底部顺层分布燧石结核。层面上常发育有岩溶，含水性次强。

2.2 岩溶古地貌特征

矿区茅口组岩溶古地貌单元属岩溶高地[3]，顶部为残积风化壳，被剥蚀后加剧了古地形的凹凸起伏，局部凹陷深度达4 m，顶部5～10 m常有不等厚铝土泥岩的洞穴堆积。龙潭组底部铝土泥岩直接沉积在残积风化壳，呈假整合接触（图3）。

图3 松矿七采区470N6石门(北帮)素描图Figure 3 Sketch of crossheading 470N6(north side)in No.7 winning district,Songzao coalmine

2.3 瓦斯生成、储存和盖层条件

东吴运动后龙潭组沉积前的8～7 Ma是茅口灰岩古岩溶的形成期；龙潭组沉积后喜马拉雅运动前，是茅口组油气生成、运移、聚集和油变成气的重要时期，瓦斯已聚集于茅口组古岩溶缝、洞和石灰岩原生有效孔隙中；喜马拉雅运动开始后，古岩溶经历了溶蚀、填充、断褶、再溶蚀和再充填后，瓦斯仅局部富集，极少成片连通；茅口组岩性致密，孔隙度一般在2%以下，渗透率一般小于0.08×10-3μm2，储集油气主要是岩溶缝洞[4]。

矿区东南面阳新灰岩大面积出露地表，渗流带和潜流带再溶蚀和再充填后，古岩溶储层基本不复存在；矿区中西部“鼓包形构造”区，茅口组埋深290～1090 m（羊叉河谷局部仅160～190 m），其盖层厚度不大、热演化程度不高，其烃源岩生气强度远低于四川盆地（四川盆地达10×108m3/km2以上[4]）。

3 茅口巷瓦斯灾害特征

3.1 瓦斯灾害类型与煤层巷道类似

煤层巷道瓦斯灾害类型在茅口巷掘进中都曾遇到过，时有裂隙瓦斯涌出超限、偶有岩溶瓦斯喷出或突出甚至延时突出、也曾发生过煤与瓦斯突出！

3.1.1 裂隙瓦斯涌出

2015年1月～2016年6月，矿区共掘进茅口巷49772 m，瓦斯超限次数共136次。其中“鼓包形构造”区隐伏矿井共掘进茅口巷37411 m，瓦斯超限次数共132次（表1）。这些瓦斯超限都是茅口裂隙瓦斯涌出导致的，有的是超前探孔或者炮眼遇裂隙瓦斯涌出，有的是放炮后裂隙瓦斯涌出。

表1 松藻矿区茅口巷进尺层位与瓦斯超限次数统计表Table 1 Statistics of Songzao mine area Maokou roadway footages,horizons and gas overruns m

3.1.2 岩溶瓦斯喷出或突出

掘进中遇阳新灰岩岩溶缝洞中的高压瓦斯，必然导致瓦斯喷出或突出，有的是钻孔过程中喷出，有时是放炮后突出。近10 a茅口巷掘进中瓦斯典型事故见表2，其平面位置见图2。

①“10.14”事故。在施工右下方炮眼时遇高压瓦斯喷出，员工误认为是压风软管爆裂，四处寻找爆裂口而错失逃生时间。此处巷道掘过后，巷道断面内未见岩溶缝和溶洞。

②“12.15”事故。该事故点埋深636 m、与煤系垂距达265 m，处于栖霞灰岩顶部，在施工超前钻孔时，一个Φ36 mm的钻孔喷出高压岩溶瓦斯，导致矿井310总回风超限，全矿停产2 d。如果放炮直接揭开该28.15万m3高压瓦斯，后果不堪设想。该处无岩溶水，钻孔查明该岩溶缝仅0.2 m宽。

③“8.22”事故。放炮20 min后碛头后方1.3 m处右侧底板高压岩溶瓦斯延时突出，突出口顺巷道长1 m、向下可见深度0.9 m。突出后趴岩机被肢解运移、Φ50 mm的铁管被折断扭曲、逆流造成周围三条巷道瓦斯严重超限，如遇电器失爆、或未携带自救器或人员撤离救援不及时，事故损失势必扩大。

表2 松藻矿区茅口巷掘进瓦斯典型事故统计表Table 2 Statistics of Songzao mine area Maokou roadway typical gas accidents during advancing

3.1.3 煤与瓦斯突出

在茅口组顶部距离煤系较近的顺层掘进的茅口巷，如果探掘控制措施不到位，可能发生煤与瓦斯突出事故，距离煤系越近威胁越大。加之茅口组顶界凹凸起伏严重（图3），且常有铝土泥岩（甚至煤屑）的洞穴堆积，又增加了煤与瓦斯突出的概率。

如“6.5”事故，在巷道碛头后方2 m巷顶M12煤层滞后煤与瓦斯突出，在实测突出空洞处巷顶茅口灰岩厚度仅0.4 m、铝土泥岩厚度仅0.45 m，距离突出煤层的岩柱仅0.85 m。在突出点后方88 m处施工了一个地质钻孔，查明钻孔处巷顶距离M12煤层7.6 m、M12煤层厚度1.1 m、巷顶上茅口灰岩厚度4.5 m，巷道继续顺层掘进过程中，对岩柱控制不够。

3.2 预测预报

规模达到物探分辨率[5]的溶洞，采用物探能提前预报；地质钻孔穿过的岩溶缝洞、含瓦斯裂隙能够提前发现。但是井下揭露的大多数岩溶缝洞、含瓦斯裂隙未达到物探分辨率的规模；受时间、空间和成本限制，茅口巷先探后掘钻孔数量有限；受井下作业环境和设备条件限制，井下地质钻孔的深度不大（仅100 m多）、轨迹不准确；岩溶缝洞、含瓦斯裂隙就采区和工作面而言分布规律不明显。因而，对岩溶缝、裂隙的空间位置及其瓦斯含量压力的预测预报难度极大。

3.3 瓦斯预处理

煤层瓦斯预处理有明确的目的层和空间分布，有成套的预抽预测技术。而茅口岩溶缝洞、裂隙的空间分布极不均一，空间位置及其瓦斯含量压力难以提前掌握；茅口巷本身又是先期进入的巷道，掘进前难以提前预抽瓦斯，只能是钻孔探测到瓦斯后再进行抽采。

钻孔探测到高压瓦斯的瞬间，高压瓦斯喷出严重威胁施工人员安全！如“10.14”事故、“12.15”事故。

4 矿区茅口灰岩瓦斯储集特征

阳新灰岩出露与否，其瓦斯来源储集差异明显，茅口巷瓦斯灾害发生在隐伏井田。

4.1 茅口灰岩出露井田

茅口灰岩出露的井田至今未出现岩溶瓦斯喷出事故（松藻井田部分茅口巷埋深已超过800 m），渗流带和潜流带具有良好的排泄通道，侵蚀基准面以上不储集瓦斯。

喜马拉雅运动及其产生的裂隙，为岩溶缝洞的瓦斯沿本层向上运移提供了通道；高差60～100 m的上阶段已有茅口巷为下阶段茅口巷掘进前通过裂隙提前缓慢释放瓦斯提供了有利条件。

4.2 茅口灰岩隐伏井田

4.2.1 瓦斯来源

茅口灰岩瓦斯来源包括：①喜马拉雅运动前茅口组古岩溶缝、洞中聚集的天然气（未释放的部分）；②煤系瓦斯；③石灰岩构造裂隙岩溶裂隙中的游离瓦斯。喜马拉雅运动期间，这三类瓦斯通过动态活动裂缝勾通重组达到新的平衡后趋于稳定，地壳运动停止后再经过压实，彼此孤立连通性变差。

茅口巷进入后，打破了局部的地应力平衡和瓦斯压力平衡，成为新的排泄通道，只要与瓦斯源之间存在裂隙通道，瓦斯就涌入巷道。

4.2.2 瓦斯储集

茅口灰岩生气强度和煤层瓦斯含量都与埋深呈正相关，随埋深增加古岩溶缝洞中的瓦斯量和压力呈增大趋势。

茅口灰岩瓦斯储集的优势部位是背斜轴部、地层扭曲部位、断层带，特别是背斜高点、扭曲鞍部、断层鼻凸部位[4]。但瓦斯含量压力与距背斜轴线、断层迹线远近的定量关系不明显，见图1。

表1统计的数据量有限，但一定程度反映了不同层位裂隙瓦斯的多寡。比较每100 m茅口巷平均瓦斯超限次数（次/100 m），茅口组顶部由上到下0～5 m最高达0.9191，距离煤层最近，裂隙获得煤层瓦斯补给的机会多；其次是20～25 m达0.6243，处于第12层底部与第11层的结合部位，层面裂隙及岩溶相对发育；30 m以下最低仅0.1667，5～10 m其次低为0.2376。

5 茅口巷瓦斯防治对策

5.1 合理选择茅口巷层位

茅口巷应避开岩溶缝洞，防止岩溶瓦斯喷出或突出；距离煤层不能太近，防止煤层起伏发生煤与瓦斯突出事故。

顺层掘进的集中运输大巷和回风大巷、变电所、水仓等宜布置在茅口组顶部30 m以下；专用茅口瓦斯抽采巷道宜布置在距煤系10～20 m，一方面离煤层不能太近，另一方面尽量降低煤层瓦斯抽采钻孔进尺。

5.2 施工按瓦斯涌出巷道管理

茅口灰岩巷道施工应按瓦斯涌出巷道进行管理，在遇岩溶缝洞、断层、构造破碎带，或者距离煤系较近时，还应按具有瓦斯喷出和突出危险进行管理。

遇岩溶缝洞、断层、构造破碎带时，掘进前必须编制专门的防治瓦斯灾害措施。专用茅口瓦斯抽采巷道的抽采管道应随掘随安，保证需要时能及时接入抽采瓦斯。

5.3 控制层位和岩溶缝洞

5.3.1 控制茅口巷与第一层煤（M12）的距离

茅口巷掘进时，正常区域碛头四周150～200 m内无实测（或地质钻孔）控制M12煤层时，至少施工一个钻孔探明巷道距M12煤层的距离；在断层或煤层走向或倾向变化较大的区域还必须加密地质钻孔，断层两盘必须同时有地质钻孔控制；茅口巷与M12煤层的距离较近时，必须先探后掘确保两者间的距离大于5 m。

5.3.2 先探后掘控制岩溶瓦斯和裂隙瓦斯

采取物探全覆盖超前探测，对物探异常区提前10 m进行钻探验证；在钻探排除了岩溶水威胁后，采用风锤钎子加密探测。物探和钻孔的防瓦斯超前距不小于10 m、钎探超前距和帮控不小于1.5 m。为防范物探漏报小的溶洞裂缝，最大限度减少小裂隙瓦斯涌出超限，应力争钻探全覆盖超前探测。

施工炮眼遇瓦斯，碛头瓦斯超限时，必须停止作业。待瓦斯浓度不超限时才能掘进或进一步钻探。

钻孔（或炮眼）瓦斯涌出量较大时，应及时接抽瓦斯。

5.4 与科研单位合作，提高物探成果的定量准确性

物探分辨率与多解性客观存在，分析分辨率及其影响因素，致力于从仪器研发、分析软件开发、现场操作、分析解释各环节协调一致提高分辨率，提高物探对岩溶缝洞位置及其形状大小预报的准确性。

5.5 改进钻机防喷和固定装置

高压瓦斯从钻杆内外喷出，轻则瓦斯超限，重则威胁施钻人员安全！改进钻机防喷装置，在逆止阀的基础上增设能够闭锁自动阻止岩溶缝洞高压瓦斯喷出的孔口封堵装置，并能实现气水渣分离，便于接抽瓦斯和水。

改进钻机固定装置，防止高压瓦斯冲到钻机，并提高钻孔定位的准确性。

在不增加多少钻机及其配套设备重量和体积的基础上，提高钻机动力和稳定性，减少钻机搬运次数、增大钻孔深度。

5.6 加强地质预测预报工作

及时收集茅口巷揭露的全部地质资料，及时与物探成果、钻探成果对比分析，及时开展补充勘探，及时修正预测成果，及时发放地质预报。隐伏井田应编制茅口灰岩顶板等高线图。

6 结论

①矿区茅口巷有瓦斯涌出、岩溶瓦斯喷出或突出、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害，采取严密探测控制措施后，溶洞瓦斯突出、煤与瓦斯突出是可防可控的。

②茅口巷瓦斯来源包括古岩溶瓦斯、煤层瓦斯、石灰岩裂隙游离瓦斯，茅口巷进入瓦斯压力平衡被打破后，瓦斯源间有裂隙通道时，两种或三种瓦斯源混合涌入巷道。

③从区域看瓦斯储集的优势部位是背斜轴部、地层扭曲部位、断层带。但瓦斯含量压力与距背斜轴线、断层迹线远近的定量关系不明显。

④采取合理选择层位、掘进及施钻全过程严格按瓦斯喷出和突出危险进行管理、探测控制岩溶缝洞、提高物探探测准确率、改进钻机防喷及固定装置、加强地质预测预报工作等对策措施，最大限度减少瓦斯灾害及其损失。

钻孔未穿过的小裂隙瓦斯涌出超限尚难预测和控制，能够闭锁自动阻止岩溶缝洞高压瓦斯喷孔的井下钻机还急待开发。待能够探测几厘米到几十厘米宽的无水含瓦斯岩溶缝洞的物探设备和技术成熟后能够适度减少钻探进尺。

[1]张文佑.中国主要断裂构造系统的应力分析[J].科学通报，1960，（19）.

[2]重庆一三六地质队.重庆松藻煤电有限责任公司打通一煤矿延深勘查地质报告[R].重庆:重庆一三六地质队，2009.

[3]桑琴，未勇，程超，等.蜀南地区二叠系茅口组古岩溶地区水系分布及岩溶地貌单元特征[J].古地理学报，2012，14（3）:393-402.

[4]陈宗清.四川盆地中二叠统茅口组天然气勘探[J].中国石油勘探，2007，12（5）:1-11.

[5]巫显钧.重视地震勘探的分辨率[G].重庆:重庆市地质矿业协会，2011.

Maokou Limestone Roadway Gas Hazard Features and Countermeasures

Wu Xianjun
(Chongqing Songzao Coal and Power Co.Ltd.,Qijiang,Chongqing 401445)

During the roadway drifting in the Maokou limestone,often happen gas emissions,occasionally have karstic gas blowouts or outbursts,even coal-and-gas outbursts.Countermeasures should be studied to eliminate coal-and-gas outburst and karstic gas blowout.Through studies on source,reservoir and capping bed condition of Maokou limestone,paleokarst landform,gas source and gas reservoir features,analyzed typical gas accident characteristics and summarized frequency of fissure gas overruns in different horizons. Then put forward countermeasures of rational horizon selection,gas blowout and outburst prevention measures,karstic fissures and caves survey and control,drilling blowout prevention device modification,geophysical prospecting accuracy improvement and prediction,forecast strengthening.Main haulage roadway,main return way,substation and sump should be arranged below 30m of Maokou Formation top surface.Special purpose Maokou gas drainage way should be arranged within 10～20m range apart from coal measures. After strict survey and control measures adopted,can eradicate karst cave gas outburst,coal-and-gas outburst;to use drills with automatically shut and stop high pressure gas orifice can control karstic gas blowout.

gas hazard;features;countermeasures;Maokou roadway;Songzao mine area

TD712

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.05

1674-1803(2017)01-0020-05

巫显钧（1966—），男，四川泸州人，高级工程师，长期从事矿井地质、矿井水文地质、资源储量及矿权管理工作。

2016-08-18

责任编辑：宋博辇