瓦斯地质保障系统专题讲座

瓦斯地质保障系统专题讲座张海军煤矿瓦斯治理国家工程研究中心峰峰分中心2021年4月18日1前言煤矿地质工作的重要性及现阶段面临的主要问题煤矿地质工作的重要性及现阶段面临的主要问题瓦斯地质河南理工大学杨力生教授于上个世纪70年代提出的。1983年，他与他的同事一起，在煤炭部支持下，建立了“编制全国煤矿瓦斯地质图〞煤炭工业部重大工程。瓦斯地质形成和开展瓦斯地质形成和开展

瓦斯地质保障是世界性难题理论体系不完整单因素假说瓦斯主导作用、地压主导作用、化学本质假说…

综合作用假说振动说、分层分离说、破坏区说、游离瓦斯压力说…突出过程中破坏与发展机制还停留在定性与假说性阶段；事故发生过程中主要因素与次要因素及其作用机理不清楚；只能对某些现象给予解释，还不能形成统一完整的理论体系。

技术体系不成熟瓦斯地质条件探测技术、低透气性瓦斯抽采技术……关键技术仍不够成熟方法手段不成套研究手段、工作手段、管理手段……尚未形成一套完整体系管理体系不系统组织机构、运行机制、制度规程……建设不健全、不具系统性2淮南经验&做法淮南煤田地形地质与开发布局图杜绝了误揭〔穿〕煤层、误透老空老硐事故，杜绝了地质工作失误造成的瓦斯事故，杜绝了矿井突水死亡和淹井事故。杜绝了因地质构造探查不明造成综采工作面无方案停产搬家事故，杜绝了巷道测量、工程标定错误。为瓦斯治理、水害防治、矿压治理、快速建井、快速掘进、综采综掘高效生产提供了强有力地质根底支撑。实现了地质保障工作目标通过矿井高精度综合勘探，超前高精度探明了矿区煤炭资源储量1030000万吨，为顾桥、张集矿等千万吨级矿井开发和潘一矿等百万吨级改扩建矿井提供了可靠的煤炭资源保障。为矿区资源大开发提供了丰厚的煤矿资源保障煤炭资源回收率处全国先进水平平安解放出受水威胁的煤炭资源储量11100万吨构建了现代煤矿平安高效绿色开采的地质保障体系统计说明，82%的突出与构造有关；淮南煤与瓦斯突出近50%〔53次〕发生在地质异常区；淮南瓦斯异常涌出〔喷出〕〔23次〕多发生于岩石巷道裂隙发育带…理论与实践说明：瓦斯动力现象与其地质赋存条件密切相关。确立了“保障有力，行业领先，尖兵要尖〞的工作开展目标；淮南矿业集团高度重视瓦斯地质工作提出了“地质要过关，重点攻物探〞、“地质是尖兵，出路在创“新〞等瓦斯地质工作理念。认为“地质不过关，瓦斯治本难〞；淮南矿业集团瓦斯综合治理目标是通过实施三步走战略，实现“三个杜绝〞：杜绝瓦斯爆炸、杜绝煤与瓦斯突出、杜绝瓦斯超限！1.高目标引领，推动瓦斯地质工作创新开展围绕企业治理瓦斯目标，瓦斯地质保障工作目标：杜绝误揭〔穿〕煤层事故！杜绝因地质工作失误直接造成瓦斯异常涌出、瓦斯超限事故!杜绝误透老空巷〔峒〕事故!由被动服务型向主动参与型转变由附属工具型向超前指导型转变由定性粗放型向定量精细型转变由以预防为主向以治理为主转变转变观念：工作思路一研规律性研究，服务于瓦斯治理方案的决策。工作方法二探地面地质勘探，服务于矿井设计、瓦斯治理设计；井下瓦斯地质探查，指导瓦斯治理措施制定。三控严格控制煤层层位、地质构造；严格控制老塘（老峒）、应力集中区；严格控制采掘之间的时空关系。工作方法四抓抓基础，基层单位组织建设、基础资料、基本功；抓规范，规范日常工作程序、审批程序、地质说明书、地质预报编制的内容和格式；抓质量，质量标准化动态达标；抓示范，开展新技术、新方法、新工艺的应用与创新的示范矿井建设，发挥示范效应。五保“高投入、上手段、攻项目、严管理、建队伍”五项保障措施。体系架构：地质保障体系技术体系保障措施管理体系组织体系责任体系制度体系规定规范标准体系技术创新工作体系高投入攻项目上手段严管理建队伍矿区采区工作面综合探测技术手段地质数学…信息技术集团公司组织编制了?淮南矿业集团地质保障规划?，并特邀2名中国工程院院士及多位地质专家组织召开了?淮南矿业集团地质保障规划?专家咨询会。集团公司就地质保障工作每年专门印发年度4号文，对地质保障工作原那么、工作目标、保障措施和主要工作任务加以明确，指导地质工作高效运行。2.科学统筹制定地质保障规划与方案3.创新管理建立健全瓦斯地质保障管理体系组织机构将地质测量处与通风处合并，组建瓦斯地质管理研究院（安全开采管理研究总院），解决“瓦斯”与“地质”协调统一问题；各矿（矿建项目部）、勘探工程处均设置地质科，配齐了地质副总工程师、地质科长，充实了瓦斯地质技术人员。3.创新管理建立健全瓦斯地质保障管理体系运行机制瓦斯地质管理工作推行分级管理，分级负责制：集团公司地质工作由公司常务副总经理、总工程师直接领导，公司分管地质技术管理的副总工程师协助总工程师领导地质工作，安全开采总院负责矿区地质保障工作的指导与监管；各矿（矿建项目部）是本矿井瓦斯地质工作的责任主体，对矿井地质工作负终端责任，矿长是第一责任者，矿总工程师直接领导地质工作，矿地地质副总工程师协助总工程师领导地质工作；地质勘探工程处对地面勘探、井下物探负责。3.创新管理建立健全瓦斯地质保障管理体系保障制度地质工作季度例会制度地质“一矿一策”保障制度地质工作评估会诊制度地质动态质量标准化检查验收考核制度地质队伍考评制度三维地震勘探施工单位准入制度地质工作“三级”管理制度采掘工作面地质预报后评估制度4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施高投入夯实瓦斯地质基础2004年开始设立瓦斯治理专项基金，吨煤10元；2005年安全投入按吨煤30元提取，15元用于瓦斯治理；地质勘探费用由10前的吨煤0.5元提高到现在的吨煤1.3元；2010年投入500万元装备坑透仪、地质雷达等物探仪器；2011-2015年逐步装备瑞雷波等物探仪器，预计1000万元；十二五规划地质勘探及测绘工程资金总投入约50760万元；集团公司每年投入约2000万用于地质技术研发。4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施上手段，提高瓦斯地质技术水平近十几年来，淮南矿业集团树立“先行先试”的观念，积极引进高科技技术手段，通过广泛开展试验研究，形成了以地面综合勘探、井下超前探测为主的矿井、采区、工作面三个不同层次的超前探测技术方法。地面综合勘探利用钻探、物探、化探相结合的地面综合探测手段，用于矿井、采区瓦斯地质勘探。井下超前探测是根据地质条件和井下采掘空间条件，选用地震法、直流电法、电磁法等物探和钻探手段，用于查明采掘过程中地质异常问题。4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施攻项目，破解瓦斯地质技术难题针对瓦斯地质难题，淮南矿业集团坚持走产、学、研相结合的道路，密切结合矿区地质实际，与国内外科研院校开展了一系列专项攻关。与中国矿业大学、安徽理工大学等合作，根据钻孔资料、煤样试验、井下实测等收集矿区瓦斯含量资料近2000个，瓦斯压力数据近600个，编制全矿区、各矿各煤层瓦斯地质图，厘清了淮南矿区瓦斯赋存根本规律。潘一矿13-1煤层瓦斯含量等值线图顾桥矿13-1煤层瓦斯含量等值线图潘三矿东四下山采区13-1煤层瓦斯富集区AVO特征与安徽理工大学、安徽建筑工业学院等合作，对淮南历史上煤与瓦斯突出进行了统计分析，摸清了淮南矿区煤与瓦斯突出的一般规律。与安徽理工大学等合作，对淮南矿区构造煤区域分布规律进行了研究。13-1煤层构造煤平面分布图11-2煤层构造煤平面分布图淮南矿业集团三维地震勘探累计59个区块，勘探面积达309.96km2，投入资金1亿元以上，已完成三维地震勘探解释成果52个，进一步查明了勘探区内煤层赋存和构造赋存条件，针对三维地震勘探过程中存在问题、难题，先后与中国矿业大学〔北京〕、中国科学院、中石油等合作攻关，取得了许多重要成果。断层实见点验证情况综合表13-1煤层构造三维显示发现陷落柱及疑似陷落柱5个三维数据体立体显示剖面解释瞬时相位剖面波形剖面波形变密度剖面变密度剖面隐伏构造体在时间剖面上表现为同相轴的中断、扭曲、缺失等特征，在瞬时相位剖面上表现为相位的明显变化。隐伏构造体在浅部为椭圆，随时间〔或深度〕加深椭圆的大小在逐渐增大，说明隐伏构造体边界随深度加深而加大。切片解释隐伏构造体空间形态顾桥矿发现的新构造瞬时相位剖面发现新地层特大型断裂构造2条地震剖面上新地层中发现的逆断层

潘二矿旋钮构造发现断裂旋钮构造带2条顾桥矿首采区北块13-1煤层厚度图发现煤层变薄带朱集矿8煤岩浆岩侵入体岩浆岩侵入体发现岩浆岩侵入区13-1煤层顶、底板含水性图含水性预测顾桥矿13-1煤层应力云图最大水平主应力最大剪应力最小水平主应力主应力矢量图地应力预测潘北矿地震属性蚂蚁追踪与地震剖面结合解释小断层小断层、裂隙带预测T0T5T4T3T0T5T3T0T5T4T3T3T4T4T3T4T3T4T5T5LN232线重新处理前〔上〕、后〔下〕地震剖面比照与中国矿业大学〔北京〕、中煤物探研究院等单位合作，对早期三维地震勘探数据重新进行处理与解释。潘三矿西二采区作二次资料处理后，新增断层15条。二次处理精细解释潘一矿1602(3)面走向测线瞬变电磁结果剖面“三带〞地面瞬变电磁探测研究采用界面反射测量原理。反射回来的地震信号被三分量高灵敏度的地震检波器接收形成地震记录。巷道反射探测布置示意图反射地震法巷道超前探测研究顾桥煤矿-780m南翼轨道大巷偏移及探采结果验证比照图震源条件：采用锤击和放炮震源，探测距离在60-120m。解决问题：对前方波阻抗差异明显的地质构造界面具有较好的分辨能力。反射地震法巷道超前探测特点反射地震法巷道超前探测研究存在问题：煤巷掘进探测需放炮和接收点布入相对完整煤层中，岩巷掘进探测需避开围岩松动范围。偏移时速度选择困难，因此利用平均速度对前方界面进行计算，降低后续界面的判断准确性。对与巷道夹角大的高倾角断层构造分辨能力相对较好，落差小的构造分辨能力低。面波地震法施工布置示意图瑞雷波地震法巷道超前探测研究在迎头正前方80m范围内，6m、16m、26m、50m处分别有4个异常跳动，这说明根据探测结果，以上4处可能会有构造或地质分层。南翼大巷迎头瑞雷波超前勘探验证图顾桥南翼大巷迎头瑞雷波勘探结果图瑞雷波地震法巷道超前探测研究屡次覆盖观测系统布置图屡次覆盖系统电法超前探测交汇剖面直流电阻率法巷道超前探测研究点源空间示意图向坑道工作面发送回线上供一电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的鼓励下，地质体将产生涡流〔大小取决于地质体的导电程度〕；一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而判断导体的存在。瞬变电磁法巷道超前探测研究瞬变电磁法巷道超前探测原理示意图瞬变电磁法巷道超前探测立体布置图瞬变电磁法巷道超前探测研究瞬变电磁法巷道超前探测三方向剖面电阻率成果图瞬变电磁法巷道超前探测剖面及验证结果比照图利用发射天线发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线接收来自地下介质的界面的反射波。地质雷达法巷道超前探测原理示意图地质雷达巷道超前探测研究顾南1414(1)工作面轨道顺槽K11点前94m超前探测验证剖面图透射槽波勘探原理图槽波又称为导波或煤层波。槽波地震回采工作面超前探测研究槽波地震煤层厚度解释成果图槽波地震回采工作面超前探测研究工作面地震CT探测现场布置示意图各种波组发育特征震波CT回采工作面超前探测研究地震CT探测速度分布解释及验证震波CT回采工作面超前探测研究坑透布置及异常解释图无线电透视CT成像〔坑透〕回采工作面超前探测研究顾桥矿工作面坑透场强分布剖面张集矿17268面工作面中部薄煤区探测与验证结果(红线为实见层滑变薄区)直流电法透视CT回采工作面超前探测研究潘二矿底板灰岩富气区域勘查剖面及地质解释成果井下二维地震掘进工作面底部超前探测研究潘二矿底板巷顶板岩层二维地震探测剖面井下二维地震掘进工作面底部超前探测研究探测测线布置1#孔喷气位置Gd1#钻场潘二矿A组煤层底板巷放水钻孔严重瓦斯喷孔事例右帮底板反射地震波探测异常位置确定右帮底板二维电阻率法探测异常位置确定右帮底板瞬变电磁法探测异常位置确定潜在含气空腔实见喷气空腔综合探测异常平面分布实见出水位置瓦斯样品分析直方图2021、2021年淮南矿区地质〔断层〕预报准确率统计4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施严管理，确保制度落实到位严管干部为保证制度的落实，集团公司常务副总经理、总工程师通过安全生产视频会、季度地质工作例会等直接推动地质保障重点事项的落实。各矿（矿建项目部）、勘探工程处负责对地测副总工程师、地测科长及管技人员进行年度考评，并将对地测副总工程师、地测科长的考评结果报送集团公司人力资源部、安全开采总院备案。对因地质测量工作失误造成煤与瓦斯异常涌出事故的，给予矿地测副总工程师和地测科长撤职处分。对因地质工作失误发生突出危险区域误揭突出煤层、瓦斯超限和透水事故的，按集团公司一号文组织追查处理。发生误揭其它煤层、误透老空老巷〔峒〕事故及贯穿测量、工程标定错误的，给予相关责任人行政警告以上处分。对未进行井下坑透造成综采工作面无方案停采搬家的，追究矿长、总工程师的经济责任。4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施严管理，确保制度落实到位严管现场严格落实经集团公司核准的地质测量工作“一矿一策”意见，安全开采总院负责监管，矿无权自行随意更改，确保各项措施落实到位。集团公司副总工程师每月组织两次以上以瓦斯地质为重点的驻矿评估会诊，现场蹲点剖析，全面查找问题，提出整改要求。实行“瓦斯地质结合，管理研究并重”，统一管理矿区瓦斯综合治理，重点监管高瓦斯头面。采掘工作面必须悬挂“地质预测预报”指导施工，接受检验；应力集中区必须悬挂警示牌。4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施严管理，确保制度落实到位严管技术建立健全以总工程师为首的技术管理体系，放权加责。地质预报预测资料必须翔实、准确，不得漏报、迟报。坚持瓦斯地质工作以控制煤层层位、控制地质构造为重点。为防止误揭煤层，集团公司严格规定“层位构造控制不明的，不得进行揭煤；突出煤层顶（底）板巷道施工时，层位、构造控制不明的不得掘进”。4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施建队伍，确保瓦斯地质队伍高质量