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专利名称：煤矿瓦斯地质四维分析方法
技术领域：
本发明涉及煤矿瓦斯防治领域，特别涉及一种煤矿瓦斯地质四维分析方法。
背景技术：
通过国内外研究现状及分析可知，传统瓦斯地质分析方法与开采工作不相适应有关，传统瓦斯地质分析主要从平面区域角度分析地质构造对瓦斯赋存或煤与瓦斯突出灾害的影响，无法解释垂向上同一地质构造条件下，不同煤层瓦斯赋存或煤与瓦斯突出灾害差异；传统瓦斯地质分析方法没有完善、明确的瓦斯地质单元划分技术，传统瓦斯地质分析方法无明确的瓦斯参数测点布置技术，传统瓦斯地质分析方法中瓦斯参数获取技术具有手段单一、测取数据比较慢、数据准确性差及不易测取问题，传统瓦斯地质成果体现具有人工、不实时等特点，这些问题造成瓦斯赋存预测或煤与瓦斯突出预测与开采工作不相对应。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种煤矿瓦斯地质四维分析方法。在传统瓦斯地质分析方法的基础上，利用地质学理论、瓦斯参数获取手段、信息化技术等，从空间(区域、层域)、时间四维角度建立煤矿瓦斯地质四维分析方法，实现煤矿瓦斯地质分析方法的突破，为煤矿瓦斯赋存研究提供完善理论依据，为保护层选择提供地质理论依据。本发明的目的是这样实现的
本发明提供的煤矿瓦斯地质四维分析方法，包括以下步骤
S1:获取沉积环境数据、地质构造数据和生烃史数据，从区域上分析瓦斯分布情况，从垂向层域上分析瓦斯分布情况，进而确定研究区域瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度；
52:依据瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度进行瓦斯地质单元划分；
53:依据瓦斯地质单元划分确定各瓦斯地质单元测试点并获取测试数据；
54:依据瓦斯赋存主控因素建立瓦斯赋存数学模型；
S5:根据瓦斯赋存数学模型，采用瓦斯地质智能动态分析系统自动形成包含瓦斯压力等值线、瓦斯含量等值线、瓦斯涌出量等值线、煤层厚度等值线、煤与瓦斯突出危险性划分的瓦斯地质 S6 :随着采掘进度的推进，重复步骤S1-S5，对采煤工作面的瓦斯地质图进行更新，从时间上实现瓦斯地质规律的动态智能分析。进一步，所述步骤S2中的瓦斯地质单元划分，按以下方式进行
当矿井有大型背斜、向斜时，则以背、向斜轴部为界划分为不同瓦斯地质单元；
当矿井为大型断层，则以断层走向为界划分为不同瓦斯地质单元；
当研究区域内无大型背斜、向斜及断层，则以地勘钻孔岩性、岩层厚度、煤层厚度、煤层倾角、煤层地勘瓦斯含量划分为不同瓦斯地质单元；当研究区域煤质差异较大，则以煤质进行瓦斯地质单元划分。进一步，所述步骤S3中的测试点布置，按以下方式进行
沿煤层走向布置的测试点的个数为2-6个，沿倾向走向布置的测试点的个数为3-6个，所述测试点位于埋深最大的开拓工程部位。进一步，所述步骤S4中的瓦斯赋存数学模型，按以下方式进行 y=a0+a1x1+a2x2+---+anxn ；
式中，因变量y为瓦斯压力或瓦斯含量，自变量X表示为煤层底板标高、煤层埋深、煤层厚度、煤层顶底板泥岩厚度等，a0、al、…、an分别表示多元线性回归拟合系数。进一步，所述步骤S5中的瓦斯地质图为研究区域内的煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、煤层透气性和煤层相对变形参数形成的图表。
本发明的优点在于在传统瓦斯地质分析方法的基础上，利用新的地质学理论、瓦斯参数获取手段、信息化技术等，从空间(区域、层域)、时间四维角度建立了煤矿瓦斯地质四维分析方法，实现了煤矿瓦斯地质分析方法的突破。解决了传统瓦斯地质理论无法解释层域(垂向)上同一地质构造条件下，不同煤层瓦斯赋存或煤与瓦斯突出灾害差异问题，实现了煤矿瓦斯地质区域、层域分析，解决了瓦斯地质单元划分难以操作问题。通过瓦斯含量直接快速测定新技术、掘进面瓦斯涌出量智能反算瓦斯含量等瓦斯参数多手段获取技术，解决了瓦斯参数测点布置不合理、数据量少、准确性差、速度慢及不易测取问题。从时间维上解决了动态更新问题，智能上解决了同一数据不同人不同结果问题，减少了瓦斯地质分析工作量，智能快速，实现了真正指导安全生产。本发明的应用，可形成煤矿瓦斯赋存规律研究、保护层选择规范性技术，可形成煤矿瓦斯地质日常工作智能化、动态化及精细化管理体系，完善技术、管理过程环节对瓦斯灾害的影响。煤矿瓦斯地质四维分析方法对国内外瓦斯灾害矿井的瓦斯防治技术提高到新的水平具有重要意义。


为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图1为本发明提供的煤矿瓦斯地质四维分析方法流程 图2为煤层开采后11#煤层变形及瓦斯动力参数变化曲线。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。实施例1
图1为本发明提供的煤矿瓦斯地质四维分析方法流程图，如图所示本发明提供的煤矿瓦斯地质四维分析方法，包括以下步骤
S1:获取沉积环境数据、地质构造数据和生烃史数据，确定研究区域瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度；
S2 :依据瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度进行瓦斯地质单元划分；所述步骤S2中的瓦斯地质单元划分，按以下方式进行
当矿井有大型背斜、向斜时，则以背、向斜轴部为界划分为不同瓦斯地质单元；
当矿井为大型断层，则以断层走向为界划分为不同瓦斯地质单元；
当研究区域内无大型背斜、向斜及断层，则以地勘钻孔岩性、岩层厚度、煤层厚度、煤层倾角、煤层地勘瓦斯含量划分为不同瓦斯地质单元；
当研究区域煤质差异较大，则以煤质进行瓦斯地质单元划分。S3 :依据瓦斯地质单元划分确定各瓦斯地质单元测试点 并获取测试数据；所述步骤S3中的测试点布置，按以下方式进行
沿煤层走向布置的测试点的个数为2-6个，沿倾向走向布置的测试点的个数为3-6个，所述测试点位于埋深最大的开拓工程部位。S4 :依据瓦斯赋存主控因素建立瓦斯赋存数学模型；所述步骤S4中的瓦斯赋存数学模型，按以下方式进行
y=a0+a1x1+a2x2+---+anxn ；
式中，因变量y为瓦斯压力或瓦斯含量，自变量X表示为煤层底板标高、煤层埋深、煤层厚度、煤层顶底板泥岩厚度等，a0、al、…、an分别表示多元线性回归拟合系数。S5 :根据瓦斯赋存数学模型形成瓦斯地质图，所述步骤S5中的瓦斯地质图为研究区域内的煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、煤层透气性和煤层相对变形参数形成的图表。S6 :随着采掘进度的推进，重复步骤S1-S5，对采煤工作面的瓦斯地质图进行更新。实施例2
本实施例2详细说明煤矿瓦斯地质四维分析方法应用的具体实施过程
本发明提供的煤矿瓦斯地质四维分析方法，包括理论数据分析、瓦斯地质单元划分、瓦斯参数测点布置及获取、瓦斯赋存数学模型建立；包括以下步骤
S1:获取沉积环境、地质构造及生烃史等资料，通过分析确定研究区域瓦斯富集保存情况、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度；
煤矿煤层瓦斯赋存、煤与瓦斯突出灾害等主要由沉积环境、地质构造、热演化史及生烃史等影响，为此需要对各个因素进行单独分析，综合得出控制瓦斯赋存、煤与瓦斯突出灾害的主控因素及相关模型。沉积环境、层序地层位置决定着煤层厚度、顶底板岩性等，是影响煤与瓦斯突出灾害因素之一。煤系地层层序地层演化控制着煤层厚度及其变化、顶底岩层岩性、煤层间距等，控制着垂向上煤层煤与瓦斯突出灾害的差异。同一地质构造条件下，越靠近海侵体系域最大海(湖)泛面位置煤层瓦斯赋存量越大(顶底板石灰岩煤层除外)、煤层煤与瓦斯突出倾向性越大。根据国内外突出事件的统计分析表明煤与瓦斯突出多发生在小构造应力集中区，而小构造具有继承大构造应力的特征。突出矿井必定分布煤田应力集中区，突出煤田必定分布在大区构造应力集中区，突出大区必定分布在大地构造应力集中带。构造活动首先决定了地应力场的分布；其次对煤层瓦斯生成、运移、赋存乃至后期改造都起直接作用，因而决定了煤层瓦斯压力和瓦斯含量；最后，煤层在构造应力作用下发生破坏，搓揉形成易于突出的软分层。
煤层煤阶越高，煤层变质程度越高，相对条件下煤层瓦斯赋存越大，进而影响煤与瓦斯突出灾害发生。水文地质是影响瓦斯赋存的一个重要因素，水文地质的控气特征概括为三种作用一是水力运移逸散控气作用；二是水力封闭控气作用；三是水力封堵控气作用。其中，第一种作用导致瓦斯散失，后两种作用则有利于瓦斯保存。通过沉积史、构造史、生烃史配置研究可确定煤系地层埋藏最深时刻(第一次生烃)、温度最大时刻(地温梯度最大)和关键地质时刻(煤层停止生气后埋藏最浅时)，进而确定煤系地层瓦斯富集情况，以及区域、层域上煤与瓦斯突出危险性程度。S2 :依据瓦斯赋存主控因素、煤与瓦斯突出动力现象等为依据进行瓦斯地质单元划分；
针对研究区域某一煤层，首先从地质构造角度分析矿井大型背斜、向斜及断层性质，如为背、向斜，则分析两翼瓦斯地质情况，如造成瓦斯差异达到20%以上或造成两翼煤与瓦斯突出动力现象差异，则以背、向斜轴部为界划分为不同瓦斯地质单元；如为大型断层，则分析断层两侧瓦斯地质情况，如造成瓦斯差异达到20%以上或造成两侧煤与瓦斯突出动力现象差异，则以断层走向为界划分为不同瓦斯地质单元。如研究区域内无大型背斜、向斜及断层，则分析地勘钻孔岩性、岩层厚度、煤层厚度、煤层倾角、煤层地勘瓦斯含量等参数，如煤层顶板岩性差异较大，比如一些区域为泥岩、页岩，一些为砂岩，则划分为不同瓦斯地质单元，如煤层顶板岩层厚度差异超过20%以上则划分为不同瓦斯地质单元，如煤层厚度差异超过20%以上则划分为不同瓦斯地质单元，如煤层倾角有明显变化则划分为不同瓦斯地质单元，如煤层地勘瓦斯含量差异超过20%以上则划分为不同瓦斯地质单元。如研究区域煤质差异较大，则以煤质进行瓦斯地质单元划分。最终，综合各因素进行矿井煤层瓦斯地质单元划分。S3 :依据瓦斯地质单元划分结果，分别在各瓦斯地质单元走向、倾向按照一定原则采用不同方法布置测点；
对于已回采区域，瓦斯地质规律主要依靠已测瓦斯压力或含量，以及采掘瓦斯涌出量资料来反映；对于未回采而已有开拓巷道区域，瓦斯地质规律主要依靠现场实测瓦斯含量或压力资料来反映；对于未回采而没有有开拓巷道区域，瓦斯地质规律主要依靠地勘修正瓦斯含量资料来反映。煤层瓦斯参数测定主要依据DGC瓦斯含量直接测定技术、瓦斯压力直接测定技术及吸附常数HCA测定技术等，并通过地质构造异常区物探探测手段进行未知地质构造异常区探测，针对探测结果进行瓦斯参数补测。煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数的测试点在不同瓦斯地质单元内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件布置；针对单个瓦斯地质单元，进行瓦斯参数测点布置，沿煤层走向布置测试点不少于2个，沿倾向不少于3个，并有测试点位于埋深最大的开拓工程部位。针对研究区域进行地质构造异常区探测，针对探测结果，考虑是否补测瓦斯参数。S4 :依据瓦斯赋存主控因素，采用多元线性回归方法，建立瓦斯赋存数学模型； 煤层瓦斯赋存受地质构造、盖层、煤层赋存状态及煤质、水文地质、岩浆岩侵入等影响，
通过井下实测瓦斯含量或压力与地质构造、盖层厚度、煤层埋深、煤层厚度、煤层煤质等因素的定量关系，通过单因素、多因素分析，建立瓦斯赋存多元线性回归模型数学模型。多元线性回归主要使用最小二乘法对已知因素所对应的数据组进行最佳线性拟合。线性方程如下
y=a0+a1x1+a2x2+---+anxn
式中，因变量y是自变量X的函数值。^、…、an为每个X值相对应的系数，易称偏回归系数，a0为常量。S5 :集成瓦斯赋存主控因素、瓦斯地质单元划分结果、瓦斯地质参数、瓦斯赋存数学模型等进行瓦斯地质智能动态分析系统适用性开发，形成瓦斯地质智能动态分析技术；
瓦斯地质智能动态分析系统数据库主要存储瓦斯地质智能动态系统运行所需要的煤 层赋存信息，地质勘探信息，瓦斯抽放信息以及生成的瓦斯压力、含量、涌出量等值线，突出危险区划分等信息。瓦斯地质智能动态分析系统基础数据维护功能主要为了能进行瓦斯参数预测、瓦斯参数等值线生成、区域预测而进行必要数据的维护和管理。主要分为6个方面的数据管理瓦斯压力或含量测点、煤样瓦斯参数、突出事故点、保护层保护范围参数、瓦斯抽放数据、瓦斯涌出量参数预测参数。瓦斯地质智能动态分析系统通过软件算法编写，可自动生成任意间距瓦斯参数、煤层厚度等值线，并可根据瓦斯参数的更新，自动更新瓦斯参数、煤层厚度等值线。依据保护层开采、瓦斯抽采措施后瓦斯参数情况，动态绘制瓦斯参数等值线，实现保护层开采或瓦斯抽采工作职能动态管理。工程应用阶段用于效果验证，包括研究水矿主采煤层瓦斯赋存过虑和水矿保护层选择。实施例3
本实施例3以水城矿区为例，说明煤矿瓦斯地质四维分析方法在水城矿区主采煤层瓦斯赋存规律应用的具体实施
贵州水城矿业(集团)有限责任公司(以下简称“水城矿区”)是一个集煤炭、发电、煤化工等产业为一体的综合性大型企业集团。水城矿区煤系地层为上二叠统龙潭组(宣威组)，矿区可采及局部可采煤层为1#、4#、7#、8#、11#、12#、13#、14-1#、14-2#、17#、28#号煤层。矿区包括盛远煤矿、大湾煤矿、那罗寨煤矿、汪家寨煤矿、大河边煤矿、红旗煤矿及老鹰山煤矿七对生产矿井。水城矿区亦今为止已发生突出75次左右，最大突出强度703t，主要生产矿井中，除了红旗煤矿到目前为止未发生过突出以外，其余矿井均发生过突出，其中那罗寨煤矿和汪家寨煤矿发生的突出最多，分别达到了 21次和18次，发生突出的煤层数最多的矿井为汪家寨煤矿，其11#、12#、13#、14#煤层均发生过突出。S1:NW向紫云-垭都断裂带和水城断裂带组成的水城断陷始终控制着水城矿区地质演化，从煤层沉积到第四系，其始终发育，二叠纪时为正断层，发育同沉积断层，燕山期反转，卷入了古生界、中生界、侏罗系、中下白垩统地层，形成了隔档式褶皱，形成了宽缓向斜和紧闭的背斜，如二塘向斜、大河边向斜、小河边向斜等。水城矿区内整个煤系为海陆交互相沉积，沉积物堆积区是三角洲沉积体系。水城矿区含煤地层龙潭组(宣威组)按层序地层学划分可分为两个层序。层序I从玄武岩顶部至11号煤层顶部；层序II从11号煤层顶部—I号煤层顶部。层序主要发育海侵体系域即在相对海平面上升速率较大的环境下形成的退积层序。蛾眉山玄武岩喷发以后，在一定的沉积间断后，海水迅速上升，可容空间增加，随着海平面激烈的升降波动沉积了 ClOla煤层一11号煤层，10号煤层一I号煤层，随着海侵不断扩大煤层具有逐层增厚的趋势，11号煤层和I号煤层分别为层序I和层序II最大海泛面时期。水城矿区晚二叠世煤层热演化经历了前燕山期和燕山期两个阶段，前者以深变质作用为主，后者以区域岩浆热变质作用为主，现今煤类分布是两者叠加作用的结果。通过沉积史、构造史、生烃史配置研究可知，水城矿区晚二叠世至晚三叠世为快速埋藏阶段，以后则处于不同程度的剥蚀过程中，同时根据上述水城矿区埋藏史和古地温梯度可以确定龙潭组煤层在三叠世末为埋藏最深时刻(第一次生烃)、燕山期中期为温度最大时刻(地温梯度最大)和现今为瓦斯赋存形成关键地质时刻(埋藏深度最小)。水城矿区矿井区域上分布在二塘向斜、大河边向斜和小河边向斜三个向斜构造，这三个主控地质体对水城矿区瓦斯赋存、煤与瓦斯突出具有决定性的控制作用，层域上，厚度较大、埋深较大煤层等主控地质体控制着不同煤层煤与瓦斯突出程度差异。区域上，水城矿区二塘向斜、大河边向斜、小河边向斜等隔档式褶皱形成过程中，由于层间滑动、沿断裂滑动等造成了煤系地层破坏，形成了构造煤，挤压应力环境形成了瓦斯封闭系统，造成了瓦斯富集，综合控制煤与瓦斯突出发生。层域上，沉积环境及层序体系域位置综合控制着沉积煤厚及顶底板岩性、厚度等，煤层厚度、顶底板岩层岩性、厚度等决定了水城矿区11、13号煤层整体瓦斯最大，煤与瓦斯突出最为严重，I号煤层次之，7、8、9、4、2号煤层再次之。S2 :矿区区域上瓦斯地质单元分别为瓦斯地质单元I为二塘向斜；瓦斯地质单元2为大河边向斜；瓦斯地质单元3为小河边向斜。在同一向斜内，由于受到大型断层的控制作用，瓦斯赋存表现出一定差异，特别是在大河边向斜，NW向大断层对各快段煤层的瓦斯赋存控制明显。根据现场测试结果及矿井的采掘部署情况，将二塘向斜分为2个次级瓦斯地质单元，分别为盛远煤矿及大湾煤矿，将大河边向斜划分为6个次级瓦斯地质单元，分别为红旗煤矿、大河边煤矿、汪家寨煤矿斜井、汪家寨煤矿平硐井、那罗寨煤矿一采区及那罗寨煤矿二、三采区，将小河边向斜划分为I个瓦斯地质单元，为老鹰山煤矿。S3:为了确保所测参数未受构造及采动影响，钻孔见煤点与地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围至少要大于40m ;地质构造区域瓦斯参数通过与常规区域相比，通过计算系数获得；同一地点设2个测压(含量)孔时，两个测点的见煤点的距离应大于20m ;同一层煤的测点布置应尽量控制到瓦斯地质单元的各个块段；测定应尽量布置在不同的标高和不同的埋深处；实验室参数测定所需煤样应在尽可能新掘巷道里采用刻槽法取得。所布置测点的施工要尽量减少对现场生产的影响。为了更准确真实的测定煤层瓦斯压力与瓦斯含量，应尽量将测点布置在石门内进行穿层测定。以瓦斯地质单元为基�。�利用矿井现有巷道在相应瓦斯地质单元内布置测点，间接法测定瓦斯含量孔组数65组，直接法测定孔151组，掘进头反算瓦斯含量点21个；采集待测煤层煤样进行有关实验室参数测定，煤样数59个，测定K1 — P关系38个。S4:综合水城矿区地质构造、沉积环境、煤层赋存状态及煤质等因素分析，同一地质单元内部，同一煤层的瓦斯赋存量总体主要由埋深和标高二元控制，相关性系数一般均大于O. 7，煤层的瓦斯含量是随着煤层埋深的增加大致成线性的增加，随着煤层标高的降低而大致成线性增加；局部由小构造和顶底板岩性、煤厚和煤质控制，相关性系数基本小于O. 7。水城矿区各瓦斯地质单元内瓦斯赋存模型如下
①二塘向斜
二塘向斜2#煤层
瓦斯压力Ρ=-6· 0183+0. 00329Β+0. 0053Η ;瓦斯含量W=_42. 4501+0. 0237B+0. 0522H
二塘向斜4#煤层
瓦斯压力P=11. 9932-0. 0069B-0. 0073H +2. 2118M ； 瓦斯含量W=119. 5697-0. 0672B-0. 0623H+18. 7723M
二塘向斜9#煤层
瓦斯压力P=7. 5971-0. 0039B+0. 0004H ;瓦斯含量ff=43. 3482-0. 0211B+0. 0074H
二塘向斜11#煤层
瓦斯压力Ρ=5· 2095-0. 0028Β+0. 0030Η ;瓦斯含量W=0. 4349+0. 0006B+0. 0450H
②大河边向斜 大河边向斜1#煤层
瓦斯压力P=2. 4559-0. 0017B+0. 0036H ;瓦斯含量ff=15. 5972-0. 0072B+0. 0186H
大河边向斜7#煤层
瓦斯压力Ρ=-7· 7847+0. 0044Β+0. 0039Η ;瓦斯含量W=_25. 5042+0. 0174B+0. 0199H
大河边向斜11#煤层
瓦斯压力P=3. 3584-0. 0017B+0. 0023H ;瓦斯含量ff=9. 5615-0. 0030B+0. 0207H
大河边向斜13#煤层
瓦斯压力Ρ=-7· 9076+0. 0046Β+0. 0055Η ;瓦斯含量W=_62. 6171+0. 0398B+0. 0324H
③小河边向斜
老鹰山8#煤层
瓦斯压力P=4. 2838-0. 0023B-0. 0014H ;瓦斯含量ff=37. 8801-0. 020B-0. 0137H
老鹰山11#煤层
瓦斯压力P=-3. 2067+0. 0018B+0. 0032H ;瓦斯含量ff=-10. 8002+0. 0069B+0. 0127H
老鹰山13#煤层
瓦斯压力Ρ=-7· 7988+0. 0045Β+0. 0045Η ;瓦斯含量W=-61. 8792+0. 0359B+0. 0351H
S5:由于瓦斯地质条件的多变性，以及目前巷道揭露情况的限制，建议随着开采范围的变化，继续做好瓦斯地质资料的收集和整理，及时更新煤矿瓦斯地质智能动态分析系统，修改和完善瓦斯地质图。采掘进度数据更新
随着采掘进度的推进，采煤工作面进尺每月更新一次，掘进工作面进尺每旬更新一次。地质资料数据维护
煤层底板等高线的更新，随着高程点新增而及时更新；
断层、褶皱等地质构造的更新，随着揭露新断层按图例及时补充；
煤厚点的更新。瓦斯参数数据维护及瓦斯地质图更新及异常管理
瓦斯压力及瓦斯含量数据，随着新增瓦斯压力及瓦斯含量测点实时更新；
瓦斯涌出量数据，包括采煤工作面相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量取稳定值每月更新一次，掘进工作面绝对瓦斯涌出量每旬更新一次；
瓦斯抽放数据，包括抽放纯量、抽放浓度等数据，每月更新一次；
煤样参数数据，包括瓦斯吸附常数及工业分析等参数实时更新；
瓦斯突出危险性预测参数，包括瓦斯放散初速度Λ P，煤的坚固性系数f值，瓦斯突出危险性综合指标K值，钻屑瓦斯解吸指标K1或△ h2，钻孔最大瓦斯涌出初速度qmax，钻孔最大钻屑量Smax等,实时更新。依据现场瓦斯参数测定情况重新计算瓦斯压力、含量及涌出量数学模型，更新瓦斯地质图。生产过程中出现异常情况时，按照高瓦斯矿井、突出矿井临时工作流程，及时编制瓦斯地质预测预报。 实施例4
本实施例4以汪家寨煤矿为例，说明煤矿瓦斯地质四维分析方法在水城矿区保护层选择应用的具体实施
选择水城矿区具有代表性的汪家寨煤矿进行研究。汪家寨煤矿始建于1965年，设计能力为1500Kt/a，分平硐和斜井两个自然井开采。平硐井设计生产能力600 Kt/a，采用平硐分采区上、下山开拓方式；斜井设计能力900 Kt/a，开拓方式为斜井分阶段布置方式。井田属大河边向斜西翼中段，北以F2tl断层为界与那罗寨矿相邻，南以Fltl断层与大河边井田相邻，浅部至26号煤层露头，深部至I号煤层+1300m水平底板等高线。开采走向长 8. 73Km，倾斜宽 2. 5Km,总面积 19. 888Km2。井田内开采上二叠统宣威组煤系，分上、中、下三个煤组。含煤30余层，可采及局部可采 11 层1#、4#、7#、8#、11#、12#、13#、14-1#、14-2#、17#、28#，其中突出煤层有11#、12#、13#、14-1#、14-2#共5层，矿井目前主要开采1#、7#、8#、11#煤层。可采煤层的顶底板均含有泥质、砂质、粘土质等封闭性岩层，岩性极其松软，透气性差，为储存瓦斯创造了有利的条件。从建井至今，矿井共发生煤与瓦斯突出20多次，分别发生在11#、12#、13#、14_1#、14-2#煤层，其中11#煤层发生突出次数最多，达15次，最大突出强度690t，最大涌出瓦斯量5. 47万m3，平均突出强度96t，平均涌出瓦斯量O. 89万m3。矿井属煤与瓦斯突出矿井。S1:煤系地层层序地层演化控制着煤层厚度及其变化、顶底岩层岩性、煤层间距等，控制着垂向上煤层煤与瓦斯突出灾害的差异。同一地质构造条件下，越靠近海侵体系域最大海(湖)泛面位置煤层瓦斯赋存量越大(顶底板石灰岩煤层除外)、煤层煤与瓦斯突出倾向性越大。以汪家寨煤矿为例，采用煤矿瓦斯地质分析方法对汪家寨煤矿保护层选择技术进行研究。汪家寨煤矿含煤地层(宣威组)按层序地层学划分可分为两个层序。根据层序地层学分析，预测11#煤层整体煤与瓦斯突出倾向性最大，1#煤层整体次之，7#、8#煤层整体相对最小。在符合《防治煤与瓦斯突出规定》情况下，煤与瓦斯突出倾向性相对较小煤层都可作为较大煤层保护层。汪家寨矿井可采及局部可采煤层为1#、4#、7#、8#、11#、12#、13#、14 、14_2#、17#、28#，主采1#、7#、8#、11#煤层，从建井至今，矿井共发生煤与瓦斯突出20多次，分别发生在11#、12#、13#、14_/、14_2#煤层，其中11#煤层发生突出次数最多。由现场实际开采情况可知，非突出或相对突出倾向性较小煤层都可作为保护层。结合开拓开采情况，此研究选择7 #煤层作为11 #煤层保护层。
结合保护层地质理论分析结果、保护层选择影响因素等，取汪家寨煤矿的开采深度为600m左右，工作面长度为150m，7 #煤层开采厚度1. 44m。经计算上保护层的最大有效层间垂距为55m，测算值大于7#煤层到11#煤层的实际层间垂距36. 07m ;相对层间距(平均层间距与保护层采高之比)为24. 31，小于国内外公认的75。由此可见，在上保护层7 #煤层开采后，保护11 #煤层应是有效的。S2 :试验保护层工作面为X40702工作面，试验工作面运巷标高+1465m左右，回风巷标高+1505m左右，距地表垂深最大为571m，最小为460m。工作面走向长平均771m，倾斜长平均128m，煤层倾角12 16°，平均14。，煤厚1. 75m 1. 05m，平均1. 44m，容重1. 5t/m3,煤层结构复杂。其直接顶分叉后为灰白色细砂岩,合并后为泥岩粉砂岩；底板为灰白色粘土岩，厚O. 2 O. 3m,往下为灰白色细砂岩。该区域7#煤层与11#煤层之间垂距约35m左右，其间岩性为粘土岩、8#煤层和泥质粉砂岩。
从汪家寨煤矿数值模拟分析，可以得出若以开采7#煤层后，以地应力降低10%为标准，得出如下卸压角走向卸压角左侧为68°，右侧68°，卸压区域呈明显的对称形态；倾向卸压角下山侧87°，上山侧的卸压角79°。数值模拟结果给出7 #煤层作为11 #煤层保护层时的理论卸压范围。S3 :水城矿区保护层选择现场考察结果如下
①保护效果分析
为了综合分析上保护层7#煤层对11#煤层的保护作用，下面将7#煤层开采后11#煤层的各项参数的观测结果，包括煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形4个参数，选取一个具有代表性的钻孔绘成综合图表进行分析。在上保护层X40702工作面开采前后，11#煤层的瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形等参数发生了明显的变化。尽管部分沿煤层走向考察钻孔距离保护层X40702工作面较近，没有进入充分卸压带甚至明显卸压带，但各参数的变化具有一定的内在联系，从不同的角度反映了 7#煤层的开采对11#煤层的保护作用。11 #煤层未受7 #煤层采动影响区域位于保护层工作面前方40m以上，此区域仅受原始地应力作用，岩层未发生移动和变形。集中应力带位于保护层工作面X40702前方20 40m范围内。从7#煤层X40702工作面前方20m到工作面后方17m，11#煤层开始卸压，进入卸压带。图2为煤层开采后11#煤层变形及瓦斯动力参数变化曲线。②合理超前距
7 #煤层X40702工作面开采后，在7#煤层工作面后方42m时(S卩1. 2倍层间距时)，11#煤层瓦斯压力急剧下降到了 O. OMPa，低于了《细则》规定的O. 74MPa ；11#煤层膨胀变形此时达到了最大值13. 18 '10_3，超过了国内外公认的有效膨胀变形6%。；11#煤层透气性能大大增加到了 26. 23m2/MPa2. d，即是原始透气性系数的21倍；钻孔瓦斯流量最大达到了 O. 95m3/min，是卸压前钻孔瓦斯流量的13. 6倍。说明在7#煤层X40702回采工作面42m以后，位于保护范围内的11#煤层保护效果较为显著。根据《防治煤与瓦斯突出规定》(以下简称《规定》)要求，正在开采的保护层工作面必须超前于被保护层的掘进工作面，其超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的3倍，并不得小于100m，因此，按上述有关规定，并考虑一定安全系数，汪家寨煤矿7#煤层回采工作面相对于11#煤层掘进工作面的合理超前距为120m (即大于3倍层间距)。
③沿走向卸压角
7 #煤层开采后沿走向的卸压保护角考察参数有瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、透气性系数和煤层变形4个参数。考察瓦斯压力参数钻孔编号为C1 C4,钻孔瓦斯流量和煤层变形参数钻孔编号为B1 补B4。补C3、B3考察钻孔位置的11 #煤层处于7 #煤层采动卸压的有效保护范围内。补(3、83考察孔终孔位置距7#煤层停采线25.25!11。此处7 #、11 #煤层层间垂距约为42. 58m，计算得出7#煤层开采以后，对11 #煤层走向方向的卸压角为59. 33°。依据工作面防突效果检验指标分析，X41102补回巷测值增大地带起始处距保护层X20712工作面停采线为17. 3m, 11 #煤层与7 #煤层在此处垂距平均为36m，计算得出7#煤层开米后，11煤层走向卸压角为64. 33 。依据掘进面工作面瓦斯涌出量分析，X41102补回巷瓦斯涌出异常地带起始处距保护层采止线为16. 5m, 11 #煤层与7 #煤层在此处垂距平均为36m，计算得出7#煤层开采后，
11#煤层走向卸压角为65.4°。根据《防治煤与瓦斯突出规定》对停采的保护层采煤工作面，停采时间超过3个月、且卸压比较充分，该采煤工作面的始采线、采止线及所留煤柱对被保护层沿走向的保护范围可暂按卸压角为56° 60划定。根据沿煤层走向卸压角与层间垂距的理论关系，测算7 #煤层开采后，对11 #煤层走向方向的卸压角为61. 1° 64. 8°。④沿倾向卸压角
7 #煤层开采后沿倾向的卸压保护角考察参数有瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、透气性系数和煤层变形4个参数。考察瓦斯压力参数钻孔编号为C5 补C8，钻孔瓦斯流量和煤层变形参数钻孔编号SB5 补B8。(6為考察钻孔位置的11#煤层处于7#煤层采动卸压的有效保护范围内。(6為考察孔终孔点内错保护层工作面运巷17. 05m，经计算，位于倾斜下山方向卸压角为75. 8°。以掘进工作面防突效果检验指标分析，X41102切眼瓦斯检验指标明显变化地带起始处距保护层X20712工作面运巷斜距为17. 3m,平距为16. 6m, 11 #煤层与7 #煤层在此处垂距平均为36m，计算得出7#煤层开采后，11 #煤层沿倾向下方的保护卸压角为78. 37°。根据《防治煤与瓦斯突出规定》保护层沿倾斜方向的保护范围，按卸压角划定，结合汪家寨煤矿保护层煤层倾角，则汪家寨煤矿7 #煤层开采后，对下部11#煤层的倾向卸压角在上山方向和下山方向均为75°。S4 :综合保护层开采经验分析、数值模拟及现场考察结果分析，可知，选择7 #煤层作为11 #煤层保护层是合理的，并得出了相关参数。合理超前距考虑一定安全系数，汪家寨煤矿7#煤层回采工作面相对于11#煤层掘进工作面的合理超前距为120m (即大于3倍层间距)。走向方向7#煤层开采以后，考虑一定安全系数，对11#煤层走向方向的卸压角为59。。倾向方向7 #煤层开米以后,考虑一定安全系数,对11 #煤层倾斜上、下山方向的卸压角为75°。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.煤矿瓦斯地质四维分析方法，其特征在于包括以下步骤S1:获取沉积环境数据、地质构造数据和生烃史数据，从区域上分析瓦斯分布情况，从垂向层域上分析瓦斯分布情况，进而确定研究区域瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度；52:依据瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度进行瓦斯地质单元划分；53:依据瓦斯地质单元划分确定各瓦斯地质单元测试点并获取测试数据；54:依据瓦斯赋存主控因素建立瓦斯赋存数学模型；S5:根据瓦斯赋存数学模型，采用瓦斯地质智能动态分析系统自动形成包含瓦斯压力等值线、瓦斯含量等值线、瓦斯涌出量等值线、煤层厚度等值线、煤与瓦斯突出危险性划分的瓦斯地质图；S6 :随着采掘进度的推进，重复步骤S1-S5，对采煤工作面的瓦斯地质图进行更新，从时间上实现瓦斯地质规律的动态智能分析。
2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯地质四维分析方法，其特征在于所述步骤S2中的瓦斯地质单元划分，按以下方式进行当矿井有大型背斜、向斜时，则以背、向斜轴部为界划分为不同瓦斯地质单元；当矿井为大型断层，则以断层走向为界划分为不同瓦斯地质单元；当研究区域内无大型背斜、向斜及断层，则以地勘钻孔岩性、岩层厚度、煤层厚度、煤层倾角、煤层地勘瓦斯含量划分为不同瓦斯地质单元；当研究区域煤质差异较大，则以煤质进行瓦斯地质单元划分。
3.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯地质四维分析方法，其特征在于所述步骤S3中的测试点布置，按以下方式进行沿煤层走向布置的测试点的个数为2-6个，沿倾向走向布置的测试点的个数为3-6个，所述测试点位于埋深最大的开拓工程部位。
4.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯地质四维分析方法，其特征在于所述步骤S4中的瓦斯赋存数学模型，按以下方式进行Y=Bfa1X^a2X2+...+anxn ；式中，因变量y为瓦斯压力或瓦斯含量，自变量X表示为煤层底板标高、煤层埋深、煤层厚度、煤层顶底板泥岩厚度等，a0、al、…、an分别表示多元线性回归拟合系数。
5.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯地质四维分析方法，其特征在于所述步骤S5中的瓦斯地质图为研究区域内的煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、煤层透气性和煤层相对变形参数形成的图表。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿瓦斯地质四维分析方法，首先获取沉积环境数据、地质构造数据和生烃史数据，确定研究区域瓦斯富集保存状态、瓦斯赋存主控因素及煤与瓦斯突出危险性程度；然后进行瓦斯地质单元划分和测试点布置；最后建立瓦斯赋存数学模型并形成瓦斯地质图。本发明从空间(区域、层域)、时间四维角度建立了煤矿瓦斯地质四维分析方法，实现了煤矿瓦斯地质分析方法的突破。解决了传统瓦斯地质理论无法解释层域上同一地质构造条件下，不同煤层瓦斯赋存或煤与瓦斯突出灾害差异问题，实现了煤矿瓦斯地质区域、层域分析，解决了瓦斯地质单元划分难以操作问题，解决了同一数据不同人不同结果问题，减少了瓦斯地质分析工作量，实现了真正指导安全生产。
文档编号G01V9/00GK102998718SQ20121049788
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者胡千庭, 文光才, 董国伟, 赵旭生, 张庆华, 邹银辉, 崔俊飞, 覃木广, 林辉钦, 王麒翔, 唐韩英, 韩文骥, 邓敢愽, 张轶 申请人:中煤科工集团重庆研究院