賀西煤礦3號和4號煤層瓦斯含量與壓力的統(tǒng)計分析

王永文,吳世躍,董國民,盧 波,陳全秋,王燦召

(1.山西焦煤集團,太原 030024;2太原理工大學(xué),太原 030024;3.賀西煤礦,山西 柳林 033300)

賀西煤礦前身為柳林縣地礦局勞動服務(wù)公司開辦的集體煤礦,1998年5月15日由山西汾西礦業(yè)集團公司兼并,經(jīng)過三次技術(shù)改造,礦井核定生產(chǎn)能力達180萬t/a,目前是集團公司的主力生產(chǎn)礦井。煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院于2009年4月對賀西煤礦瓦斯涌出量的預(yù)測及突出危險性鑒定結(jié)論指出：賀西煤礦+560 m以上區(qū)域4號煤層為非突出煤層。但考慮到與賀西煤礦為鄰近礦井,且同屬一個煤田的華晉焦煤公司沙曲煤礦的4號煤層曾經(jīng)被煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院于2005年4月鑒定為具有煤與瓦斯突出危險煤層,礦井為突出礦井,所以建議賀西煤礦每延深50 m,走向1 000 m進行突出危險性預(yù)測預(yù)報及突出危險性評價,以確保安全生產(chǎn)[1]。因此,及時預(yù)測煤層瓦斯含量和壓力對預(yù)先制定接替采區(qū)瓦斯治理方案,評價煤層瓦斯的突出危險性,確保礦井的安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

1 礦井概況

賀西煤礦位于柳林縣城東南15 km,陳家灣鄉(xiāng)賀家社村西。井田為一不規(guī)則多邊形,略呈方形,東西長約6 km,南北長3.2 km,面積18.909 km2。井田西北與金家莊煤礦相鄰,東北與南溝煤礦、賀家社煤礦、李家社煤礦接壤。煤礦現(xiàn)主要開采山西組3號和4號煤層,地質(zhì)儲量1.06億t,屬低硫中灰特低磷主焦煤。

目前礦井開拓方式為斜-立井混合開拓方式,共設(shè)兩個水平開采,上組煤即第一水平,主斜井井底車場標(biāo)高+740 m,副立井井底車場標(biāo)高+780 m;下組煤即第二水平標(biāo)高設(shè)在+660 m。除沿4號煤層底板布置集中運輸巷外,其余巷道都沿煤層布置。

采煤方法為走、傾向長壁、采空區(qū)自然垮落、綜合機械化采煤法。

目前,礦井開拓范圍為一采采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)。一采區(qū)3號煤層、二采區(qū)3號煤層已經(jīng)開采完畢,正在生產(chǎn)二采區(qū)4號煤層,三采區(qū)3號和4號煤層,正在回采或準(zhǔn)備的工作面有：2403,2404,2405,3403,3405,3310和3311。同一采區(qū)煤層的開采順序先3號,后4號,沿煤層傾向開采。

通風(fēng)方式為中央分區(qū)抽出式,三個進風(fēng)井,兩個回風(fēng)井。2008年經(jīng)山西省煤炭工業(yè)局鑒定：瓦斯相對涌出量為38.41 m3/t,絕對涌出量為137.85 m3/min,屬高瓦斯礦井。煤層自燃傾向性為3類,屬不易自燃礦井,煤塵有爆炸危險性,煤塵爆炸指數(shù)為23%。

2 瓦斯賦存地質(zhì)條件

本井田位于河?xùn)|煤田中部,屬青龍城詳查勘探區(qū)東南部,根據(jù)本礦及相鄰礦井實際揭露的柱狀地質(zhì)情況及現(xiàn)已探明的鉆孔資料。本井田地質(zhì)構(gòu)造簡單,基本呈一走向北西,傾向南西的單斜構(gòu)造。煤層傾角3°～ 5°,最大為 11°,地表褶曲,斷層均不發(fā)育,僅在井下發(fā)現(xiàn)一條落差為9 m的正斷層,其余為落差小于2 m的層間小斷層。

本井田范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單,礦井涌水量不大。開采煤層上部含水層以K4,K7等中粗粒砂巖為主,含裂隙水,裂隙一般不發(fā)育,富水性弱。

3號煤層厚度1.55～2.71 m,平均 1.91 m;頂板巖性多為泥巖,個別為中細粒砂巖;底板巖性多為泥巖及粉砂巖。4號煤層上距3號煤層3.57～19.66 m,平均11.99 m,煤層厚1.25～1.87 m,平均 1.55 m,井田中北部與4號上煤層有小面積合并,合并區(qū)煤層厚3.45～4.59 m,平均4.06 m;頂板多為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖,底板多為粉砂巖、泥巖。3號和4號煤層均為全井田可采的穩(wěn)定煤層,傾角一般為3～5°,屬近水平煤層;3號、4號煤層煤質(zhì)相近,都屬低硫中灰特低磷主焦煤。

井田地面高程除大溝谷低于950 m外,一般在950～1 100 m之間,最高點在東南部,標(biāo)高1 174 m。最低點在西南部溝谷中,標(biāo)高885 m,最大高差289 m。3號、4號煤層地板等高線在410～810 m之間。

煤層瓦斯賦存規(guī)律一般受多種因素影響,一方面受煤質(zhì)、埋藏深度、構(gòu)造、煤的物理化學(xué)性質(zhì)、煤層頂、底板巖性等等多種因素的制約[1],另一方面由于煤層瓦斯運移的總趨勢是由地層深部向地表運移[2],因此要準(zhǔn)確反映煤層瓦斯壓力和含量與各種因素之間的復(fù)雜關(guān)系通常比較困難。但根據(jù)對賀西煤田瓦斯賦存地質(zhì)分析,由于賀西煤田地質(zhì)構(gòu)造為一單斜構(gòu)造,結(jié)構(gòu)簡單,3號和4號煤層間距較小、頂?shù)装鍘r性變化不大、煤質(zhì)又相近,所以可以初步推斷3號和4號煤層瓦斯含量和壓力主要受控于煤層的埋藏深度,一般隨煤層層位降低埋深增大,瓦斯含量和壓力增加,從井田東北向西南方向,煤層瓦斯含量和壓力逐漸增大。

3 煤層瓦斯含量和壓力測定結(jié)果分析

由于賀西煤礦巷道大多為煤巷,煤層傾角較小,3號和4號煤層間距較近、先采3號層后采4號層的開采順序等原因使煤壁和煤層卸壓,所以一般情況下在井下難以選擇合適的位置測試煤層的原始壓力。賀西煤礦自生產(chǎn)以來,主要由煤炭科學(xué)院沈陽研究院在2008年和2009年進行過2次井下瓦斯含量和壓力測試,僅僅得到三采區(qū)回風(fēng)巷下部4號煤層3個近似原始瓦斯壓力值,3310工作面材料巷下部4號煤層6個殘存瓦斯壓力值,2405工作面運輸巷開掘100 m內(nèi)2個殘存瓦斯含量值,3405工作面運輸巷和回風(fēng)巷開掘300 m內(nèi)2個殘存瓦斯含量值。顯然,僅僅根據(jù)這樣幾個瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)來指導(dǎo)全礦瓦斯防治工作是不夠的。但由于開采技術(shù)條件限制,井下直接測試本煤層瓦斯壓力技術(shù)困難,以及預(yù)測未揭露煤層瓦斯賦存參數(shù)的需要,所以根據(jù)地質(zhì)勘探時期鉆孔探明的瓦斯參數(shù),研究煤層瓦斯賦存規(guī)律,對于賀西煤礦正在生產(chǎn)的采區(qū)和接替采區(qū)瓦斯治理具有一定的指導(dǎo)意義。

在煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院2008年1月編制的《汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司賀西煤礦礦井瓦斯涌出量預(yù)測及突出危險性鑒定報告》[3]和2009年1月編制的《汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司賀西煤礦防治煤與瓦斯突出措施效果檢驗評價報告》[4]中,給出了山西煤田地質(zhì)勘探一四八隊在4號煤層所測定的了16個鉆孔的瓦斯成分、瓦斯含量、采樣深度和煤質(zhì)分析。在山西煤田地質(zhì)勘探一四八隊編制的《汾西礦業(yè)(集團)公司賀西井田精查報告》[5]中,給出了3號煤層 6個鉆孔、4號煤層 6個鉆孔瓦斯成分、瓦斯含量,采樣深度、孔隙率和煤質(zhì)分析。下文將對這些數(shù)據(jù)和吸附試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析,找出瓦斯含量和壓力與煤層埋藏深度的關(guān)系,為煤礦瓦斯災(zāi)害防治提供依據(jù)。

4 3號和4號煤層瓦斯賦存規(guī)律統(tǒng)計

根據(jù)對3號和4號煤層瓦斯賦存地質(zhì)條件的初步分析,由于瓦斯含量和壓力主要與深度有關(guān),所以統(tǒng)計分析時不考慮其它因素,不區(qū)分3號和4號煤層間的差別。地質(zhì)勘探報告測定的煤層瓦斯含量與深度的關(guān)系如圖1,統(tǒng)計分析得到如下關(guān)系式：

式中：w為瓦斯含量,m3/t;h為埋藏深度,m.

圖1 瓦斯含量與埋藏深度的關(guān)系

為了統(tǒng)計瓦斯壓力與埋藏深度的關(guān)系,可根據(jù)測定的瓦斯含量和相應(yīng)的試驗吸附常數(shù),由下式先求出煤層瓦斯壓力[6]：

式中：a為極限吸附量,m3/t;b為吸附常數(shù),MPa-1;p為煤層瓦斯壓力,MPa;φ為煤的孔隙率;ρS為煤的視密度,t/m3;A ad為煤中的灰分,%;M ad為煤中的水分,%.

反演計算的瓦斯壓力與深度關(guān)系如圖2所示,經(jīng)過統(tǒng)計分析得：

圖2 瓦斯壓力與埋藏深度的關(guān)系

因為吸附常數(shù)測定周期長,而且比較復(fù)雜,難以經(jīng)常頻繁測定,所以生產(chǎn)實際中也難以根據(jù)預(yù)測的含量,由公式(2)快速反演計算出煤層瓦斯壓力。而根據(jù)已測定的瓦斯含量和相應(yīng)的吸附常數(shù),經(jīng)過反演計算瓦斯壓力,然后再統(tǒng)計分析壓力與深度的關(guān)系,就可依據(jù)公式(3)和埋藏深度快速預(yù)測未知區(qū)域的壓力 ,這就是公式(3)的意義所在。

公式(1)和(3)表明3號和4號煤層瓦斯含量、壓力分別與埋藏深度近似成線性關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)R都近似為0.8.這與前述瓦斯賦存地質(zhì)條件分析結(jié)論一致。因此,在實際中可根據(jù)地形圖、煤層地板等高線圖及公式(1)和(3)快速計算出煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力,以評價煤層瓦斯災(zāi)害的危險程度,確定瓦斯治理方案。

根據(jù)公式(1)預(yù)測的瓦斯含量除極個別鉆孔預(yù)測值外,絕大多數(shù)預(yù)測值與實測值比較,誤差小于20%。

從公式(3)可知,當(dāng)h=206.4 m時,瓦斯壓力等于0,因此,該礦瓦斯風(fēng)化帶深度大于200 m,若取風(fēng)化帶壓力[6]為0.1 MPa,則風(fēng)化帶深度為225 m。因此,公式(3)僅適應(yīng)埋藏深度大于225 m的地層。

在瓦斯風(fēng)化帶以下,煤層瓦斯壓力隨深度加大線性增加,故煤層瓦斯含量也隨深度增加而增大,盡管它反映了煤層瓦斯由深部向地表運移的總規(guī)律,并被大量實例所證實,但實際中使用上述統(tǒng)計公式推算煤層瓦斯含量和壓力過程中,當(dāng)遇到較大的地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)等賦存條件劇烈變化時,必須結(jié)合其他測量方法做出綜合預(yù)測,或在有條件時直接測定。

5 目前生產(chǎn)區(qū)域瓦斯含量與壓力預(yù)測

根據(jù)公式(1)和(3),礦井目前生產(chǎn)采區(qū)生產(chǎn)工作面附近相關(guān)勘探鉆孔和工作面瓦斯預(yù)測結(jié)果如表1,表1中實測含量無數(shù)值,表示該點沒有實測值,9號鉆孔壓力小于0.1 MPa,表明該處煤層已處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。根據(jù)表1,二采區(qū)4號煤層目前生產(chǎn)區(qū)域瓦斯含量在3.35～7.47 m3/t之間,壓力在0.1～1.144 MPa之間。三采區(qū)4號煤層目前生產(chǎn)區(qū)域瓦斯含量在5.51～8.64 m3/t之間,瓦斯壓力在0.616～1.459 MPa之間。沈陽煤炭研究院小范圍實測三采區(qū)4號煤層瓦斯壓力在0.78～1.2 MPa之間,二者結(jié)論基本一致。三采區(qū)3號煤層目前生產(chǎn)區(qū)域瓦斯含量在7.03～8.36 m3/t之間,瓦斯壓力在1.026～1.383 MPa之間。

6 結(jié)論

賀西煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)較簡單,煤層瓦斯含量和壓力主要受埋藏深度控制,地質(zhì)勘探時期鉆孔探明的瓦斯數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明瓦斯含量和壓力分別與埋藏深度成近似線性關(guān)系。在實際中,若煤礦不具備井下直接測定瓦斯壓力的條件或要對未揭露的新區(qū)瓦斯賦存狀況進行預(yù)測,則可采用本文相同的方法,用地質(zhì)勘探時期鉆孔探明的瓦斯資料,對新區(qū)或新工作面瓦斯壓力和瓦斯含量進行預(yù)測,以指導(dǎo)煤礦瓦 斯防治工作。

[1] 曹國華,田富超,郝從娜.地質(zhì)構(gòu)造對寺河礦煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響分析[J].煤炭工程,2009(3)：56-60.

[2] 于不凡.煤礦瓦斯防治及其利用手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2005：36-53.

[3] 煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院.汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司賀西煤礦礦井瓦斯涌出量預(yù)測及突出危險性鑒定報告[R].2008.

[4] 煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院.汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司賀西煤礦防治煤與瓦斯突出措施效果檢驗評價報告[R].2009.

[5] 山西煤田地質(zhì)勘探一四八隊.汾西礦業(yè)(集團)公司賀西井田精查報告[R].2001.

[6] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992：11-30.