寶鼎礦區(qū)深部瓦斯賦存規(guī)律研究

魏克敏，雍章弟，文澤康

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寶鼎礦區(qū)深部瓦斯賦存規(guī)律研究

魏克敏1，雍章弟2，文澤康1

（1．四川煤炭產(chǎn)業(yè)集團攀枝花煤業(yè)公司，四川攀枝花 617006；2．攀枝花市國土資源局，四川攀枝花 617006）

通過對寶鼎礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井瓦斯規(guī)律和深部鉆孔采取的瓦斯參數(shù)的綜合分析與研究，認為隨著礦井開采標高的降低，高瓦斯區(qū)域逐漸增多，深部煤層的瓦斯含量會逐步增高，瓦斯壓力也隨之增大，礦井瓦斯涌出量也將逐漸升高；礦井將由瓦斯礦井過渡為高瓦斯礦井；在較好封閉性構(gòu)造部位還可能存在高瓦斯高壓力區(qū)域。

瓦斯；賦存規(guī)律；研究；寶鼎礦區(qū)

寶鼎礦區(qū)由川煤集團攀煤公司所屬的四對礦井開采近40余年，淺部資源行將枯竭，為解決攀煤公司接替及十余萬職工家屬的生計問題，規(guī)劃進入深部開采已迫在眉睫；礦井淺部屬于瓦斯礦井，隨著開采的深入，瓦斯含量勢必要增加，研究深部瓦斯賦存規(guī)律、瓦斯含量如何變化，對安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。本文通過對寶鼎礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井瓦斯規(guī)律和深部鉆孔采取的瓦斯參數(shù)的綜合分析與研究，力求探索深部瓦斯分帶、瓦斯賦存規(guī)律，為深部規(guī)劃和礦井建設(shè)提供較為切合實際的依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)

寶鼎礦區(qū)地層屬揚子區(qū)會理—楚雄分區(qū)渡口小區(qū)，礦區(qū)位于Ⅰ級構(gòu)造單元揚子陸塊的西緣，跨康滇地軸的鹽源~麗江坳陷兩個Ⅱ級構(gòu)造單元，在康滇地軸內(nèi)Ⅲ級構(gòu)造單元中位于鹽邊臺拱的南部；在區(qū)域構(gòu)造分區(qū)中屬于華坪小區(qū)東部，其東為仁各小區(qū)，南為團山小區(qū)

寶鼎礦區(qū)及外圍出露的地層有三疊系上統(tǒng)丙南組（T3b）、大蕎地組（T3d）、寶鼎組（T3bd）、新近系上新統(tǒng)昔格達組（N2x）及第四系上更新統(tǒng)（Qp）、全新統(tǒng)（Qh）礦區(qū)主要含煤地層為三疊系大蕎地組，厚1 800～2 500m，為內(nèi)陸湖泊、 河漫、沼澤、河流沉積，以砂巖、泥巖及煤層為主，含煤132層，其中可采煤層73層，可采煤層總厚度58.5m，主要可采煤層17層，編號為4、14、15-5、15、18、21-2、21-3、22-2、24-2、24-4、27、32、33、35、38、39、40號等。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)主體和次要構(gòu)造的走向基本上都是NNE或NE向，是燕山運動晚期在區(qū)域NWW向主壓應(yīng)力作用下形成的。礦區(qū)主體構(gòu)造為一北端揚起、向南西傾伏、東翼較緩、西翼較陡的開闊不對稱向斜構(gòu)造——大箐向斜（S4向斜），其軸線走向約為N30°E，核部及轉(zhuǎn)折端地層傾角較小，一般在20°以下。西翼褶曲、斷層不甚發(fā)育，地層走向與主體構(gòu)造線基本一致。東翼邊緣構(gòu)造較復雜，發(fā)育一些的次級褶曲和斷裂。礦區(qū)內(nèi)共有褶曲49條，斷層89條，攀煤公司所屬礦井在開采淺部煤層過程中揭露隱伏斷層72條。

礦區(qū)深部構(gòu)造相對較簡單。本區(qū)主壓應(yīng)力派生出了橫向張應(yīng)力和斜向剪應(yīng)力。在橫向派生張應(yīng)力作用下在局部地段平行于主壓應(yīng)力軸的少量的Ⅳ級張性正斷層，在閉合褶曲和緊閉褶曲的樞紐部位產(chǎn)生的縱向張應(yīng)力的作用下沿樞紐部位形成了垂直于主壓應(yīng)力軸的少量的Ⅳ級張性正斷層；在斜向剪應(yīng)力作用下在局部地段形成了區(qū)內(nèi)兩組共軛平移斷層。區(qū)內(nèi)的正斷層和平移斷層是在派生應(yīng)力的作用下形成的，因此規(guī)模小。也正由于本區(qū)沒有主張應(yīng)力和主剪應(yīng)力，因而本區(qū)也沒有形成規(guī)模較大（落差大于30m、延伸大于500m）的張性正斷層和平移斷層。

2 礦區(qū)瓦斯

2.1 淺部礦井瓦斯

經(jīng)近幾年攀煤公司瓦斯涌出量統(tǒng)計，生產(chǎn)礦井瓦斯相對涌出量在0.98~8.96m3/t.d，瓦斯絕對涌出量1.62~18.466m3/min，其中太平煤礦最低，小寶鼎礦最高，其原因除與煤層、埋深相關(guān)外，還與通風方式和開采強度相關(guān)。攀煤公司四個礦僅小寶鼎礦為抽出式通風，其余皆為壓入式，因老窯瓦斯進入工作面而使小寶鼎礦瓦斯含量較高。從四個礦歷年瓦斯統(tǒng)計表看，四對礦井隨著開采水平的延深，礦井瓦斯涌出量均有逐漸增高的趨勢。

礦井生產(chǎn)積累的瓦斯資料表明，寶鼎煤礦區(qū)的煤層瓦斯涌出量在不同煤層、不同構(gòu)造部位和不同埋深差異較大，表現(xiàn)出非均勻性和復雜性。總體而言，淺部生產(chǎn)礦井瓦斯含量較低，為瓦斯礦井。

淺部勘查工作采取的瓦斯樣多集中在孔深500m以淺（標高1 020 m以上），勘查結(jié)果表明礦區(qū)淺部瓦斯含量低，為0.15~7.27m3/t，多＜3 m3/t，僅個別點較大。各煤層的采樣深度多在風氧化帶之氮氣沼氣帶中，但總的趨勢是隨埋深增加，瓦斯含量呈增大的趨勢。

2.2 深部煤層瓦斯

為使深部瓦斯研究更符合實際，本文采用寶鼎礦區(qū)深部詳查勘探時采取的瓦斯樣和瓦斯測試數(shù)據(jù)為依據(jù)。

2.3 瓦斯成分及瓦斯含量

2.3.1 瓦斯成分

瓦斯成分以甲烷為主，隨煤層埋深的增大而增高。甲烷帶瓦斯成分含量平均為：甲烷為88.24％，氮氣為12.27％，CO2為1.78％，氧氣為1.45％，氫氣0.75％。另外含有少量乙烷和丙烷，含量0.17%～1.79％，平均0.52％。主要煤層主要成分見表1。

表1 主要煤層瓦斯主要成分統(tǒng)計表（%）

2.3.2 煤心解吸瓦斯含量

根據(jù)勘探成果和重慶煤科院進行的部分瓦斯采取測試參數(shù)，煤層的瓦斯壓力（P）、煤體吸附常數(shù)（a、b）、煤的孔隙率等幾個技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 煤層瓦斯壓力、高壓等溫吸附參數(shù)表

計算煤層瓦斯最大吸附量的朗格繆爾方程簡略公式為：

式中：P為瓦斯壓力，單位：MPa；μ為煤的孔隙率；A灰分；m水分；r容重。

由公式可見，煤層的瓦斯、特別是游離瓦斯含量主要與瓦斯壓力正相關(guān)，a、b值決定于煤質(zhì)，一般a值為20～70，b值為0.03～0.3左右。根據(jù)生產(chǎn)礦井不同水平和勘探時鉆孔揭露不同深度瓦斯變化統(tǒng)計，寶鼎礦區(qū)的a值偏小、b值偏大。

利用朗格繆爾方程求得24-2、24-4和27號煤層瓦斯最大理論吸附量分別為18.71 m3/t、30.01 m3/t、24.80 m3/t。說明寶鼎礦區(qū)深部部分煤層局部瓦斯含量可能較高。

通過解析，在礦區(qū)深部，煤層瓦斯含量一般為5～10 m3/t，較淺部瓦斯含量明顯增高。

2.4 瓦斯含量分布規(guī)律

2.4.1瓦斯梯度及瓦斯梯增率

以煤層埋藏深度（H）為自變量，瓦斯含量（Q）為應(yīng)變量對礦區(qū)煤層瓦斯含量測定成果進行回歸分析，建立瓦斯含量與煤層埋深的線性方程為Q＝0.009 8H+4.402 6，計算出礦區(qū)煤層平均瓦斯含量梯度為102m/m3/t，平均梯增率為0.98m3/t/100m。其中，太平礦10、15號煤層，花山礦6、17號煤層，大寶鼎礦4、10、15號煤層，瓦斯遞增率較大，梯度值較小。小寶鼎礦32、36、38煤層，太平礦11、18號，花山礦3、4、15、22號煤層，大寶頂?shù)V10、15號煤層，瓦斯梯增率較小，梯度值較大。

利用鉆孔煤心瓦斯解吸成果，選擇相近構(gòu)造部位瓦斯解吸成果正常的數(shù)據(jù)計算的17-1、17、18-1、18、21-3、22-2、24-1、33-1、39 煤層的瓦斯梯度和梯增率表明深部煤層瓦斯梯增率較淺部增大。其中17、39煤層瓦斯梯度值較大，梯增率較小，而其余7層煤層梯度值較小，梯增率較大。

2.4.2 瓦斯分帶

根據(jù)目前的研究成果，確定瓦斯風化帶下界的指標一般是：煤體中CH4成分要在80％左右，煤體瓦斯壓力1～1.5kg/cm2，瓦斯含量＜2~4m3/t。全國儲委1987年頒發(fā)的《煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范說明》中規(guī)定瓦斯風化帶的下界為CH4含量為80％。表3及圖2表明，隨著埋深增加，寶鼎礦區(qū)煤層瓦斯含量和煤層甲烷濃度逐漸增高，但各煤層及同一煤層在不同構(gòu)造部位變化較大。甲烷濃度80％對應(yīng)的煤層埋深大致為350～600m。據(jù)此，預(yù)測寶鼎礦區(qū)多數(shù)煤層瓦斯風化帶深度為350～600m。

表3 太平、大寶頂?shù)V實測煤層瓦斯含量表

3 控制瓦斯賦存規(guī)律的地質(zhì)因素

1）地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響。在斷裂構(gòu)造作用區(qū)，煤體的形變往往改變煤對瓦斯吸附與解析的狀態(tài)，所產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙直接影響到瓦斯的賦存與運移。褶皺構(gòu)造對瓦斯分布也有極重要的影響，由于褶皺構(gòu)造在軸部易形成一個封閉的區(qū)域，這不利于瓦斯的排放，甚至還會起到一定的封閉作用，特別是背斜的軸部，將造成瓦斯含量異常增大。當煤層頂板為致密巖層且未暴露時，一般在背斜，瓦斯含量由兩翼向軸部增大；在向斜軸部瓦斯含量減小。當煤層頂板為脆性巖層裂隙較多時，瓦斯含量在背斜軸部減小，在向斜軸部增加。

另外，在寶鼎礦區(qū)，煤層的頂?shù)装鍘r性也是影響煤層瓦斯含量的重要因素。當煤層的頂、底板巖性皆為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖時，由于封閉性好，煤層的瓦斯含量會變得異常大。其中12、23、24-3、38等煤層顯得尤為突出。

2）埋深對瓦斯賦存的影響。根據(jù)礦區(qū)煤層瓦斯賦存規(guī)律分析，隨著礦井開采標高的降低，深部煤層的瓦斯含量會逐步增高，瓦斯壓力也隨之增大，礦井瓦斯涌出量也將逐漸升高，高瓦斯區(qū)域逐漸增多；礦井將由瓦斯礦井過渡為高瓦斯礦井。

3）頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響。礦區(qū)內(nèi)各煤層直接頂多為粉砂巖、細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖（表3-1-1），上覆巖層透氣性好，含煤地層沉積后地層不斷隆起并遭受剝蝕，煤層中的瓦斯得以大量逸散；礦區(qū)內(nèi)各煤層多有露頭，不利于瓦斯保存。

4）煤層厚度對瓦斯賦存的影響。礦區(qū)含煤地層厚度大，可采煤層多，各煤層的瓦斯生成、保存條件存在差異，4、17-1、18-1、21-2、21-3、22-1、23、24-1、24-3、24-4、32、35、39、40等煤層厚度相對于其它煤層要大，瓦斯涌出量較大，其它煤層瓦斯涌出量相對較低。

5）煤質(zhì)對瓦斯賦存的影響。寶鼎礦區(qū)主要煤類為焦煤、貧煤、貧瘦煤及瘦煤，變質(zhì)程度較低，屬中煤級，大孔隙較少，微孔較多，煤儲層的吸附能力較弱，含氣量較低。其中，太平礦基本全為焦煤，變質(zhì)程度相對較低，煤層生氣量相對貧煤、貧瘦煤（花山、小寶鼎和大寶頂?shù)V）要低，煤層瓦斯含量較低。

6）水文地質(zhì)條件對瓦斯賦存的影響。大蕎地組和寶鼎組各含水層之間水力聯(lián)系差，補給源較遠且有限，同一含水層組不同地段含水裂隙聯(lián)通性較差，使得地下水運移對煤層瓦斯聚集、逸散影響較小。

7）沉積歷史對瓦斯賦存的影響。寶鼎礦區(qū)屬山間斷陷盆地陸相含煤沉積，含煤地層沉積后地層不斷隆起并遭受剝蝕，三疊紀含煤地層之上無侏羅紀、白堊紀地層，地質(zhì)演化和沉積史均不利于瓦斯保存。

4 結(jié)論

1）根據(jù)判定煤與瓦斯突出的四項指標：即煤的破壞類型、瓦斯放散初速度（ΔP）、煤的堅固系數(shù)（f）和煤層瓦斯壓力（P）（表5）。當四項指標全部達到或超過臨界值時可確定為具有煤與瓦斯突出危險性。深部勘探和生產(chǎn)揭露均未能在同一鉆孔或同一地點的同一煤層同時使四項指標達到臨界值，但深部勘探時四項指標分別有超過臨界值的現(xiàn)象，此應(yīng)引起施工單位、設(shè)計和生產(chǎn)部門的高度重視，建議在勘探（精查）階段布置足夠的針對煤層瓦斯的測試工作，并委托有資質(zhì)和能力的單位開展瓦斯賦存規(guī)律的專題研究及煤與瓦斯突出的專題評價研究工作，在今后生產(chǎn)中應(yīng)加強礦井瓦斯地質(zhì)工作。

2）為確保安全生產(chǎn)，對深部高瓦斯煤層應(yīng)采用瓦斯綜合治理技術(shù)進行治理。除優(yōu)化通風方案，改善局部通風條件外，抽排瓦斯將是一項十分有效和經(jīng)濟的手段。

根據(jù)重慶煤科院對煤層透氣性、輔以鉆孔瓦斯流量及衰減系數(shù)的評價，花山礦3、4號煤層屬可以抽放煤層，23號煤層屬較難抽放煤層，大寶頂?shù)V21號、小寶鼎礦39號煤層屬較難抽放煤層，但在+1120m標高以上，39號煤層屬可以抽放區(qū)域。因此，在礦井延深后的高瓦斯區(qū)域，對煤層透氣性好、容易抽放的煤層，建議采用本層預(yù)抽方法；可采用順層或穿層面孔方式；煤層透氣性較差、采用分層開采的厚煤層，可利用先采分層的卸壓作用抽放未采分層的瓦斯；單一低透氣性高瓦斯煤層，可選用加密鉆孔、交叉鉆孔等方法強化抽放；煤與瓦斯突出危險的煤層，應(yīng)選擇穿層網(wǎng)絡(luò)面孔方式抽放；煤巷掘進穿越高瓦斯區(qū)域時，可采用先抽后掘的方法。

[1] 蘇時才、魏克敏，等. 寶鼎煤礦接替資源詳查報告[R]. 2009, 10

[2] 煤科院重慶分院. 寶鼎礦區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)研究報告. 2008, 9.

[3]. 國家安生生產(chǎn)監(jiān)督管理總局, 國家煤礦安全監(jiān)察局. 防治煤與瓦斯突出規(guī)定[S]. 煤炭工業(yè)出版社, 2009.1

[4]. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局. 煤層氣含量測定方法.GB/T 19559-2008［S］.北京：中國標準出版社，2008

[5]. 趙鐵錘、袁亮, 等. 煤礦總工程師技術(shù)手冊[S]. 煤炭工業(yè)出版社, 2010.7

Occurrence of Gas in the Depth of the Baoding Coal Mine

WEI Min-zhang1YONG Zhang-di2WEN Ze-kang1

(1-Panzhihua Coal Mining Company, Sichuan Coal Mining Group, Panzhihua, Sichuan 617006; 2-Panzhihua Bureau of Land and Resources, Panzhihua, Sichuan 617006)

Study indicates that content, pressure and outflow rate of gas in the Baoding Coal Mine increase with depth and high content and high pressure of gas might come into existence in fully enclosed structural locations.

gas; occurrence; study; Baoding Coal Mine

P618.11

A

1006-0995（2015）01-0072-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.017

2014-05-23

魏克敏（1969－），男，四川德陽人，教授級高級工程師，一直從事地質(zhì)及管理相關(guān)工作