潘三礦11－2煤層瓦斯賦存主控因素分析

周鑫隆，柏發(fā)松，石必明，穆朝民

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.淮南礦業(yè)集團潘三礦，安徽 淮南 232082)

瓦斯是煤的形成過程中受各種地質(zhì)因素綜合作用的產(chǎn)物，其賦存規(guī)律與復(fù)雜的煤層地質(zhì)條件及煤體自身的性質(zhì)有著密切的關(guān)系［1］。國內(nèi)外研究表明:區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、圍巖透氣性、埋藏深度、煤層厚度、煤體自身性質(zhì)等是影響瓦斯生成、運移、賦存的幾個主要因素［2－4］。運用瓦斯地質(zhì)理論對瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進行分析研究，理清煤層瓦斯賦存規(guī)律及其主要控制因素，對科學(xué)指導(dǎo)瓦斯防治、預(yù)測瓦斯突出危險性具有重要意義［5］。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

淮南煤田位于華北板塊南緣，秦嶺造山帶北緣，東為郯廬斷裂帶，北與蚌埠隆起南帶相接，總體上呈東西向展布，煤田含煤地層為二疊系上、下石盒子組和山西組，且煤層賦存呈現(xiàn)西部淺、東部深的特征。

淮南煤田受大別山帶的控制，礦區(qū)內(nèi)逆沖推覆斷裂發(fā)育(見圖1)，主要有由南向北的八公山－舜耕山－劉莊推覆體、由北向南的上窯－明龍山－尚塘推覆體、以及WE 向的淮南扇形復(fù)向斜帶，在復(fù)向斜帶內(nèi)還發(fā)育有潘集背斜、陳橋背斜和謝橋古溝向斜等［6－7］。

1.2 礦井地質(zhì)概況

潘三礦處于淮南復(fù)向斜潘集背斜與謝橋古溝向斜的交匯處，總體形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層走向為NWW－SEE。井田為第四系松散層覆蓋的全隱蔽區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，大、中、小型斷層發(fā)育。因受區(qū)域性NS 擠壓作用，井田內(nèi)發(fā)育有董崗郢次一級向斜為葉集次一級背斜，層滑構(gòu)造在井田內(nèi)也極其發(fā)育。11－2 煤層質(zhì)構(gòu)造圖如圖2所示。

煤層中、小型斷層的發(fā)育形式主要受董崗郢向斜控制，因此以董崗郢次級向斜為界將11－2 煤劃分為東、西翼兩個地質(zhì)單元。東翼地質(zhì)單元內(nèi)以逆斷層為主，煤層傾角一般都較小，主要有F5～F19～F47 斷層組以及F39～F18 斷層組，基本位于瓦斯風(fēng)化帶以內(nèi)，且發(fā)育有葉集次一級背斜和呈NE～SW 向展布的沖刷帶。該區(qū)內(nèi)煤層厚度變化很大，裂隙較為發(fā)育。西翼地質(zhì)單元主要分布有F1－1～F24～F26 斷層組，斷層落差大，正斷層發(fā)育較逆斷層要多，煤層傾角大，且距離基巖面較近。

2 瓦斯參數(shù)測定

在井下不同地點測定煤層瓦斯壓力并采集煤樣，去除灰分大于40%和水分含量高的煤樣后，采用直接法計算出煤層瓦斯含量，同時收集潘三礦地勘期間所測的大量瓦斯數(shù)據(jù)，得出20 個不同埋深的可靠的瓦斯數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 11－2 煤層瓦斯數(shù)據(jù)表

3 瓦斯賦存規(guī)律分析

通過對不同采樣地點、不同埋深的瓦斯數(shù)據(jù)進行分析，得出11－2 煤層瓦斯賦存規(guī)律。

1)在沿煤層走向上，東、西翼煤層瓦斯含量差異較大，在相同標(biāo)高下，東翼瓦斯含量普遍比西翼要大;在沿垂直標(biāo)高上，深部煤層瓦斯含量明顯大于淺部。

2)瓦斯含量、瓦斯壓力分布規(guī)律。運用線性回歸的分析方法建立礦井11－2 煤層?xùn)|、西翼瓦斯含量，瓦斯壓力與埋深的數(shù)學(xué)模型，得出東、西翼11－2 煤層瓦斯賦存規(guī)律如表2所示。

表2 瓦斯含量、壓力與埋深關(guān)系表

從表2 中可以看出，隨著煤層埋藏深度的增加，東、西翼瓦斯含量和瓦斯壓力均呈線性增長，且相關(guān)系數(shù)均大于0.6。東翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1.574 m3/(t·hm)和0.501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1.516 m3/(t·hm)和0.449 MPa/hm。

4 影響煤層瓦斯賦存的控制因素

4.1 埋深對瓦斯賦存的影響

隨著埋藏深度的不斷增加，煤層地應(yīng)力也不斷增大，使得煤層及圍巖透氣性越來越差，煤層與地表的距離也相應(yīng)增大，導(dǎo)致瓦斯在煤巖層中的運移、向地表逸散的難度增大［8］。

由圖3 可以看出，在埋深變化不大的情況下，東翼煤層瓦斯含量存在很大差異，瓦斯含量分布比較離散，在660 m 以下瓦斯含量與埋深的線性關(guān)系不明顯，但在660 m 以上瓦斯含量隨埋深呈線性增長。由圖4 可以看出各散點基本都在擬和線附近，西翼煤層瓦斯含量隨埋深變化很明顯。綜合以上分析可知，埋深是煤層瓦斯賦存的主要控制因素，且西翼地質(zhì)單元瓦斯分布受埋深影響更大。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

地質(zhì)構(gòu)造是影響區(qū)域內(nèi)瓦斯流動的重要條件之一［9］。具體到11－2 煤而言，地質(zhì)構(gòu)造主要以斷層構(gòu)造和層滑構(gòu)造兩個方面為主。

1)斷層構(gòu)造。研究資料表明［10］:斷層構(gòu)造對煤層的完整度、煤體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及瓦斯的賦存條件等都有極其重要的影響。

潘三礦11－2 煤層大、中、小型斷層發(fā)育，東翼地質(zhì)單元以張性正斷層為主，西翼以壓性逆斷層為主。文獻［11］曾以地勘期間和礦井生產(chǎn)中的大量瓦斯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計了24 個不同區(qū)域鉆孔的瓦斯含量數(shù)據(jù)及其與最近主斷層之間的距離。利用這些數(shù)據(jù)，通過線性回歸建立了數(shù)學(xué)模型，得出瓦斯含量X隨主斷層距離L變化規(guī)律如圖5～圖6所示。

從整體來看，東、西翼瓦斯含量大體上隨著主斷層距離的增大而增大，說明斷層構(gòu)造對瓦斯含量的分布起著重要作用。從局部來看，東、西翼瓦斯含量并非全都隨著主斷層距離的增大而呈線性增長，部分階段反而會減小，這是由于11－2 煤層大、中、小型斷層發(fā)育，在開放型斷層附近煤層地應(yīng)力得到釋放，瓦斯運移、逸散容易，而封閉型斷層附近煤層地應(yīng)力較為集中，瓦斯壓力大，瓦斯逸散困難而大量保存。綜合分析可知:斷層構(gòu)造是影響瓦斯賦存非常重要的控制因素。

2)層滑構(gòu)造。井田內(nèi)層滑構(gòu)造極其發(fā)育，主要是受淮南復(fù)向斜潘集背斜控制，且一般表現(xiàn)為張性正斷層特征。11－2 煤層頂板為巖性相對軟弱的砂質(zhì)泥巖和中細(xì)砂巖，在構(gòu)造應(yīng)力或重力作用下產(chǎn)生滑動變形，在煤層中發(fā)育出較為平整的斷裂面，傾角一般在30°～60°之間，滑動一段時間后，與煤層的頂(底)板相接觸，導(dǎo)致煤層發(fā)生嚴(yán)重變形，使得煤層厚度和原生結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時也提高了煤層的煤化程度和灰分，破壞了煤層頂?shù)装宓姆€(wěn)定性。

4.3 頂板巖性對瓦斯賦存的影響

11－2 煤層頂板主要以泥質(zhì)巖為主，局部為中細(xì)砂巖，底板主要以泥質(zhì)巖或砂質(zhì)泥巖為主，頂?shù)装逦挥跀鄬訋?nèi)，破碎嚴(yán)重并產(chǎn)生大量裂隙，不利于瓦斯的保存。砂泥比直接反映著頂板的巖性特征，砂泥比越大，頂板含泥質(zhì)巖越少，頂板透氣性也就越小，阻礙了煤層瓦斯在煤巖體間的運移，逸散困難，瓦斯含量也就越高。反之，瓦斯含量則越?。?2］。為直觀反映頂板巖性對瓦斯賦存的影響程度，取頂板30 m 內(nèi)巖層砂泥比作為考察對象，研究砂泥比m與瓦斯含量X之間的關(guān)系，研究結(jié)果如圖7所示。

由圖7 可以看出，各散點沿擬和線均勻分布，離散性較低，也就是說瓦斯含量隨著頂板砂泥比的增大而減小。因此分析可知，11－2 煤層瓦斯含量隨著頂板巖層透氣性的降低而減小，對11－2 煤層的瓦斯賦存有很大的影響。

4.4 煤厚對瓦斯賦存的影響

生產(chǎn)實踐表明:瓦斯涌出量隨著煤層厚度的增加而增大，且煤厚帶也往往是應(yīng)力變化集中帶［13］。11－2 煤層?xùn)|部為較穩(wěn)定煤層，厚度0～2.4 m，平均1.7 m;西部為穩(wěn)定煤層，厚度0.57～4.07 m，平均1.84 m。

從圖8 建立的瓦斯含量與煤厚之間的數(shù)學(xué)模型分析可知，11－2 煤層瓦斯含量整體上隨著煤層厚度的增加而增大，但離散度較大，且在煤厚為1.85～2.0m 時，瓦斯含量與煤厚線性關(guān)系不明顯，說明在這些點上煤厚并不是瓦斯含量分布的主要影響因素。因此，煤厚對11－2 煤層瓦斯賦存有一定的影響但不是主要控制因素。

4.5 煤體對瓦斯賦存的影響

煤體結(jié)構(gòu)和煤的變質(zhì)程度是影響瓦斯賦存的因素之一。煤體結(jié)構(gòu)受破壞程度越高，煤體強度就越低，抵抗突出的能力越小，瓦斯突出的危險性也就越高。另外，煤的變質(zhì)程度越高，生成的瓦斯量也就越多，吸附瓦斯的能力也越大［14］。

潘三礦井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，部分煤層煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞，受構(gòu)造應(yīng)力作用形成了以面狀分布的構(gòu)造軟煤。中深部構(gòu)造軟煤相比于淺部較為發(fā)育，在小向斜軸部煤層厚度較兩翼大，構(gòu)造軟煤加厚。發(fā)育類型主要為Ⅱ類和Ⅲ類，煤體呈鱗片狀、粉末狀或土糜狀，厚度為0.3～2.15 m，平均厚度為0.76 m。整個煤層塊煤、碎塊煤和粉沫煤的比例為6∶1∶3，這說明構(gòu)造軟煤受地質(zhì)構(gòu)造影響在11－2 煤層內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布，這在一定程度上增加了采掘工作中瓦斯突出危險性。

11－2 煤層以1/3 焦煤、氣煤為主，在實驗室對煤層煤樣進行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 煤樣工業(yè)分析及相關(guān)參數(shù)

結(jié)合煤的分級指標(biāo)［15］可以看出，11－2 煤層屬于低水分、中揮發(fā)分、中灰分煤，成煤過程處于主要生氣階段，煤的變質(zhì)程度較高，生成瓦斯量較多，煤體微孔發(fā)育，吸附表面積大，貯存瓦斯的能力也比較強。

5 結(jié)論

1)11－2 煤層瓦斯賦存總體上呈現(xiàn)東翼地質(zhì)單元瓦斯含量普遍比西翼要高，深部煤層瓦斯含量明顯大于淺部的分布規(guī)律。東翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1.574 m3/(t·hm)和0.501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1.516 m3/(t·hm)和0.449 MPa/hm。

2)運用瓦斯地質(zhì)理論和線性回歸方法分析得出煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造、頂板巖性是影響11－2 煤層瓦斯賦存和突出分布的主要控制因素，三者與瓦斯分布的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8 以上。

3)隨著煤層厚度的增加，瓦斯含量也相應(yīng)增大，而煤層中構(gòu)造軟煤的不均勻分布在一定程度上增大了瓦斯突出危險性，二者對瓦斯賦存有一定的影響但不是主要控制因素。

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