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

摘要：為了研究淮南潘三礦11-2煤層的瓦斯賦存規(guī)律和主控因素，運(yùn)用瓦斯地質(zhì)理論和線性回歸的方法，結(jié)合潘三礦地質(zhì)勘探期間瓦斯地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯數(shù)據(jù)，分析了11-2煤層瓦斯賦存特征，探討了煤層瓦斯賦存與埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性、煤厚和煤體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造和頂板巖性是影響11-2煤層瓦斯賦存的主要控制因素，煤厚增加使得瓦斯含量也相應(yīng)增大，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(xiǎn)性，從而為潘三礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瓦斯賦存；瓦斯含量；瓦斯壓力；主控因素；回歸分析

中圖分類號(hào)：TD712.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

[WT]文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0050-05

收稿日期：2014-07-31

作者簡(jiǎn)介：周鑫?。?989-），男，湖北襄陽(yáng)人，在讀碩士，研究方向：安全科學(xué)與工程。

[JZ（〗[WT3BZ]Analysis of Main Influencing Factors of Gas Occurrence in 11-2 Coal Seam in Pansan Coal Mine

ZHOU Xin-long1，BO Fa-song2，SHI Bi-ming1，MU Chao-min1

（1. School of Energy and Safety， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China； 2. Pansan Coal Mine， Huainan Mining Group Co.， Ltd.， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：In order to study gas occurrence regularity in 11-2 coal seam in Pansan Coal Mine and the main influencing factors， the features of gas occurrence in 11-2 coal seam was analyzed and the gas occurrence in dependence on coal seam depth， geological structure， roof and floor lithology， coal body structure was discussed. The results showed that coal seam depth， geological structure and roof lithology are the main influencing factors of gas occurrence in 11-2 coal seam. With the coal seam thickness increasing， gas content rises， and the inhomogeneous distribution of tectonic soft coal induces gas outburst hazard rising to some extent. The study results provide a basic reference to prediction of coal and gas outburst in Pansan Coal Mine.

Key words：gas occurrence； gas content； gas pressure； main influencing factors； regression analysis

瓦斯是煤的形成過(guò)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(guó)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(yùn)移、賦存的幾個(gè)主要因素[2-4]。運(yùn)用瓦斯地質(zhì)理論對(duì)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)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(duì)科學(xué)指導(dǎo)瓦斯防治、預(yù)測(cè)瓦斯突出危險(xiǎn)性具有重要意義[5]。

1地質(zhì)概況

11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]。

圖1淮南煤田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

12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?yàn)镹WW-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(jí)向斜為葉集次一級(jí)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。

圖2潘三礦11-2煤層地質(zhì)構(gòu)造圖

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(jí)向斜為界將11-2煤劃分為東、西翼兩個(gè)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(jí)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。endprint

2瓦斯參數(shù)測(cè)定

在井下不同地點(diǎn)測(cè)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(jì)算出煤層瓦斯含量，同時(shí)收集潘三礦地勘期間所測(cè)的大量瓦斯數(shù)據(jù)，得出20個(gè)不同埋深的可靠的瓦斯數(shù)據(jù)如表1所示。

表111-2煤層瓦斯數(shù)據(jù)表

采樣地點(diǎn)埋深/m瓦斯含量/（m3·t-1）瓦斯壓力/MPa地質(zhì)單元

西三11-2煤上部采區(qū)皮帶機(jī)上山552622502西翼

西三采區(qū)1642（1）運(yùn)順進(jìn)料巷6598358037西翼

-753皮帶機(jī)石門7514908西翼

西二11-2新增回風(fēng)下山7553906西翼

1492（1）軌順8016112西翼

1482（3）底板巷82760212西翼

1482（3）底板巷82867916西翼

17131（1）軌順60851406東翼

-584軌道巷625229405東翼

-585軌道巷625833606東翼

東三11-2煤軌道下山676493071東翼

17101（3）底抽巷70251413東翼

17161（1）高抽巷71263118東翼

東翼-650～-750新增進(jìn)風(fēng)下山73445410東翼

1792（1）高抽巷750156211東翼

-705～817m聯(lián)絡(luò)巷74961712東翼

1792（3）底抽巷772461813東翼

深部進(jìn)風(fēng)井7746641122東翼

17181（1）運(yùn)順進(jìn)料巷77776715東翼

17181（1）瓦斯綜合治理巷7806715東翼

3瓦斯賦存規(guī)律分析

通過(guò)對(duì)不同采樣地點(diǎn)、不同埋深的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)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

所屬單元線性回歸方程相關(guān)系數(shù)對(duì)比關(guān)系

瓦斯含量與埋深關(guān)系

東翼X=0.01574H-5.849370.622 36>0.6

西翼X=0.01516H-6.418570.854 03>0.6

瓦斯壓力與埋深關(guān)系

東翼P=0.00501H-2.526540.810 97>0.6

西翼P=0.00449H-2.469340.768 16>0.6

注：X為煤層瓦斯含量，m3t-1；P為煤層瓦斯壓力，MPa；H為煤層埋深，m。

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(zhǎng)，且相關(guān)系數(shù)均大于06。東翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1574 m3/（t·hm）和0501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1516 m3/（t·hm）和0449 MPa/hm。

4影響煤層瓦斯賦存的控制因素

41埋深對(duì)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(lái)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(yùn)移、向地表逸散的難度增大[8]。

埋深/m

圖3東翼煤層瓦斯含量隨深度變化趨勢(shì)圖

埋深/m

圖4西翼煤層瓦斯含量隨深度變化趨勢(shì)圖

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(zhǎng)。由圖4可以看出各散點(diǎn)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。

42地質(zhì)構(gòu)造對(duì)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(dòng)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(gè)方面為主。

1） 斷層構(gòu)造。研究資料表明[10]：斷層構(gòu)造對(duì)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(xiàn)[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(jì)了24個(gè)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(guò)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。

主斷層距離/m

圖5東翼瓦斯含量隨主斷層距離變化規(guī)律

主斷層距離/m

圖6西翼瓦斯含量隨主斷層距離變化規(guī)律

從整體來(lái)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(shuō)明斷層構(gòu)造對(duì)瓦斯含量的分布起著重要作用。從局部來(lái)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(zhǎng)，部分階段反而會(huì)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(yùn)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(duì)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(dòng)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(dòng)一段時(shí)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(shí)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。endprint

43頂板巖性對(duì)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(yùn)移，逸散困難，瓦斯含量也就越高。反之，瓦斯含量則越小[12]。為直觀反映頂板巖性對(duì)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(duì)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。

砂泥比

圖7瓦斯含量隨頂板砂泥比變化趨勢(shì)

由圖7可以看出，各散點(diǎn)沿?cái)M和線均勻分布，離散性較低，也就是說(shuō)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(duì)11-2煤層的瓦斯賦存有很大的影響。

44煤厚對(duì)瓦斯賦存的影響

生產(chǎn)實(shí)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0～24 m，平均17 m；西部為穩(wěn)定煤層，厚度057～407 m，平均184 m。

煤厚/m

圖8瓦斯含量隨煤層厚度變化趨勢(shì)

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185～20 m時(shí)，瓦斯含量與煤厚線性關(guān)系不明顯，說(shuō)明在這些點(diǎn)上煤厚并不是瓦斯含量分布的主要影響因素。因此，煤厚對(duì)11-2煤層瓦斯賦存有一定的影響但不是主要控制因素。

45煤體對(duì)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(qiáng)度就越低，抵抗突出的能力越小，瓦斯突出的危險(xiǎn)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03～215 m，平均厚度為076 m。整個(gè)煤層塊煤、碎塊煤和粉沫煤的比例為6∶1∶3，這說(shuō)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(xiǎn)性。

11-2煤層以1/3焦煤、氣煤為主，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤層煤樣進(jìn)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)

采樣地點(diǎn)工業(yè)分析MadAadVdaf

瓦斯放散初速度ΔP孔隙率堅(jiān)固性系數(shù)f

-817東翼軌道大巷1.4221.2728.38.07.640.61

結(jié)合煤的分級(jí)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(guò)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(qiáng)。

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1574 m3/（t·hm）和0501 MPa/hm，西翼瓦斯含量和壓力梯度分別為1516 m3/（t·hm）和0449 MPa/hm。

2） 運(yùn)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08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(xiǎn)性，二者對(duì)瓦斯賦存有一定的影響但不是主要控制因素。endprint