永紅煤礦3號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律之研究

楊峰峰，張巨峰，鄭 超，周華龍，李建兵，雷武林

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000；2.沁和能源集團(tuán)有限公司，山西晉城048204)

永紅煤礦3號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律之研究

楊峰峰1，張巨峰1，鄭 超1，周華龍1，李建兵2，雷武林1

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000；2.沁和能源集團(tuán)有限公司，山西晉城048204)

為了研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的影響，運(yùn)用瓦斯地質(zhì)學(xué)理論，結(jié)合地勘期間和礦井生產(chǎn)時(shí)揭露的瓦斯地質(zhì)資料，采用定性、定量相結(jié)合的方法研究了永紅煤礦3號(hào)煤層的瓦斯地質(zhì)規(guī)律。結(jié)果表明，地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性、埋藏深度是影響瓦斯賦存規(guī)律的主要影響因素，煤層埋藏深度是控制瓦斯含量的主導(dǎo)因素。為礦井瓦斯防治提供了理論支撐，對(duì)煤礦安全高產(chǎn)高效綠色開(kāi)采具有重要的指導(dǎo)意義。

瓦斯地質(zhì)規(guī)律；地質(zhì)構(gòu)造；瓦斯賦存；瓦斯含量

大量的實(shí)踐證實(shí)，煤與瓦斯突出常發(fā)生在構(gòu)造發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造破壞帶， 地質(zhì)構(gòu)造在一定程度上對(duì)煤與瓦斯突出具有控制作用[1]。國(guó)內(nèi)外研究表明，煤與瓦斯突出大多發(fā)生在逆斷層、正斷層等強(qiáng)烈變形的構(gòu)造區(qū)域，通常這些區(qū)域的煤層被破壞而形成了碎裂煤、碎粒煤或糜棱煤；而有些突出則與褶曲等因素有關(guān)，因?yàn)檫@些構(gòu)造在一定區(qū)域內(nèi)存在比較發(fā)育的構(gòu)造煤[2-3]。此外，礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征控制煤與瓦斯突出的分布，而構(gòu)造的分級(jí)、分區(qū)以及分帶特征是導(dǎo)致瓦斯突出分布不均衡的重要原因。對(duì)于煤與瓦斯突出礦井而言，要保證安全高效綠色開(kāi)采，關(guān)鍵在于搞清楚礦井或工作面的煤層瓦斯賦存規(guī)律，從而為實(shí)施兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施提供理論支持，因此，深入研究永紅煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律，對(duì)控制、預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義[4-5]。

1 礦井概況

永紅煤礦在2009年進(jìn)行機(jī)械化采煤升級(jí)改造后，礦井核定生產(chǎn)能力為1.2Mt/a。煤層瓦斯含量為12.61～21.3m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量152.31m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量94.37m3/t，批復(fù)等級(jí)為突出礦井。1994年6月24日早班9時(shí)多，永紅煤礦舊區(qū)一下山3201掘進(jìn)工作面回風(fēng)順槽在放炮時(shí)發(fā)生過(guò)一起瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，巷道拋出煤量108t，涌出瓦斯量約8000m3。礦井采用斜井單水平開(kāi)拓開(kāi)采3號(hào)煤層，頂板管理方式為全部陷落法，永紅煤礦礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。

2 地質(zhì)構(gòu)造及控制特征研究

2.1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化及分布特征

該礦區(qū)位于山西省東南部位的太行山隆起南端靠西側(cè)，同時(shí)也位于沁水復(fù)向斜盆地的南端，在礦區(qū)的東部賦存有NNE向的伊候山斷層、白馬斷層和陳溝斷層；礦區(qū)西部有發(fā)育為NWW-NE-NNE向展布的寺頭-土沃弧形斷裂構(gòu)造帶。山西省東南部位于山西中隆起區(qū)的中部和南部。晉東南區(qū)受到燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，由于燕山運(yùn)動(dòng)也劃分為不同的時(shí)期，因此其構(gòu)造形式的表現(xiàn)也不盡相同。

燕山運(yùn)動(dòng)早期，由于東西向的主壓應(yīng)力作用使其構(gòu)造變動(dòng)在形態(tài)上主要表現(xiàn)為大型的開(kāi)闊褶皺。而NNE向構(gòu)造形成的時(shí)期主要是燕山運(yùn)動(dòng)中期，對(duì)應(yīng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)楸蔽魑鳌蠔|東方向，與此同時(shí)形成了北北東向的線型擠壓帶。在燕山晚期-喜山期最大的變化是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力形式發(fā)生了較大變化，主張應(yīng)力方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，而主壓應(yīng)力方向變?yōu)楸睎|-南西向，與其對(duì)應(yīng)的構(gòu)造類型以斷裂為主，褶皺次之。

永紅煤礦的構(gòu)造形跡主要以寬緩的褶皺主，褶皺構(gòu)造的軸向?yàn)楸睎|向、南北向或北北東向，傾角在5°左右。未見(jiàn)斷層，無(wú)巖漿活動(dòng)、無(wú)陷落柱。礦區(qū)內(nèi)的構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類，構(gòu)造綱要如圖1所示。

圖1 永紅煤礦構(gòu)造綱要圖

2.2 構(gòu)造煤發(fā)育及分布特征

礦區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層上半部分為硬煤，表現(xiàn)為光澤明亮，呈現(xiàn)層狀，并且節(jié)理和次生節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面有擦痕，斷口呈現(xiàn)出參差多角狀、堅(jiān)硬的煤質(zhì)很難用手掰斷，屬Ⅱ類破壞型煤。3號(hào)煤層下半部分局部地方有一層厚度約0.3～0.6m的軟煤分層比較發(fā)育，而軟分層之上全部為硬煤。3號(hào)煤層底部的軟煤分層顏色暗淡，為細(xì)小的碎粒狀煤，層理紊亂、無(wú)次序；相對(duì)而言，節(jié)理不清晰、次生節(jié)理的密度比較大，而且呈現(xiàn)出全粉煤或粉碎煤的特性，屬于Ⅲ類偏Ⅳ類破壞型煤。

3 礦井瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

3.1 褶曲對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

一般認(rèn)為，閉合且完整的背斜會(huì)形成較好的儲(chǔ)存瓦斯的構(gòu)造，通常在軸部區(qū)域會(huì)儲(chǔ)存大量的高壓瓦斯而形成“氣頂”。但是對(duì)于向斜構(gòu)造而言，由于其軸部受到較大的擠壓作用而導(dǎo)致透氣性變差，所以向斜構(gòu)造兩翼的瓦斯含量常常比其軸部的要高。永紅煤礦井下向斜相對(duì)較緩，兩翼傾角不超過(guò)10°，如溝北村向斜兩翼地層傾角4～6°，一般5°左右，這樣的構(gòu)造形態(tài)不利于瓦斯向兩翼逸散，加之頂、底板為較大厚度的泥巖，更有利于瓦斯的封存，從而在向斜的軸部為瓦斯積聚區(qū)。

3.2 構(gòu)造煤對(duì)瓦斯賦存的影響

永紅煤礦局部地區(qū)存在構(gòu)造煤，通常情況下，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)應(yīng)力比較集中，滲透性較其他區(qū)域差，使瓦斯更容易保存，加之構(gòu)造煤本身強(qiáng)度比較低，抵抗破壞的能力要比原生結(jié)構(gòu)煤低。根據(jù)以往突出事故發(fā)生規(guī)律可知，發(fā)生突出的地點(diǎn)或附近往往存在構(gòu)造煤，在生產(chǎn)中尤其要注意斷層上盤和褶皺翼部。總之，在開(kāi)采或掘進(jìn)過(guò)程中要搞清構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域，保證安全生產(chǎn)。

3.3 頂、底板巖性對(duì)瓦斯賦存的影響

頂?shù)装鍘r性包括巖石的孔隙率、滲透性和孔隙結(jié)構(gòu)[6]。通常來(lái)說(shuō)頂?shù)装鍘r石的孔隙率越大，裂隙間的連通性、滲透性、隔氣及透氣性越好，越有利于煤層瓦斯的賦存，反之亦然。一般情況下，當(dāng)煤層頂?shù)装鍨轫?yè)巖、油母頁(yè)巖等比較致密、完整的巖石時(shí)，煤層中的瓦斯就容易被保存下來(lái)；而當(dāng)頂?shù)装鍨榭紫遁^發(fā)育或脆性裂隙相對(duì)發(fā)育的礫巖、砂巖等巖石時(shí)，相互貫通的裂隙給瓦斯的運(yùn)移提供了通道，瓦斯很容易逸散[7]。永紅煤礦3號(hào)煤層的偽頂為泥巖，直接頂為泥巖、粉砂巖或者砂質(zhì)泥巖，厚度2.56～8.24m，老頂為砂質(zhì)泥巖或中細(xì)砂巖，厚度0～5.55m，平均厚度4.24m。底板為泥巖、粉細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，厚度為5.62～8.92m，平均厚度為7.49m。當(dāng)煤層頂板為粉砂巖時(shí)，其瓦斯含量為13.21m3/t.r，而附近瓦斯含量相對(duì)較大的永2號(hào)孔(瓦斯含量為16.33m3/t.r)、永5號(hào)孔(瓦斯含量為15.00m3/t.r)、永6號(hào)孔(瓦斯含量為15.98m3/t.r)、114號(hào)孔(瓦斯含量為17.44m3/t.r)，由此可見(jiàn)，泥巖更有利于煤層瓦斯的保存。

3.4 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層厚度越大，則瓦斯生成量也越大，煤層的厚度變化破壞了瓦斯分布的均衡性，也就對(duì)瓦斯的運(yùn)移和變化產(chǎn)生影響，因此，在一定程度上可認(rèn)為煤厚變化也是造成瓦斯分布不均衡的重要原因[8]。永紅煤礦3號(hào)煤層煤厚4.7～6.0m，煤層厚度與瓦斯含量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，煤層厚度變化不大，并對(duì)煤層瓦斯含量與煤厚關(guān)系(圖2)進(jìn)行擬合分析可知，其煤厚與瓦斯含量的關(guān)系不明顯。

表1 煤層厚度與瓦斯含量對(duì)應(yīng)關(guān)系表

圖2 煤厚與瓦斯含量關(guān)系圖

3.5 埋藏深度對(duì)瓦斯賦存的影響

如果煤層有露頭，瓦斯容易溢出，瓦斯含量越小。地應(yīng)力隨著埋深的增加而增加的同時(shí)，煤層及圍巖的透氣性也變差，甲烷所占比例增加，瓦斯含量相應(yīng)增大。同時(shí)也導(dǎo)致了瓦斯向地表運(yùn)移距離的變大，這兩者都對(duì)瓦斯的封存起到有利的作用。

根據(jù)永紅煤礦3號(hào)煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值與埋深關(guān)系可知(如圖3所示)，永紅煤礦3號(hào)煤層瓦斯含量隨埋藏深度的增大而增加。

4 瓦斯含量分布及預(yù)測(cè)研究

(1)隨機(jī)變量η與n個(gè)可控變量x1，x2，…，xn滿足關(guān)系式：

(1)

其中a0，a1，…，an，σ2均為未知參數(shù)，n>1，則稱η與x1，x2，…，xn之間具有線性相關(guān)性，公式(1)即為n元正態(tài)線性回歸模型。

(2)多元線性回歸方程。假設(shè)隨機(jī)變量與η與n個(gè)可控變量x1，x2，…，xn之間有線性相關(guān)關(guān)系，也就滿足n元線性回歸模型，根據(jù)n個(gè)樣本值(xi1，xi2，…，xin；yi)，其中i=1，2，…，n，求未知參數(shù)a0，a1，…，an的最小二乘估計(jì)值，最終可得到n元線性回歸方程：

y=a0+a1x1+a2x2+…+anxn

(2)

(3)瓦斯含量預(yù)測(cè)

由于構(gòu)造及頂?shù)装鍘r性難以進(jìn)行定量分析，而煤厚與瓦斯含量關(guān)系不明顯，因此以煤層埋深作為瓦斯含量影響最大的因素建立線性回歸模型圖式：

y=a0+a1x1

(3)

式中：x1為煤層埋深。用3號(hào)煤層8個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本[(xi1，xi2，…，xin；yi)，其中i=1，2，…，10]代入式(3)，埋藏深度與瓦斯含量對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2，擬合計(jì)算得出3號(hào)煤層線性回歸方程為：y=8.0727+0.03635x1。

表2 埋藏深度與瓦斯含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

根據(jù)本礦實(shí)際條件，構(gòu)造煤、褶曲等對(duì)瓦斯賦存的影響只能采用定性的方法進(jìn)行分析，而埋藏深度與瓦斯含量直接的關(guān)系可以通過(guò)定性的方法進(jìn)行回歸分析，因此，通過(guò)建立回歸模型可以更直觀地分析二者之間的關(guān)系。由表2可知，埋藏深度與瓦斯含量呈正相關(guān)關(guān)系。

圖3 瓦斯含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖

一般來(lái)說(shuō)，煤層瓦斯含量受到煤種、構(gòu)造、埋藏的深度、煤的理化性質(zhì)、頂、底板巖性等多種地質(zhì)因素的制約，不同的礦井所具有的地質(zhì)條件千變?nèi)f化，因此各種地質(zhì)因素對(duì)其施加影響的顯著性很大程度上是不一樣的。也就是說(shuō)，不同的礦井所屬的各種地質(zhì)因素中總有一個(gè)控制全礦范圍內(nèi)瓦斯含量變化總體趨勢(shì)的主導(dǎo)因素，而其它的地質(zhì)因素只能在局部地區(qū)對(duì)煤層瓦斯含量起到一定程度的影響。

通過(guò)對(duì)本礦井的地質(zhì)條件進(jìn)行分析可知，永紅煤礦礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，這些簡(jiǎn)單的地質(zhì)構(gòu)造只能對(duì)局部的煤層瓦斯賦存規(guī)律產(chǎn)生影響，如構(gòu)造煤及褶曲等只在局部地區(qū)存在，對(duì)礦井小范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生影響，而埋藏深度在整個(gè)礦井范圍內(nèi)影響瓦斯含量的大小。綜上可知，煤層的埋藏深度才是控制永紅煤礦瓦斯含量變化的主導(dǎo)因素，為今后的瓦斯治理工作及安全開(kāi)采提供了依據(jù)。

5 安全技術(shù)措施

根據(jù)本礦生產(chǎn)實(shí)際，依靠生產(chǎn)科學(xué)新技術(shù)、新裝備，在石門揭煤及煤巷掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)及時(shí)測(cè)定瓦斯壓力或瓦斯含量，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性，強(qiáng)化瓦斯治理工作。

由于3號(hào)煤層局部存在軟分層煤，因此，采取專門的探測(cè)及預(yù)防措施，掌握瓦斯地質(zhì)規(guī)律，保證礦井安全生產(chǎn)。

堅(jiān)持兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，尤其是在構(gòu)造煤存在的區(qū)域，采用適合軟煤的瓦斯抽采技術(shù)及裝備，做好瓦斯治理工作。

完善監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)采掘工作面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的觀測(cè)。

6 結(jié)論

在分析區(qū)域構(gòu)造演化和構(gòu)造控制特征的基礎(chǔ)上，定性、定量地分析了褶曲、頂?shù)装鍘r性及煤層埋深對(duì)礦井瓦斯賦存的影響，并分析得到了控制瓦斯含量的主導(dǎo)因素是煤層的埋藏深度。

得出了永紅煤礦瓦斯賦存規(guī)律，從而為永紅煤礦制定和采取防治瓦斯技術(shù)提供了依據(jù)。

[1]舒龍勇,程遠(yuǎn)平,王亮，等.地質(zhì)因素對(duì)煤層瓦斯賦存影響的研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,21(2)：121-125.

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【責(zé)任編輯 趙建萍】

Study on Geological Laws of NO.3 Coal Seam Gas in Yonghong Coal Mine

YANG Feng-feng1，ZHANG Ju-feng1，ZHENG Chao1，ZHOU Hua-long1，LI Jian-bing2，LEI Wu-lin1

(1.CollegeofEnergyEngineering,LongDongUniversity,Qingyang745000,Gansu2.QinheEnergyGroupCorporationLtd.,Jincheng048204,Shanxi)

In order to research the influence of geological structure on coal and gas outburst,using gas geological theory,combing with the geological exploration and the gas geological data revealed in the mine produc-tion,a qualitative and quantitative combined method was applied to reserach the gas-geology laws of the No.3 Mine seam of Yonghong. Results show that the major influencing factors are geological structure,the lithologies of coal seam roof and floor and the thickness of coal seam and so on. It is shown that the burial depth of coal-bed is a main controlling factor. It provides theoretical support for mine gas prevention and controling,and has important guiding significance for coal mine safety high yield and high efficiency green mining.

gas-geological laws;geological structure;gas occurrence;gas content

1674-1730(2017)03-0090-04

2016-06-07

隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目《隴東寧正礦區(qū)高瓦斯厚煤層采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)瓦斯抽采技術(shù)研究》(XYZK1610)；隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目《基于AHP的煤炭地下氣化可行性研究》(XYZK1611)；慶陽(yáng)市自然科學(xué)基金《石門快速揭煤壓裂酸化機(jī)理研究》(zj2014-05)；隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目《巨厚黃土下深部開(kāi)采地表深陷規(guī)律研究》(XYBY1610)

楊峰峰(1988—)，男，甘肅靜寧人，助教，碩士，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害防治教學(xué)與科研。

TD712

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