樊寨井田二1煤層瓦斯含量主控因素研究

李金海，徐永紅，王軍飛(鄭州祥隆地質(zhì)工程有限公司，河南 鄭州 452371)

樊寨井田二1煤層瓦斯含量主控因素研究

李金海，徐永紅，王軍飛
(鄭州祥隆地質(zhì)工程有限公司，河南 鄭州 452371)

為了查明樊寨井田瓦斯含量的主控因素，本文系統(tǒng)收集和統(tǒng)計(jì)了地質(zhì)勘查階段樊寨井田二1煤層的瓦斯地質(zhì)資料，詳細(xì)分析了地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、基巖厚度、煤層厚度、煤層圍巖、煤質(zhì)等地質(zhì)因素對煤層瓦斯含量的影響，應(yīng)用回歸分析方法建立以基巖厚度、煤層厚度、頂板20 m封閉系數(shù)為變量的瓦斯含量預(yù)測模型公式，并依據(jù)模型方程對井田二1煤層瓦斯含量進(jìn)行了預(yù)測，為煤礦安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。

樊寨井田；瓦斯含量；煤層

1 研究區(qū)概況

樊寨井田位于新密復(fù)式向斜中段軸部，發(fā)育有浮山寨斷層等6條較大的斷裂構(gòu)造及羅灣滑動構(gòu)造。主要可采煤層為山西組二1煤層，埋深約300～900 m，層位賦存穩(wěn)定，平均厚度為4.70 m，絕大部分可采，為粉狀貧煤。

2 瓦斯含量影響因素分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

樊寨井田整體仍呈一向斜構(gòu)造，向斜軸部大致沿五里堡斷層附近，井田內(nèi)發(fā)育有水車園背斜等次級褶曲及浮山寨正斷層、樊寨正斷層、蘇寨正斷層、王家溝正斷層、呂家溝正斷層等斷裂構(gòu)造，此外還發(fā)育有羅灣滑動構(gòu)造。樊寨井田斷層特征見表1。

地質(zhì)構(gòu)造既可改變煤體結(jié)構(gòu)及賦存形態(tài)，又可改變煤層圍巖透氣性[1-4]。斷裂構(gòu)造對瓦斯形成后的運(yùn)移、賦存與分布起著直接控制作用。張性斷裂一般為開放性斷層，對煤層瓦斯起到排放作用；壓性與壓扭性斷裂一般屬封閉性斷層，對煤層瓦斯起到封閉作用，不利于瓦斯逸散[5-6]。

浮山寨正斷層為樊寨井田與北部楊河井田的分界斷層，因滑動構(gòu)造復(fù)合原因?qū)е聰鄬訋Ь哂袎号ば再|(zhì)，不利于瓦斯逸散，造成局部斷層帶附近瓦斯含量相對較高。王家溝正斷層為浮山寨較大的分支斷層，其南北二1煤頂板裂隙發(fā)育，底板也較破碎，有利于瓦斯釋放，瓦斯含量很低，沿?cái)鄬訋纬闪艘粭l帶狀的二氧化碳-氮?dú)鈳?。南部的樊寨正斷層、蘇寨正斷層、五里堡正斷層及西部的呂家溝正斷層為落差較大的開放性斷層，有利于地質(zhì)歷史時期瓦斯的排放。五里堡正斷層附近的二1煤處于新密向斜軸部，有利于瓦斯聚集，瓦斯含量普遍較高。

表1 樊寨井田斷層特征

羅灣滑動構(gòu)造形成二1煤層厚度變薄或增厚現(xiàn)象，井田范圍內(nèi)出現(xiàn)的薄無煤帶以及巨厚煤帶多與滑動構(gòu)造有關(guān)；且滑動構(gòu)造對瓦斯、煤質(zhì)及煤層頂?shù)装宓榷加休^大的影響，可造成局部瓦斯聚集、煤變質(zhì)程度增高、降低煤層頂?shù)装鍘r石的力學(xué)強(qiáng)度等。

2.2 煤層埋深及基巖厚度

英祖李 將長白山定為朝鮮的“北岳”，視為朝鮮眾山之宗且尊為王室誕生之地。此后一百多年，朝鮮都有對長白山的祭祀活動，并遵循滿語，稱長白山為“白頭山”。

在一定深度范圍內(nèi)，煤層的瓦斯含量隨埋藏深度增加而增大[7-10]。因?yàn)殡S深度增加，煤層瓦斯壓力和吸附能力也相應(yīng)增加，致使瓦斯含量增大?；鶐r厚度即地質(zhì)歷史時期最后一次生烴后煤層的埋深，也就是現(xiàn)今煤層到其上部第一個不整合面的距離?；鶐r厚度大，圍巖總體的透氣性差，地質(zhì)歷史時期瓦斯逸散的距離也增大，致使瓦斯含量增大。樊寨井田二1煤層的埋藏深度在300～900 m，基巖厚度285～880 m，就其與瓦斯含量的關(guān)系見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，埋藏深度、基巖厚度與瓦斯含量呈正相關(guān)性，即埋深越大，基巖越厚，煤層瓦斯含量越高。

圖1 埋藏深度與瓦斯含量關(guān)系

圖2 基巖厚度與瓦斯含量關(guān)系

2.3 煤層頂板圍巖封閉性

目前對各地質(zhì)因素影響的研究，不能停留在趨勢性的分析上，基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)半定量的分析頂板圍巖封閉性更符合客觀實(shí)際。瓦斯自生成后受到構(gòu)造等地質(zhì)作用經(jīng)歷了擴(kuò)散、運(yùn)移、聚集等過程，煤層頂板的封閉性能直接影響到瓦斯的保存條件[11-14]。頂板一定層段范圍內(nèi)的巖性和厚度直接影響頂板圍巖的封閉性能。本文引用封閉系數(shù)對頂板圍巖封閉性進(jìn)行評價(jià)，封閉系數(shù)是以煤層為參照層，疊加煤層頂板一定厚度范圍內(nèi)各個巖性巖層對煤層瓦斯的影響系數(shù)。統(tǒng)計(jì)公式見式(1)和式(2)。

(1)

hi=m1+m2+…+mi-1+(1-k)mi

(2)

式中：F為統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)封閉系數(shù)；mi為統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)某一巖性巖層厚度，m；hi為統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)某一巖性巖層校正后的底界與煤層頂界的距離，m；k為某一巖性巖層厚度調(diào)整系數(shù)。

式(1)和式(2)中，要先對統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)各種巖性的巖層以泥巖為標(biāo)準(zhǔn)巖層進(jìn)行隔氣厚度的校正，校正后的厚度代表巖層有效的影響厚度，然后疊加各巖層對煤層的封閉影響系數(shù)，得到統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)的封閉系數(shù)(圖3，表2)。傳統(tǒng)蓋層的研究包括基巖厚度(大尺度)，直接頂板巖性和厚度(小尺度)，而對于統(tǒng)計(jì)層段頂板(中尺度)少有涉及。封閉系數(shù)綜合了煤層直接頂板的巖性、厚度及統(tǒng)計(jì)層段內(nèi)頂板對煤層瓦斯含量的影響。

表2 不同巖性巖層厚度調(diào)整系數(shù)

為探討樊寨井田二1煤層頂板對瓦斯賦存的影響，本次統(tǒng)計(jì)了12個鉆孔的瓦斯地質(zhì)資料，分別計(jì)算出各鉆孔二1煤層頂板10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m的封閉系數(shù)，通過比較瓦斯含量與其相關(guān)性系數(shù)R值，最終確定R值最大的20 m封閉系數(shù)作為煤層頂板封閉系數(shù)，見圖4和圖5。由圖5可知，頂板20 m封閉系數(shù)與瓦斯含量呈正相關(guān)性，即20 m封閉系數(shù)越大，瓦斯含量越高。

圖3 封閉系數(shù)示意圖

圖4 頂板不同統(tǒng)計(jì)層段封閉系數(shù)與瓦斯含量關(guān)系

圖5 頂板20 m封閉系數(shù)與瓦斯含量關(guān)系

2.4 煤層厚度及煤質(zhì)

一般情況下，煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系較密切，煤層厚度愈大，瓦斯生成和儲存量愈多[15-16]。二1煤層位賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)比較簡單，平均厚度為4.70 m，絕大部分可采。具有沿走向東厚西薄、沿傾向淺部厚深部薄。由于本區(qū)受羅灣滑動構(gòu)造影響，局部煤厚有增厚或變薄現(xiàn)象，但煤層厚度與瓦斯含量依然呈正相關(guān)性，即隨煤厚增大，瓦斯含量有增高趨勢，如圖6所示。

煤中所含水分、灰分對瓦斯含量也有一定的影響。本次對樊寨井田二1煤水分、灰分與瓦斯含量的關(guān)系也進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示水分、灰分對瓦斯含量影響很小。

3 瓦斯含量預(yù)測

根據(jù)瓦斯地質(zhì)條件各單因素與瓦斯含量關(guān)系的分析，因斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造無法進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，尤其是滑動構(gòu)造影響本井田絕大部分區(qū)域，其影響機(jī)理很復(fù)雜；水分、灰分對瓦斯含量影響很小，故這些因素不參加擬合分析。最終確定基巖厚度、頂板20 m封閉系數(shù)、煤層厚度為主要控制因素進(jìn)行擬合分析，并依據(jù)12個可靠的瓦斯含量點(diǎn)數(shù)據(jù)通過SPSS軟件進(jìn)行線性回歸分析，得到回歸模型方程，見式(3)。

Q=0.015M+0.125m+0.468F20-0.011

(3)

式中：Q為瓦斯含量預(yù)測值，cm3/g；M為基巖厚度，m；m為煤層厚度，m；F20為頂板20 m封閉系數(shù)。

利用式(3)，計(jì)算煤層瓦斯含量實(shí)測值與預(yù)測值的擬合優(yōu)度(復(fù)相關(guān)系數(shù)R2)為0.9057，兩條折線趨勢基本一致(圖7和圖8)，說明預(yù)測瓦斯含量與實(shí)測瓦斯含量擬合度較高，回歸模型方程較可靠。依據(jù)所建立的模型方程對樊寨井田二1煤層瓦斯含量進(jìn)行預(yù)測(圖9)，預(yù)測結(jié)果顯示總體上井田向斜軸部瓦斯含量較高，兩翼瓦斯含量較低。

圖6 煤厚與瓦斯含量關(guān)系

圖7 實(shí)測瓦斯含量與預(yù)測瓦斯含量對比

圖8 瓦斯含量實(shí)測值與預(yù)測值相關(guān)性

4 結(jié) 論

通過對樊寨井田瓦斯含量影響地質(zhì)因素對比分析，查找出本井田煤層瓦斯賦存規(guī)律，確定二1煤層瓦斯含量主要受地質(zhì)構(gòu)造、基巖厚度、煤層厚度、頂板20 m封閉系數(shù)幾個主導(dǎo)因素的影響?；诒敬谓y(tǒng)計(jì)分析，充分利用地質(zhì)勘查階段鉆孔瓦斯含量實(shí)測值，應(yīng)用SPSS軟件以基巖厚度、煤層厚度、頂板20 m封閉系數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立回歸模型，并依據(jù)模型方程對井田二1煤層瓦斯含量進(jìn)行了預(yù)測，為礦井瓦斯含量預(yù)測及綜合治理奠定基礎(chǔ)。本井田受滑動構(gòu)造影響，且斷層較發(fā)育，生產(chǎn)過程中還應(yīng)密切關(guān)注其影響。

圖9 樊寨井田二1煤瓦斯含量預(yù)測等值線

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Study on the main control factors of Ⅱ1coal gas content in Fanzhai mine field

LI Jinhai，XU Yonghong，WANG Junfei
(Xianglong Geological Engineering Limited Corporation，Zhengzhou 452371，China)

In order to find out the main control factors of gas content in Fanzhai field，this paper systematically collect the gas geological data of Ⅱ1coal seam in Fanzhai mine field，and analyze the geological structure，burial depth，bedrock thickness，coal thickness，surrounding rock，coal quality and other geological factors on the coal gas content.Make bedrock thickness，coal thickness，roof closure coefficient of 20 meters as variables，use regression analysis method to establish the gas content prediction model.The gas content of Ⅱ1coal seam is predicted according to the model equation.It is to provide safety data for the mine field.

Fanzhai mine field；gas content；coal seam

2017-03-10 責(zé)任編輯：宋菲

李金海(1984-)，男，河北承德人，工學(xué)碩士，工程師。從事礦井地質(zhì)研究工作，E-mail：lijinhaikk@163.com。

TD712

A

1004-4051(2017)08-0129-04