天池煤礦15號(hào)煤瓦斯含量分布特征及主控因素分析

李德慧，李 兵，田慶玲，徐 云，張江華，杜立強(qiáng)

(1.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000； 3.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048004；4.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤層瓦斯含量既可用于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測，又可作為井下瓦斯抽放防治的重要依據(jù)[1-2]。為此，眾多學(xué)者從地質(zhì)構(gòu)造、埋深、頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)條件等方面對(duì)瓦斯賦存進(jìn)行了分析研究[3-7]。天池煤礦面積20.12km2，生產(chǎn)能力為1.2Mt/a，目前主采15號(hào)煤，該煤層瓦斯含量范圍為3.06～16.61m3/t，變化范圍較大，實(shí)際生產(chǎn)過程中煤與瓦斯突出問題時(shí)有發(fā)生，威脅礦井的安全生產(chǎn)，影響礦井的正常生產(chǎn)計(jì)劃。摸清天池煤礦15號(hào)煤瓦斯含量分布特征及主控因素就顯得十分必要。基于前人在瓦斯地質(zhì)方面的研究經(jīng)驗(yàn)，筆者以天池煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告、煤田地質(zhì)勘探及井下鉆孔取芯測試等資料為基礎(chǔ)，對(duì)15號(hào)煤瓦斯含量分布特征進(jìn)行了研究，并對(duì)影響15號(hào)煤瓦斯含量變化的主控因素進(jìn)行了分析，以期對(duì)礦井的采掘銜接工作和開拓生產(chǎn)過程中的瓦斯治理提供參考。

1 地質(zhì)背景

天池煤礦位于沁水盆地北部，礦區(qū)位于新華夏系構(gòu)造體系第三隆起帶中段的太行山隆褶帶，與沁水拗陷接壤部位。天池煤礦地質(zhì)構(gòu)造較簡單，地層總體呈走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角平緩，一般在15°左右，無巖漿巖侵入體，發(fā)育有小的褶曲、斷層及陷落柱，褶皺主要為與地層傾向近于平行的NW-NWW向?qū)捑忨薨櫋Ｆ浯螢榕c地層走向近于平行的NE-NNE向?qū)捑徎蛳铖薨?，目?5號(hào)煤為主采煤層，厚度介于0.45～7.60m之間，平均4.56m，埋深介于331.12～602.86m之間，主要為貧煤和無煙煤。

2 瓦斯含量分布特征

基于范圍內(nèi)的煤田地質(zhì)勘探孔及井下鉆孔取芯資料，統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)15號(hào)煤瓦斯含量變化較大。15號(hào)煤瓦斯成分中CH4(54.74%～90.33%)，其次為N2(8.29%～38.72%)，CO2最低，屬氮?dú)?甲烷帶、甲烷帶[8]。天池煤礦15號(hào)煤瓦斯含量整體呈現(xiàn)出的是北部高于南部，東部低于西部，礦井中部存在部分低值區(qū)。瓦斯含量整體上隨著埋深增大而增大，但在構(gòu)造發(fā)育區(qū)煤層瓦斯含量普遍較低。

3 瓦斯含量主控因素分析

3.1 構(gòu)造作用

3.1.1 褶皺

研究天池煤礦地質(zhì)構(gòu)造(見圖1)和天池煤礦瓦斯含量分布特征發(fā)現(xiàn)，中部瓦斯含量低值區(qū)的形成是受到了東遠(yuǎn)佛向斜、東遠(yuǎn)佛背斜和東遠(yuǎn)佛南向斜3條褶皺導(dǎo)致的，一般而言向斜軸部與向斜兩翼相比瓦斯含量較高，而背斜兩翼與背斜軸部相比瓦斯含量較高[9]，而向斜兩翼和背斜軸部是瓦斯含量較低的區(qū)域，而中部的瓦斯含量低值區(qū)恰好位于這3條褶皺相互作用影響的范圍內(nèi)，最終形成了井田中部瓦斯含量的低值區(qū)。

圖1 天池煤礦地質(zhì)構(gòu)造綱要

3.1.2 斷層影響

地質(zhì)勘探資料顯示井田內(nèi)既有封閉性斷層，也有開放性斷層。封閉性斷層對(duì)瓦斯逸散起阻擋作用，成為逸散的屏障，最為明顯的是補(bǔ)4井，該井雖處于斷層附近(見圖1)，但根據(jù)取芯數(shù)據(jù)顯示其瓦斯含量為最高。而開放性斷層易造成瓦斯的縱向逸散，如補(bǔ)1井和補(bǔ)5井均在斷層帶上(見圖1)，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的瓦斯發(fā)生逸散，所以其測試值偏低[10]。

3.1.3 陷落柱影響

陷落柱對(duì)瓦斯的賦存亦取決于其封閉性[11]，天池煤礦內(nèi)陷落柱發(fā)育，根據(jù)報(bào)告顯示礦區(qū)內(nèi)目前已查明的陷落柱共計(jì)38個(gè)，且均對(duì)15號(hào)煤層造成了破壞。陷落柱對(duì)15號(hào)煤的破壞會(huì)直接導(dǎo)致該煤層內(nèi)瓦斯在縱向上發(fā)生運(yùn)移，與含水層相導(dǎo)通的陷落柱具有一定的導(dǎo)水性[12]，受其影響還可能造成周圍15號(hào)煤中灰分和水分增加，導(dǎo)致噸煤瓦斯含量的降低，最終形成陷落柱附近瓦斯含量偏低。根據(jù)圖1所示，已探明的38個(gè)陷落柱主要發(fā)育在天池煤礦的南部和中北部，受其影響，瓦斯含量明顯偏低。

3.2 埋深影響

通常認(rèn)為在瓦斯風(fēng)化帶以下，同一煤層隨埋深增加，瓦斯含量相應(yīng)增大，天池煤礦15號(hào)煤層埋深介于331.12～602.86m之間，整個(gè)礦區(qū)自東向西煤層埋深增加，自南向北煤層埋深增加。

基于范圍內(nèi)的煤田地質(zhì)勘探孔、井下鉆孔取芯資料的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將天池煤礦15號(hào)煤埋深與瓦斯含量進(jìn)行線性回歸分析，繪制埋深與瓦斯含量間的相關(guān)關(guān)系圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)天池煤礦15號(hào)煤埋深與瓦斯含量的相關(guān)性僅為0.0179。根據(jù)天池煤礦瓦斯含量分布特征，分析認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造影響了礦井內(nèi)埋深對(duì)瓦斯含量的整體分布規(guī)律，最終導(dǎo)致整個(gè)圖2顯示15號(hào)煤埋深與瓦斯含量的相關(guān)性差。對(duì)井下鉆孔取芯數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將斷層和陷落柱附近(200m以內(nèi))鉆孔取芯數(shù)據(jù)剔除，即將井下不受斷層和陷落柱影響的區(qū)域內(nèi)的鉆孔取芯數(shù)據(jù)與埋深進(jìn)行線性回歸，繪制了埋深與井下瓦斯含量間的相關(guān)關(guān)系圖(圖3)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)15號(hào)煤埋深與瓦斯含量的相關(guān)性達(dá)到了0.7659，說明天池煤礦15號(hào)煤瓦斯含量隨埋深增加而增大，且呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，也表明15號(hào)煤瓦斯含量受斷層和陷落柱的影響較大，會(huì)引起該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)瓦斯含量異常區(qū)，瓦斯含量的高低由其封閉特性決定。

圖2 15號(hào)煤埋深與瓦斯含量

圖3 不受斷層和陷落柱影響的15號(hào)煤埋深與瓦斯含量關(guān)系

3.3 頂?shù)装鍘r性

煤層頂?shù)装鍘r石性質(zhì)直接影響著瓦斯的賦存，致密且裂隙不發(fā)育的巖石阻礙了煤層瓦斯的逸散，瓦斯容易成藏，反之，瓦斯則易于逸散。煤層頂板多為泥巖類型，局部為砂巖和粉砂巖。根據(jù)煤頂板巖性分布圖(圖4)可以看出封閉性能好的泥巖主要分布在天池煤礦北部和南部的中段，而天池煤礦中西部和南部為砂巖類型，中東部為粉砂巖，將圖4和圖1相結(jié)合發(fā)現(xiàn)瓦斯含量高的北部地區(qū)無論從埋深、頂板巖性及地質(zhì)構(gòu)造方面均有利于煤層中瓦斯的賦存，而南部由于埋深淺且頂板巖性為砂巖，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，造成了天池煤礦南部瓦斯含量較低，而中部由于褶皺、頂板巖性和埋深的關(guān)系，同樣造成了天池煤礦中部瓦斯含量偏低。

圖4 煤頂板巖性分布

天池煤礦15號(hào)煤底板多為灰色鋁質(zhì)泥巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度0.70～6.84m，平均3.98m，阻止了瓦斯的逸散，對(duì)煤層中瓦斯賦存有利。

3.4 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)對(duì)煤層瓦斯的控制可概括為水力運(yùn)移逸散、水力封閉和水力封堵3種，其中水力運(yùn)移逸散最終會(huì)形成瓦斯含量偏低，水力封閉和水力封堵則有利于瓦斯保存成藏[13]，天池煤礦15號(hào)煤層至奧陶系頂面之間以泥質(zhì)巖類為主，平均厚度24.20m，對(duì)奧灰水起阻隔作用。內(nèi)石炭、二疊系含水層之間以泥質(zhì)巖類為主，厚度大且穩(wěn)定，阻隔了各個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系，為另一隔水層。這兩個(gè)隔水層在縱向上阻隔了15號(hào)煤縱向的瓦斯運(yùn)移逸散。

礦井內(nèi)石炭-地層在礦區(qū)東部出露于地表，接受地表水和大氣降水的補(bǔ)給，礦井內(nèi)地層總體呈走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角平緩，一般為15°，因此礦井的北西向易形成承壓水區(qū)，西北部有利于形成承壓水封閉的煤層氣藏，而地下水補(bǔ)給的流向阻止了煤瓦斯沿含水層向東部的逸散。

太原組石灰?guī)r巖溶裂隙主要含水層為K2，K3，K4井層石灰?guī)r，其平均厚度分別為5.97m，2.91m，3.37m。鉆探鉆至該層段后，沖洗液消耗量增大，如410號(hào)孔達(dá)5m3/h，412號(hào)孔達(dá)5m3/h，415號(hào)孔全漏，405號(hào)孔在K3-K2段水位變化達(dá)31m，圖1中405號(hào)孔、410號(hào)孔、412號(hào)孔、415號(hào)孔附近均有陷落柱發(fā)育，而在礦區(qū)內(nèi)無陷落柱發(fā)育的區(qū)域在勘探過程中對(duì)該含水層段作抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為0.0113m/d，含水性并不大，綜上分析認(rèn)為該含水層含水性不均一，根據(jù)圖1、圖4及15號(hào)煤瓦斯含量分布特征研究發(fā)現(xiàn)，雖然區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造部位的15號(hào)煤瓦斯含量低，但并未形成較大的瓦斯含量低值區(qū)，分析原因在于含水層的滲透性很低，最終導(dǎo)致即使在陷落柱及開放性斷層附近也未出現(xiàn)大范圍的瓦斯逸散，分析認(rèn)為天池煤礦水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯含量的影響較小。

4 結(jié) 論

(1)天池煤礦15號(hào)煤瓦斯含量整體呈現(xiàn)為北高南低，西高東低的特點(diǎn)，礦區(qū)中部存在瓦斯含量的低值區(qū)。

(2)對(duì)于封閉性斷層導(dǎo)致的補(bǔ)4井附近出現(xiàn)瓦斯含量偏高的情況，井下開拓采掘過程中須針對(duì)已探明的封閉性地質(zhì)構(gòu)造采取提前預(yù)判預(yù)抽措施，以防煤與瓦斯突出，影響正常的生產(chǎn)計(jì)劃。

(3)埋深、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性及水文地質(zhì)條件共同決定了天池煤礦15號(hào)煤瓦斯含量的高低分布特征。陷落柱、頂?shù)装鍘r性和水文地質(zhì)條件的共同作用下會(huì)造成15號(hào)煤瓦斯逸散，最終造成瓦斯含量偏低，但分析認(rèn)為水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯含量的影響有限。