潞安集團(tuán)王莊礦井后備區(qū)(深部)3＃煤層瓦斯賦存特征研究

張 亮,邢 元,雷東記

(1．潞安環(huán)能股份有限責(zé)任公司王莊煤礦, 山西 長(zhǎng)治市 046000;2．河南理工大學(xué) 安全學(xué)院, 河南 焦作市 454000)

瓦斯,煤炭生成過(guò)程中的伴生物,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,瓦斯的賦存和分布與地質(zhì)因素有密切關(guān)系,瓦斯地質(zhì)規(guī)律控制著煤層瓦斯的形成、分布和賦存特征[1]。在國(guó)外,前蘇聯(lián)的B．M．吉馬科夫[2]和 A．Э．彼特羅祥[3]指出,瓦斯的分布與構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層圍巖、煤變質(zhì)程度有關(guān),受地質(zhì)因素控制,呈現(xiàn)不均勻分布的規(guī)律。英國(guó)的DAVID P．提出在煤層中的瓦斯分布特征主要受煤系地層中地質(zhì)構(gòu)造的影響[4]。Bibles CJ等學(xué)者在研究煤礦開采過(guò)程中的瓦斯涌出現(xiàn)象時(shí),提出煤層瓦斯的生成條件、運(yùn)移條件、保存條件都受礦區(qū)、礦井的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)格局的影響[5]。

在國(guó)內(nèi),周世寧院士研究了地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯含量之間的關(guān)系,并細(xì)化了8項(xiàng)主要影響因素[6];張子敏提出了瓦斯賦存構(gòu)造逐級(jí)控制理論[7-8];曹代勇研究了潞安礦區(qū)構(gòu)造格局及其構(gòu)造演化規(guī)律[9];關(guān)英斌研究了潞安礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及其形成機(jī)理[10];從以上研究可以看出,瓦斯賦存特征與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系,早已被學(xué)者認(rèn)可,并進(jìn)行了大量研究,也說(shuō)明地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響應(yīng)作為礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。

王莊礦作為潞安環(huán)能上市公司的主力礦井之一,瓦斯治理工作一直備受重視,尤其是在2012被鑒定為高瓦斯礦井以后。前期,煤層埋深較淺,瓦斯含量較低,隨著后備區(qū)(深部)初步開采利用,瓦斯含量和涌出量都相應(yīng)增大,其已成為制約礦井安全和生產(chǎn)的重要因素。而且深部區(qū)域還沒(méi)有形成具有針對(duì)礦井生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而進(jìn)行詳細(xì)的瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究成果。為此開展瓦斯賦存規(guī)律研究,旨在整體掌握不同地質(zhì)條件下瓦斯治理工作如何開展,對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的控制

1．1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制特征

潞安礦區(qū)位于大型寬緩復(fù)式向斜的東翼,主體構(gòu)造是NNE向、NE向展布的向、背斜褶皺及NEE向的斷裂構(gòu)造。區(qū)內(nèi)NEE向的斷裂形成于燕山中晚期,其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)處于拉張狀態(tài),瓦斯大量逸散。受主體構(gòu)造格局的控制,潞安礦區(qū)廣泛發(fā)育了NNE、NE向裂隙和NW、NNW向的裂隙,現(xiàn)在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向?yàn)镹NE,與現(xiàn)在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一致的NNE、NE向裂隙呈現(xiàn)開放態(tài),瓦斯得到釋放。據(jù)此,礦區(qū)的瓦斯賦存規(guī)律具有以下特征:軸向NEE向的正斷層和軸向NNE向次級(jí)褶曲發(fā)育的區(qū)域,裂隙通道相對(duì)比較發(fā)育,煤層瓦斯極易通過(guò)斷層和次級(jí)背斜頂部形成的裂隙通道得到逸散釋放,形成構(gòu)造控制下相對(duì)低瓦斯帶;而區(qū)內(nèi)高瓦斯帶主要分布在應(yīng)力集中的向斜軸部、斷裂構(gòu)造尖滅處及“S”型背斜的轉(zhuǎn)折端等構(gòu)造部位。所以,潞安礦區(qū)發(fā)育的NNE、NE向裂隙和NEE向大斷裂,有利于瓦斯的逸散運(yùn)移,而NW、NNW向的構(gòu)造,有利于瓦斯保存,這對(duì)瓦斯抽采鉆孔的布置與設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1．2 礦井地質(zhì)構(gòu)造控制特征

后備區(qū)(＋540水平)夾持在安昌、中華斷層以南至二崗山北斷層間,它們是后備區(qū)的邊界斷裂構(gòu)造,以NE-SW向?yàn)橹?形成于燕山中晚期,由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方式發(fā)生了改變,使早期形成的斷裂改造成為正斷層,如井田內(nèi)安昌斷層、二崗山斷層等,屬于開放性斷層,形成了瓦斯釋放的良好通道,造成瓦斯大量逸散。

區(qū)內(nèi)主要還發(fā)育著NNW、NW向的寬緩的向、背斜,其主干構(gòu)造為中華向斜、崔邵向斜、中華背斜、崔邵背斜,軸向總體延展方向?yàn)镹W向,呈反“S”形,由此產(chǎn)生的NW、NNW向裂隙多呈現(xiàn)封閉性,成為該區(qū)域的主要富氣控氣構(gòu)造,瓦斯在此構(gòu)造部位富集;同時(shí)受礦區(qū)構(gòu)造控制,在第三紀(jì)形成NE、NEE向的斷裂表現(xiàn)為伸展作用,因此,后備區(qū)張裂隙延展方向主要為NE向,NE向的裂隙發(fā)育區(qū),瓦斯在此構(gòu)造部位不易富集。

1．3 瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐质芸赜诘刭|(zhì)構(gòu)造,其思想是地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯賦存的耦合體,遵循以下兩點(diǎn),一是地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度及其發(fā)育特征使得瓦斯賦存特征呈現(xiàn)差異性,即大的斷裂構(gòu)造控制著區(qū)域瓦斯賦存狀態(tài);二是瓦斯運(yùn)移和賦存都與煤、巖層的孔隙及裂隙通道有關(guān),大的斷裂構(gòu)造控制著裂隙通道與地下水的徑流方向,從而也控制了瓦斯的分布情況。

后備區(qū)以寬緩的背向斜為主,區(qū)內(nèi)構(gòu)造線方向近南北向。構(gòu)造主體是NE-SW向的安昌斷層與二崗山北斷層夾持與呈反“S”形的NNW、NW向?qū)捑彽谋?、向斜貫穿之中的?gòu)造格局,南北上受斷層的切割作用,呈南北邊界瓦斯低,中部高的分段特點(diǎn),東西向上受NW向褶曲的控制,呈現(xiàn)沿軸部條帶分布的特點(diǎn),因此,后備區(qū)可以劃分為一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元,南北方向上以斷裂構(gòu)造為主導(dǎo)的瓦斯賦存特征,具有靠近主干斷層附近瓦斯含量較低;東西方向上以NW向褶曲為主導(dǎo)的瓦斯賦存特征,靠近NW向褶曲軸部附近瓦斯含量較高。

2 煤層瓦斯賦存影響因素分析

后備區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主體是NE-SW向的安昌斷層與二崗山北斷層夾持與呈反“S”形的NNW、NW向?qū)捑彽谋场⑾蛐必灤┲械臉?gòu)造格局,瓦斯賦存特征主要受其控制。同時(shí)由于潞安礦區(qū)多發(fā)育陷落柱,從現(xiàn)場(chǎng)揭露的信息,后備區(qū)也較多發(fā)育陷落柱,以下從陷落柱和斷層褶曲兩個(gè)方面說(shuō)明。

2．1 陷落柱對(duì)瓦斯賦存的影響

后備區(qū)發(fā)育的陷落柱大多發(fā)育在主干斷層和褶曲附近,表現(xiàn)出明顯的分區(qū)性和分帶性。從3＃煤層頂?shù)装褰衣兜那闆r來(lái)看,多數(shù)是漏斗形,也有少數(shù)倒漏斗形(見圖1)。統(tǒng)計(jì)已揭露的48個(gè)陷落柱的發(fā)育位置來(lái)看,20個(gè)陷落柱與主干斷層伴生發(fā)育,而且發(fā)育在主干斷層的上盤,上盤作為主動(dòng)盤應(yīng)力集中,同時(shí)陷落柱復(fù)合發(fā)育,造成大量的孔裂隙,使得局部瓦斯和水具有良好的導(dǎo)通渠道,在局部范圍內(nèi)促成了一些瓦斯低含量區(qū)。

另有23個(gè)陷落柱發(fā)育在褶曲區(qū)域,其中15個(gè)發(fā)育在褶曲的軸部區(qū)域,從現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)來(lái)看,在向斜軸兩側(cè)約300 m的距離內(nèi),其形態(tài)為橢圓型,長(zhǎng)軸方向主要為近SN向,短軸方向?yàn)榻麰W向的形態(tài)(見圖1)。這說(shuō)明其形成是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下,向斜的軸部附近形成局部拉應(yīng)力場(chǎng),由向斜軸部的拉張力作用造成的。

圖1 井下實(shí)際所見陷落柱素描

陷落柱發(fā)育區(qū)瓦斯賦存情況,主要與陷落柱周圍巖層裂隙發(fā)育程度和巖層性質(zhì)有關(guān)(見圖1),因此,陷落柱對(duì)瓦斯的影響是局部范圍內(nèi)的,結(jié)合陷落柱發(fā)育特征,重點(diǎn)預(yù)測(cè)主干斷層和褶曲軸部的瓦斯賦存情況,比如在主干斷層附近疊加巖性分布情況,在褶曲軸部疊加裂隙發(fā)育程度,來(lái)預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造控制下的瓦斯賦存規(guī)律:在主干斷層附近,結(jié)合已揭露的陷落柱,此區(qū)域瓦斯導(dǎo)通通道較好,瓦斯含量普遍偏低;而褶曲軸部附近,陷落柱只是局部影響了瓦斯低含量區(qū)的存在。

2．2 斷層和褶曲對(duì)瓦斯賦存的影響

斷層對(duì)瓦斯賦存的影響,主要取決于斷層的性質(zhì)與規(guī)模。后備區(qū)內(nèi)的斷層發(fā)育規(guī)模比較大的,南北邊界性斷層落差都在100 m以上,是該區(qū)域主干斷層。從斷層的性質(zhì)來(lái)看,后備區(qū)內(nèi)主要有NESW向斷裂,經(jīng)過(guò)早期發(fā)生的逆沖退覆構(gòu)造逐漸發(fā)生反轉(zhuǎn)[11-12],形成現(xiàn)在大量的張性正斷層的分布,形成了瓦斯釋放的良好通道;同時(shí)在第三紀(jì)形成NE、NEE向的斷裂表現(xiàn)為伸展作用,而控制后備區(qū)張裂隙延展方向主要為NE向,故后備區(qū)以NNW、NW向的寬緩的向、背斜軸部區(qū)域多為封閉性裂隙,利于瓦斯的保存(見表1、表2)。

因此,在后備區(qū)斷層、褶曲發(fā)育區(qū),瓦斯賦存特點(diǎn)為:斷層多為開放性正斷層,瓦斯相對(duì)較低,在NW向展布的背向斜軸部區(qū)域,瓦斯含量較大,在NE向展布的背斜軸部相對(duì)較小(見表3)。

表1 后備區(qū)褶曲發(fā)育特征匯總

表2 后備區(qū)主干斷層發(fā)育特征匯總

表3 后備區(qū)3＃煤地勘瓦斯含量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

(1)后備區(qū)受主體構(gòu)造的控制,瓦斯賦存形成南北分段、東西分帶的特征:南北上受斷層的切割作用,呈南北邊界瓦斯低,中部高的分段特點(diǎn);東西上受近南北向褶曲的控制,呈現(xiàn)沿軸部條帶分布的特點(diǎn)。

(2)后備區(qū)域內(nèi)伴生次生構(gòu)造(陷落柱)受主體構(gòu)造控制,陷落柱主要發(fā)育在主干斷層與褶曲軸部附近,并結(jié)合頂?shù)装鍘r性特征,容易造成瓦斯賦存局部形成低瓦斯區(qū)。

(3)在后備區(qū)斷層、褶曲發(fā)育區(qū),瓦斯賦存特點(diǎn)為:斷層多為開放性正斷層,瓦斯相對(duì)較低,在NW向展布的背向斜軸部區(qū)域,瓦斯含量較大,在NE向展布的背斜軸部相對(duì)較小。