宿南礦區(qū)瓦斯含量分布特征及深部瓦斯預測研究

童柳華,馬正徐,趙志根

(安徽理工大學,安徽 淮南232000)

0 引言

瓦斯是一種賦存在煤層以及圍巖中的氣體地質體[1],是一種污染較低的潔凈能源和優(yōu)質的化工原料,同時也是威脅我國煤礦安全開采的主要災害來源[2]。 開發(fā)利用瓦斯不但可以充分利用地下資源,而且可以提高煤礦產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益,對緩解常規(guī)油氣供應緊張,減少溫室氣體排放,保護環(huán)境有實際意義[3-4]。 長期煤炭開采活動導致淺部煤炭資源愈發(fā)減少甚至面臨枯竭,因此大多數(shù)礦井轉向700 ～1 000 m 處尋找深部煤炭資源,但深部區(qū)域地質條件與淺部相差甚遠,深部區(qū)域地質環(huán)境容易出現(xiàn)“三高一擾動”的情況,并且煤層裂隙發(fā)育情況以及賦水狀態(tài)與淺部地質環(huán)境也不同[5]。 為了及時避免災害的發(fā)生,了解煤層瓦斯的賦存規(guī)律極其必要。 因此,國內(nèi)學者對研究預測深部瓦斯分布情況尤為關注,現(xiàn)如今常使用的瓦斯含量預測方法主要是灰色預測模型方法[6-7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型法[8]、瓦斯地質數(shù)學模型法[9]。 周鑫隆[10]等以差值結合法將灰熵理論和RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡理論結合,提出了一種改進的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡瓦斯含量預測模型構建深部煤層瓦斯預測體系。 施天威[11]等采用最小一乘法預測煤層瓦斯含量,并使用LINGO11和MATLAB 擬合預測含量并與之比較。 吳觀茂[12]等選取煤層埋深、煤層厚度、頂板巖性和構造參數(shù),采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡方法構建了瓦斯含量預測模型。 郝天軒[13]等為提高預測瓦斯準確度和效率,用Matlab 構建以灰色關聯(lián)分析、GA、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡組合出三種模型并得出灰色關聯(lián)分析-GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型最佳。 王天瑜[14]等運用灰色關聯(lián)法分析瓦斯含量與影響因素關聯(lián),并建立精度良好的灰色預測模型。 王雪芹[15]等分析煤層底板標高、煤層埋深與瓦斯含量關系,建立了瓦斯含量二元線性回歸預測模型。 何俊[16]等采用線性二次指數(shù)平滑法對煤礦瓦斯含量預測,與實測結果高度吻合。 高保彬[17]等采用SIMCA-P 軟件對偏最小二乘多元線性回歸建立的模型進行降重處理,其瓦斯含量預測值比較精確。 筆者以宿南礦區(qū)為主要研究對象,通過對淺部煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)的分析,并結合煤層瓦斯地質及構造特征,分析了影響煤層瓦斯賦存的主控因素,進一步構建了瓦斯含量與主控因素之間關聯(lián)的數(shù)學模型。 由于影響煤層瓦斯含量的地質因素很多,尤其是深部鉆孔資料較少,本文研究成果有待生產(chǎn)進一步驗證,為煤礦深部開采提供參考依據(jù)。

1 地質背景

宿南礦區(qū)坐落于宿州市南部,總體輪廓屬于向斜構造。 褶皺軸向有北西向、北北東以及北北西向。 斷層大部分基本走向為北東以及北北東方向,個別走向為近南北或北西向。 宿南向斜在徐—宿弧形逆沖推覆構造的內(nèi)緣帶。 東部被走向為NW向的西寺坡逆掩斷層所封閉,并且在宿南向斜的東南翼發(fā)育了較多走向為NW 的逆沖斷層以及魏廟正斷層[17]。 宿南礦區(qū)主要有桃園礦、祁南礦以及祁東礦這三個生產(chǎn)礦井。 本文依照我國煤礦采礦技術條件、煤礦的地質條件及礦井的裝備水平的特征[18],將宿南礦區(qū)800 m 以淺區(qū)域為淺部,800 m以深區(qū)域為深部進行分析,自上而下主要研究煤層為32、72和10 煤層。 32煤層在整個區(qū)域屬于相對穩(wěn)定煤層,厚度為0 ～1.96 m,平均厚度1.02 m,煤層結構比較復雜。 72煤層厚度為0 ～1.61 m,平均厚度為0.78 m,屬于不穩(wěn)定煤層。 10 煤層厚度為0 ～4.75 m,平均厚度為 2.50 m。 煤層結構比較簡單。

圖1 宿南礦區(qū)構造綱要圖

2 瓦斯含量分布規(guī)律

2.1 淺部瓦斯含量規(guī)律

整理桃園礦、祁南礦、祁東礦800 m 以淺的淺部瓦斯的含量數(shù)據(jù)值如表1 所示,32煤層瓦斯的含量值為1 ～11.58 m3/t;72煤層瓦斯的含量值為2.87 ～14.19 m3/t;10 煤層瓦斯的含量值為2.61 ～8.63 m3/t。 由表1 可知:各煤層隨著埋藏深度的增加,瓦斯含量增大。

表1 淺部煤層瓦斯含量表

2.2 深部瓦斯含量規(guī)律

2.2.1 瓦斯預測模型

宿南礦區(qū),深部區(qū)塊面積大,勘探鉆孔數(shù)量較少,且瓦斯含量采樣過程時間長。 在淺部由于煤層埋深不大時,溫度變化不大、煤質變化不大,通常采用瓦斯含量與深度的關系一元線性來預測。 深部的瓦斯含量預測,需要考慮隨著深度增加,瓦斯壓力增加、溫度增高、煤質變化,因此采用數(shù)學方法將瓦斯壓力、溫度、煤質與深度建立關系,從而把瓦斯含量與深度建立聯(lián)系來預測深部瓦斯含量。

通過分析淺部的瓦斯數(shù)據(jù)可知,煤層的埋藏深淺決定瓦斯含量分布的多少,因此可以通過煤層的各個深度,以及對應的瓦斯含量值,建立其兩者之間的非線性方程,如圖2 所示;采用這種方法便可以對不同深度瓦斯含量值進行預測。

圖2 瓦斯含量預測模型

2.2.2 主要煤層瓦斯含量分布

運用上述預測模型分別預測宿南礦區(qū)800 m以深地區(qū)各個煤層瓦斯含量值,由表2 可以得到,當埋藏深度在-1 000 m 時,32煤層的瓦斯含量值是12.93 m3/t,72煤層的瓦斯含量值是13.40 m3/t,10 煤層的瓦斯含量值為9.35 m3/t;當埋藏深度在-1 600 m 處,32煤層的瓦斯含量值是18.99 m3/t;72煤層的瓦斯含量值為17.84 m3/t,10 煤層的瓦斯含量值為13.91 m3/t。 由于影響煤層瓦斯含量的地質因素很多,尤其是深部現(xiàn)有鉆孔資料,本文研究成果有待生產(chǎn)進一步驗證,供煤礦深部開采提供參考依據(jù)。

通過分析淺部煤層瓦斯數(shù)據(jù)與深部煤層瓦斯數(shù)據(jù)可繪制出32、72、10 煤的瓦斯含量分布等值線圖,由圖3 可知宿南礦區(qū)向斜核部的瓦斯含量較高,向斜兩翼的瓦斯含量較低;32煤由西至東瓦斯含量逐漸增大,由于東部發(fā)育西寺坡逆斷層,應力相對集中,瓦斯易于賦存;72煤層自西向東的瓦斯含量值增大,在西寺坡附近的瓦斯含量較高,在魏廟斷層以南的瓦斯含量較低;10 煤層在西南部及東南部存在大范圍巖漿巖侵入,由于封閉情況比較弱,巖漿巖所產(chǎn)生的的高溫作用可以加速瓦斯逸散,從而導致10 煤的瓦斯含量較低。

表2 深部瓦斯含量值

圖3 瓦斯含量分布趨勢圖

3 影響瓦斯含量的地質因素

3.1 構造條件對瓦斯賦存的影響

褶皺的類型以及斷層的封閉情況均會對瓦斯含量賦存產(chǎn)生影響[19]。 宿南向斜位于西寺坡逆斷層下盤,主要受東西方向擠壓力所形成,并且在此期間擠壓力必然會向南北方向延伸,圍巖透氣性降低,煤層結構因此破壞[20]。 因而宿南向斜有益于瓦斯富集。 有助于瓦斯賦存,瓦斯含量較高;宿南向斜北端發(fā)育走向為NW 向的西寺坡逆斷層,在西寺坡逆斷層附近的瓦斯含量值較高。 在魏廟附近斷層發(fā)育較好,魏廟斷層的南部因為蚌埠隆起導致該區(qū)域煤層埋藏深度比較淺,瓦斯含量較低。

3.2 埋深對瓦斯賦存的影響

瓦斯含量隨著埋藏深度增加而增大[21]。 宿南礦區(qū)位于淮北平原中部,研究區(qū)內(nèi)地勢平坦,地面標高+17.02 ～ +27.10 m,一般在+23 m 左右,整體南高北低。 各煤層埋藏深度變化比較大,但總體上處于自西向東愈加變深,自南向北埋藏深度加深。在宿南礦區(qū)桃園礦西北翼,當埋藏深度從-1 000 m到-1 600 m 時,32煤層瓦斯含量從12.93 m3/t 增加至18.99 m3/t;在宿南礦區(qū)祁東礦、祁南礦南翼,埋藏深度從從-1 000 m 到-1 600 m 時,72煤層瓦斯含量從13.4 m3/t 增加至17.84 m3/t,10 煤層瓦斯含量從9.35 m3/t 增加至13.91 m3/t,同時,埋藏深度不斷增加,地應力也在發(fā)生變化,即隨著埋藏深度增加地應力不斷增大,使得煤層及圍巖的透氣性變得不利,導致瓦斯轉向地表發(fā)散距離加大,這些因素均不利于瓦斯逸散[22]。

3.3 巖漿活動對瓦斯賦存的影響

巖漿巖侵入對煤層瓦斯有逸散作用[23]。 大量巖漿巖侵入煤層后,煤的變質程度增高,煤體的結構及形態(tài)發(fā)生變化,因而瓦斯含量發(fā)生改變。 32煤未被巖漿巖侵入因而瓦斯含量較高,72煤受巖漿侵入范圍較小,影響較低。 10 煤西南部與東南部大量發(fā)育巖漿巖,祁南礦與祁東礦巖漿巖侵入范圍較大,導致煤質發(fā)生變化進而成為天然焦。 天然焦中瓦斯主要是以游離為主,并且割理較發(fā)育,滲透性比較好[24-25],因此10 煤的瓦斯含量較低。

4 結論

1)運用非線性回歸分析的方法依照影響煤層瓦斯含量的主控因素數(shù)據(jù),建立了煤層瓦斯含量與影響因素的預測模型。 通過建立淺部煤層與深部煤層瓦斯含量之間的關系,為深部煤炭資源的安全開采提供可參考的依據(jù)。

2)通過繪制瓦斯等值線圖,結果表明:隨著埋藏深度的加深,宿南向斜核部瓦斯含量較高,兩翼瓦斯含量較低;臨近西寺坡逆斷層的瓦斯含量較高。

3)通過分析瓦斯地質資料及瓦斯地質規(guī)律控制因素,可知宿南礦區(qū)瓦斯賦存規(guī)律與斷層構造、褶皺構造、巖漿巖活動等地質條件密切相關。