某礦低滲透煤層瓦斯富集敏感指標(biāo)研究

丁元偉高級工程師

(1.四川煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心,四川 成都 610045;2.四川礦山安全技術(shù)培訓(xùn)中心,四川 成都 610045)

0 引言

對于煤礦而言,由于煤層賦存條件的差異,不同礦井的瓦斯富集影響因素也不同,目前,對于煤礦瓦斯賦存普遍性規(guī)律的研究較多,但針對具體礦井實際瓦斯賦存關(guān)鍵影響指標(biāo)的研究與方法總結(jié)不多[1-4]。根據(jù)不同煤礦的實際情況,研究分析煤層瓦斯富集程度的主控因素、確定瓦斯富集敏感指標(biāo)是煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究的重要內(nèi)容[5-7]。某煤礦所在礦區(qū)屬落葉壩井田,區(qū)域構(gòu)造主要是由南向北水平擠壓應(yīng)力作用形成的縱彎褶皺,主體褶皺控制了中小斷層、順層滑動及層間滑動構(gòu)造(層間剪切帶)的發(fā)育,由層滑構(gòu)造派生的大量小斷層,使礦井及采煤工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜化,針對該礦瓦斯地質(zhì)情況復(fù)雜、瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重、開采深度日益增加、防治瓦斯工作難度增大等現(xiàn)狀,研究該礦低滲透煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律成為瓦斯治理的基礎(chǔ)工作,同時也為瓦斯防治工程技術(shù)措施提供基本數(shù)據(jù)支撐[8]。因此,本研究確定該礦低滲透煤層瓦斯富集的主要敏感指標(biāo)及指標(biāo)敏感度的判據(jù)范圍,為工程實踐中具體礦井的瓦斯富集影響因素分析提供借鑒。

1 煤層瓦斯富集因素分析與指標(biāo)選取

煤層瓦斯含量是煤層瓦斯富集程度的決定性因素,研究煤層瓦斯富集情況,需對影響煤層瓦斯含量的主要影響因素,如煤的變質(zhì)程度、地層地質(zhì)史、煤層與圍巖透氣性、煤層傾角和露頭、煤層埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件等進(jìn)行分析[9-20]。

1.1 煤的變質(zhì)程度

在同一煤礦區(qū),煤的煤質(zhì)差異顯著影響其對瓦斯的吸附能力。高度變質(zhì)的煤礦具備大量微小而連續(xù)的孔,富含豐富的有機物質(zhì),提供更多的吸附位點,使瓦斯分子可以更密集地附著在煤的表面。因此,高度變質(zhì)的煤礦具備更強大的瓦斯儲存能力。

該礦開采落葉壩井田的C19、C20、C24、C25煤層,各煤層均為低變質(zhì)無煙煤,煤質(zhì)以中低灰-中灰煤為主,煤質(zhì)變化小,因此礦井范圍內(nèi)由于煤質(zhì)變質(zhì)程度所引起的瓦斯含量差異不大。

1.2 地層地質(zhì)史

該煤礦開采的C19、C20、C24、C25煤層穩(wěn)定單一,可采性穩(wěn)定,平均厚度變化不大,結(jié)構(gòu)簡單,無夾矸,各煤層底板等高線平緩相似,可見煤礦各煤層產(chǎn)狀相似。由此可推斷煤層地質(zhì)史差異不大,因此地層地質(zhì)史因素所引起的瓦斯含量差異不大。

1.3 煤層與圍巖透氣性

分析該煤礦各煤層頂?shù)讕r性可知,各煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r或砂質(zhì)泥巖,這2種巖層在致密性方面,由于顆粒排列緊密,孔隙微小,均屬于相對不透水的巖石類型。故由煤層與圍巖透氣性因素引起的瓦斯含量差異不大。

1.4 煤層傾角和露頭

該煤礦煤層傾角界于8°～37°之間,而井田西部礦界內(nèi)煤層離露頭比東部近,煤層傾角大,瓦斯含量相對較小。從煤層傾角和上覆蓋層厚度變化這些構(gòu)造特征分析,由南向北,煤層上方的基巖不斷增厚,瓦斯擴散距離相應(yīng)增加,擴散難度隨之增加;同時,煤層上方基巖層厚度不均勻會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,高應(yīng)力的地質(zhì)結(jié)構(gòu)帶會限制瓦斯的流動,從而有助于瓦斯的積聚[21]。在礦井范圍的西北部,煤層傾角較緩,上覆巖層亦較厚,是瓦斯儲存的最有利地帶,可見煤層傾角和露頭因素僅對井田西北部瓦斯含量有影響。

1.5 煤層埋藏深度

地層覆蓋情況對瓦斯的賦存和釋放產(chǎn)生直接影響,通常情況下,煤層埋深增加,其靜壓力也相應(yīng)增加。同時,圍巖和煤層的滲透性減小,瓦斯向地表運移變得更加困難。因此,在深層的煤層中瓦斯含量通常較高,而在淺層煤層和露頭地區(qū)的滲透性較高,煤層中的瓦斯含量通常較低[22]。該煤礦各煤層瓦斯風(fēng)氧化帶深度大約為150m,各煤層開采深度均大于150m,在瓦斯風(fēng)氧化帶以下,再結(jié)合該礦不同開采深度的實測瓦斯綜合分析,可見煤層埋藏深度對該礦實際開采區(qū)域瓦斯含量變化影響不大。

1.6 地質(zhì)構(gòu)造

落葉壩背斜為研究對象煤礦所在井田的主體構(gòu)造,全長約31km,在井田內(nèi)長約6km;有斷層23條,其中地表斷層22條,隱伏斷層1條。斷層作為一種常見的地質(zhì)構(gòu)造,對于煤層瓦斯的控制作用因其力學(xué)特性而異。一般情況下,正斷層呈現(xiàn)為張開型斷層,有助于瓦斯的釋放;逆斷層呈現(xiàn)為扭性、壓扭性或封閉型,有助于煤層瓦斯的密封[23]。按斷層性質(zhì)劃分,正斷層10條,逆斷層13條,產(chǎn)狀各異,地質(zhì)構(gòu)造程度復(fù)雜,該煤礦由于地質(zhì)構(gòu)造因素造成的瓦斯含量差異較明顯。

1.7 水文地質(zhì)條件

該煤礦地下含水層發(fā)育,部分區(qū)域發(fā)育溶洞和地下暗河。在豐水季節(jié),地下水豐富、裂隙巖溶發(fā)育的區(qū)域,其附近的瓦斯會隨著水流發(fā)生運移。在枯水季節(jié),瓦斯亦會隨著水流流通的裂隙等通道而逸散。由此可得,煤礦水文地質(zhì)條件因素對瓦斯含量的影響在地下含水層較發(fā)育區(qū)域影響較明顯。綜合以上影響因素,基于層次分析法歸納低滲透煤層瓦斯富集的研究指標(biāo),見表1。

表1 某礦低滲透煤層瓦斯富集研究指標(biāo)Tab.1 Research indicators of gas enrichment in low permeability coal seam of a specific mine

2 瓦斯富集敏感性指標(biāo)確定

2.1 瓦斯富集敏感性指標(biāo)權(quán)重分析

通過上述分析,借助層次分析法的思路,在層次分析法中判別矩陣的特征向量就是權(quán)重向量。建立瓦斯富集敏感性指標(biāo)判別矩陣,見表2;通過計算求得判斷矩陣特征向量,特征向量各元素分別為各因素權(quán)重系數(shù),經(jīng)一致性檢驗,最終得到了各個指標(biāo)的權(quán)重,見表3?？梢?地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)權(quán)重明顯高于其他指標(biāo),通過分析將地質(zhì)構(gòu)造確定為該礦低滲透煤層瓦斯富集敏感性指標(biāo)。

表2 低滲透煤層瓦斯富集影響指標(biāo)判別矩陣取值表Tab.2 Evaluation matrix of gas enrichment influence index in low permeability coal seam

表3 低滲透煤層瓦斯富集影響指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Influence index weight of gas enrichment in low permeability coal seam

2.2 瓦斯富集敏感性指標(biāo)判據(jù)分析

對地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)做進(jìn)一步細(xì)化研究,該礦地質(zhì)報告及瓦斯基本參數(shù)測定資料顯示:斷層是煤礦主要地質(zhì)構(gòu)造,依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別繪制C19、C20、C24煤層瓦斯含量與斷層參數(shù)的變化關(guān)系圖,如圖1、2,圖中黑色粗實線為趨勢變化曲線。

由圖1可見,斷層落差小于1m時,曲線變化無規(guī)律性,當(dāng)斷層落差大于1m時,曲線基本呈現(xiàn)遞減趨勢,說明瓦斯含量隨斷層落差增大而減小。

由圖2可見,斷層傾角小于35°時,曲線基本呈現(xiàn)遞減趨勢,傾角小瓦斯含量大;斷層傾角大于等于60°時,曲線基本呈現(xiàn)遞減趨勢,且存在傾角越大瓦斯含量越小的趨勢;斷層傾角大于等于35°小于60°時,曲線變化無規(guī)律性,其間存在個別異常數(shù)據(jù),經(jīng)分析,異常數(shù)據(jù)所在區(qū)域的斷層落差都普遍大于1m,可見在此傾角范圍內(nèi),當(dāng)斷層落差大于1m時,瓦斯含量受斷層影響明顯。

圖1 煤層瓦斯含量與斷層落差的關(guān)系圖Fig.1 The relationship between gas content and fault drop of coal seam

圖2 煤層瓦斯含量與斷層傾角的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between gas content and fault dip angle of coal seam

通過上述分析,當(dāng)斷層傾角大于等于35°小于60°時,瓦斯運移的結(jié)果是釋放還是富集均要充分考慮斷層的落差影響,在此傾角范圍內(nèi),只有當(dāng)斷層落差大于1m時,瓦斯含量變化較大,瓦斯含量對其較敏感,落差小于1m時,瓦斯含量對斷層落差因素不敏感;當(dāng)斷層傾角小于35°或斷層傾角大于等于60°時,瓦斯含量對傾角因素較敏感。將低滲透煤層瓦斯富集敏感性指標(biāo)歸結(jié)結(jié)果,見表4。

表4 低滲透煤層瓦斯富集敏感性指標(biāo)Tab.4 Sensitivity index of gas enrichment in low permeability coal seam

2.3 結(jié)果討論

(1)該礦查明的斷層中,造成煤體破壞的斷層有F69、F20、F62和隱伏斷層F1。F69為自西南向東北向橫穿井田中部的正斷層,該斷層傾角較大,加之F69斷層出露地表且斷層較為開闊,其間充填砂礫,封閉性較差,砂礫透氣性較好,故在該斷層附近煤層瓦斯會有所降低。F20、F62位于井田西端邊界附近,為逆斷層,其中F62造成煤層部分重疊,對煤層瓦斯有一定封閉作用。不利于瓦斯逸散,可能在局部區(qū)域容易形成瓦斯富集。將斷層確定為該礦瓦斯富集敏感性指標(biāo),可對原有的瓦斯地質(zhì)圖的瓦斯含量曲線進(jìn)行修正,使其與現(xiàn)場實際更加接近。

(2)本文瓦斯含量的敏感性分析主要是依據(jù)層次分析法,斷層要素、褶皺要素對瓦斯含量的影響還需要更廣泛的實測數(shù)據(jù)支撐,敏感指標(biāo)判據(jù)臨界值的確定還有待深入研究。

(3)在斷層其他條件相近的條件下,還需要進(jìn)一步查明斷層傾角在何種范圍內(nèi)對瓦斯含量的影響較大,更有助于研究瓦斯地質(zhì)規(guī)律。

(4)研究對象地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,目前的地質(zhì)構(gòu)造情況主要基于原有的勘探資料,對未勘探區(qū)主要是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相似條件下地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)測,隨著煤礦開采區(qū)域的延伸,可采用屆時瓦斯含量實測數(shù)據(jù),結(jié)合開采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造揭露情況,對敏感指標(biāo)研究工作進(jìn)行補充與修正。

(5)本文采用煤層瓦斯含量多影響因素權(quán)重分析與礦井瓦斯含量、地質(zhì)資料等實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比印證分析相結(jié)合的方式,最終確定瓦斯富集敏感指標(biāo),該研究思路為不同煤礦工程實踐中具體煤層的瓦斯富集影響因素研究,提供方法參考,豐富研究手段,可對未進(jìn)行儲層改造的低滲透煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究提供幫助。

3 結(jié)論

采用層次分析法思路,通過對某煤礦煤層瓦斯含量主要影響因素進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

(1)對煤變質(zhì)程度、地層地質(zhì)史、煤層埋藏深度、煤層與圍巖透氣性、煤層傾角和露頭、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件等影響煤層瓦斯含量的主要指標(biāo)因素進(jìn)行權(quán)重分析,地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)權(quán)重為0.456,明顯高于其他指標(biāo)因素,將地質(zhì)構(gòu)造確定為該礦低滲透煤層瓦斯富集敏感性指標(biāo)。

(2)斷層是該礦主要地質(zhì)構(gòu)造,對瓦斯含量的影響最大,其次為水文地質(zhì)條件,其他因素對瓦斯含量的影響相對較小。

(3)根據(jù)該礦地質(zhì)報告及瓦斯基本參數(shù)測定資料,對煤層瓦斯含量與斷層參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行細(xì)化分析,確定斷層傾角、落差等敏感指標(biāo)的判據(jù)取值,當(dāng)斷層傾角小于35°或斷層傾角大于等于60°時,斷層對瓦斯含量影響明顯;當(dāng)斷層傾角大于等于35°小于60°時,且當(dāng)斷層落差大于1m時,斷層對瓦斯含量影響明顯。