增子坊礦煤層瓦斯賦存的地質(zhì)控制因素研究

王燕杰

(山西潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046204)

我國政府和相關(guān)部門近年來尤為注重煤礦安全生產(chǎn)問題,更是在安全監(jiān)管方面投入很多精力,目前已經(jīng)有所成效,降低了事故的發(fā)生率[1-2],為煤礦的高效率生產(chǎn)營造了良好的氛圍,但瓦斯事故死亡率仍然較高,約占到煤礦所有事故死亡率的30%。瓦斯的形成以及賦存往往伴隨著十分復(fù)雜的地質(zhì)條件變化[3],而煤礦中的瓦斯又可以作為一種寶貴的自然資源被社會(huì)利用。我國的煤層中瓦斯儲(chǔ)備十分豐富,埋藏深度在2 000 m以上的瓦斯(煤層氣)資源總量達(dá)到36×1013m3,主要組成成分是甲烷氣體[4],燃燒產(chǎn)熱值高達(dá)35.8 MJ/m3。湯政等[5-10]研究了宿縣礦區(qū)構(gòu)造煤壓縮特性,分析了構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)分形特征。裴向春[11]針對(duì)山西某礦所在井田特點(diǎn),對(duì)煤層瓦斯賦存影響因素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),斷層以及埋深對(duì)瓦斯賦存影響顯著,斷層是控制瓦斯賦存的關(guān)鍵性地質(zhì)因素。劉明舉等[12]基于潘二礦為高瓦斯突出礦井的實(shí)際情況,運(yùn)用瓦斯地質(zhì)理論,通過對(duì)地堪瓦斯資料和礦井揭露的瓦斯地質(zhì)資料進(jìn)行研究,分析了影響潘二礦瓦斯賦存的各種地質(zhì)因素。通過分析得出,在潘二礦的瓦斯地質(zhì)單元內(nèi),斷層是影響某點(diǎn)局部瓦斯變化的主要因素。

為保證增子坊煤礦5號(hào)煤層的安全高效回采,解決瓦斯隱患問題,有必要對(duì)該礦5號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律及其控制因素進(jìn)行分析,進(jìn)而對(duì)增子坊礦井的瓦斯含量進(jìn)行提前預(yù)測,為該礦的安全高效生產(chǎn)提供充分的保障。

1 工程背景

增子坊井田地處大同盆地的西南部,井田總體形態(tài)是一個(gè)北偏東傾斜的單斜結(jié)構(gòu),且是一個(gè)發(fā)育寬緩的波狀起伏,地層平緩,傾角一般為4°～6°,區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層8條,均為正斷層,井田的地質(zhì)構(gòu)造條件相對(duì)簡單。目前所采的5號(hào)煤層上部距離K3砂巖約為54.66 m,位于石炭系太原組的中部,除在本井田南部204、擴(kuò)4、擴(kuò)9孔及中南部受砂體沖刷煤層厚度接近零外,全井田內(nèi)均有賦存,煤層厚度0～17.53 m,平均12.27 m。增子坊煤礦將整個(gè)井田劃分為單水平井田,水平布置在8號(hào)煤層中進(jìn)行開采,5號(hào)煤層設(shè)置為輔助水平,輔助水平的標(biāo)高為+1 310 m。增子坊煤礦系統(tǒng)升級(jí)改造完成后,應(yīng)用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng),即礦井工業(yè)場地內(nèi)的副斜井為主要進(jìn)風(fēng),主斜井為輔助進(jìn)風(fēng),工業(yè)場地外的西部設(shè)有回風(fēng)斜井進(jìn)行回風(fēng),該礦通風(fēng)的方式為壓入式通風(fēng)。

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳測試5301工作面所取得的煤樣,煤塵爆炸的相關(guān)定性分析結(jié)果為:火焰的長度平均約為103 mm,抑制煤塵爆炸的最低巖粉用量平均約為57%,鑒定結(jié)論為煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。根據(jù)對(duì)5301回采面的試樣檢測,5號(hào)煤層自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí),自燃傾向性質(zhì)為自燃。

2 瓦斯含量測定

2.1 測定方法

本次測定工作在本礦現(xiàn)有開采區(qū)域進(jìn)行,在5301回風(fēng)巷掘進(jìn)1 000 m、5301運(yùn)輸巷掘進(jìn)750 m、5302運(yùn)輸巷掘進(jìn)頭和5302回風(fēng)巷掘進(jìn)頭處進(jìn)行瓦斯含量的井下實(shí)測工作。

本次實(shí)測利用鉆孔煤屑解吸法進(jìn)行測定,這種測定方法是通過采集煤層中鉆孔的煤樣,使用解吸法直接對(duì)煤層瓦斯解吸量進(jìn)行測定。測定原理是根據(jù)采集到的煤芯的瓦斯解吸量和相應(yīng)的解吸規(guī)律,對(duì)煤樣從采集開始到裝罐解吸測定之前的瓦斯損失量進(jìn)行推算,再利用解吸后測定的煤樣中剩余瓦斯量對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行計(jì)算。具體測定步驟如下。

1)在已經(jīng)裸露的掘進(jìn)作業(yè)空間或者回采作業(yè)空間煤壁上,打設(shè)直徑42 mm、深20 m的鉆孔,鉆至20 m時(shí)采集樣本,同時(shí)把此時(shí)的時(shí)間記錄為t1。

2)把所收集的樣品放入罐中,同時(shí)記錄下樣品的初始解吸時(shí)間t2,此處采用FHJ-2型號(hào)的解吸速率監(jiān)測儀,如圖1所示。然后監(jiān)測記錄樣品的累積瓦斯解吸總量在不同的時(shí)間t下的值Vi,監(jiān)測時(shí)間通常為2 h,解吸測定完畢將樣品罐擰緊以防泄露,并移送到室內(nèi)進(jìn)行殘留瓦絲量測定。

1-量管;2-水槽;3-螺旋夾;4-吸氣球;5-溫度計(jì);6-彈簧夾;7-排水管;8-彈簧夾;9-排氣膠管;10-胸骨穿刺針頭;11-密封罐圖1 瓦斯解吸設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas desorption equipment

2.2 結(jié)果分析

采用鉆孔煤屑解吸法對(duì)井下煤層瓦斯含量進(jìn)行實(shí)測,結(jié)果如表1所示。增子坊井田總體形態(tài)是一個(gè)向北東傾斜的單斜構(gòu)造,且是一個(gè)發(fā)育寬緩的波狀起伏,地層傾角一般約4°～6°,較為平緩,區(qū)內(nèi)含有8個(gè)斷層,全是正斷層,井田的地質(zhì)構(gòu)造條件相對(duì)簡單。F3斷層落差約為30 m,F4斷層落差約為25 m,但這兩個(gè)斷層均位于井田邊界。F10斷層落差約為20 m,井田內(nèi)延伸只有450 m,其余5個(gè)斷層均是井下揭露的小斷層,落差均不大于5 m。由此可以推斷,增子坊井田屬于一個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。

表1 井下煤層瓦斯含量Table1 Gas content of coal seam

3 煤層瓦斯賦存的地質(zhì)控制因素

增子坊煤礦5號(hào)煤層中瓦斯的賦存規(guī)律受到多方面綜合因素的影響,其中主要的影響因素有井田地質(zhì)構(gòu)造、煤層的埋藏深度、煤厚以及煤巖特性等。此外,煤質(zhì)、煤的孔隙特征等因素對(duì)其賦存特征也會(huì)表現(xiàn)出一定程度的影響。

3.1 礦區(qū)構(gòu)造分析

根據(jù)分形理論可知,比例尺不同通常情況下不會(huì)影響到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的評(píng)價(jià),故可以通過礦區(qū)地質(zhì)報(bào)告與礦井地質(zhì)作對(duì)比。但是在實(shí)際情況中,由于比例尺不同,精度也會(huì)不同,從而造成評(píng)價(jià)結(jié)果失真,例如落差小于10 m的斷層構(gòu)造,在礦井地質(zhì)構(gòu)造圖中會(huì)將其標(biāo)注,而在礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖中則會(huì)由于構(gòu)造太小而被忽視。在此,通過對(duì)每個(gè)網(wǎng)格依次做出統(tǒng)計(jì),在統(tǒng)計(jì)的同時(shí)將每個(gè)網(wǎng)格分別劃分為4個(gè)、16個(gè)、64個(gè)和256個(gè)小網(wǎng)格,再逐個(gè)統(tǒng)計(jì)不同級(jí)數(shù)的小網(wǎng)格中是否有構(gòu)造出現(xiàn),并通過線性回歸的數(shù)學(xué)方法,對(duì)所有區(qū)域內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行雙對(duì)數(shù)擬合,采用這種對(duì)數(shù)線性回歸的方式,將斷層網(wǎng)格逐個(gè)劃分,這樣得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性較大。經(jīng)過擬合之后得到的直線斜率即為該數(shù)據(jù)單元的分維值。增子坊區(qū)域的分維等值線圖如圖2所示。

圖2 增子坊煤礦的分維等值線圖Fig.2 Fractal dimension contour map of Zengzifang Mine

根據(jù)增子坊礦區(qū)的分維等值線圖,再結(jié)合增子坊煤礦的地質(zhì)構(gòu)造實(shí)際情況,將分維值1.0和1.4作為該礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性的界限。結(jié)合增子坊礦的分維等值線和礦井構(gòu)造發(fā)育實(shí)際情形做出地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜度分布圖,如圖3所示。

圖3 增子坊礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜度分布圖Fig.3 Complexity distribution of geological structure in Zengzifang Mine

3.2 構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

由于斷層在形成過程中會(huì)破壞煤層原有的完整性和連續(xù)性,構(gòu)造形成,煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移流動(dòng)的條件也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。封閉性斷層由于斷層面附近煤層比較破碎,構(gòu)造應(yīng)力在此區(qū)域相對(duì)集中,吸附瓦斯能力比較高,所以此區(qū)域內(nèi)瓦斯含量相對(duì)較高,并且封閉斷層面不透氣,所以會(huì)在此區(qū)域造成瓦斯聚積,形成瓦斯富集區(qū)。開放性斷層的斷層面是張開的,此時(shí)構(gòu)造應(yīng)力釋放會(huì)在此區(qū)域形成低壓區(qū),附近煤層的瓦斯大量解吸,瓦斯含量降低,并且由于斷層面的開放性,瓦斯會(huì)沿著斷層面擴(kuò)散和流動(dòng),從而使開放型斷層附近煤層的瓦斯含量迅速降低。

結(jié)合增子坊煤礦勘探結(jié)果可以看出,落差比較大的斷層均不太發(fā)育,小斷層比較發(fā)育,一般落差在5 m范圍內(nèi)。對(duì)礦區(qū)有較大影響的斷層是F3、F4和F10斷層,小斷層分布不均勻,一般都集中發(fā)育形成斷層密集帶,在增子坊礦分布有小斷層密集帶,它們一般為密閉性斷層,容易造成瓦斯聚積,形成瓦斯富集區(qū)。大斷層一般為開放型斷層,煤層瓦斯容易釋放,降低附近瓦斯含量,如圖4所示。

根據(jù)圖4,藍(lán)色區(qū)域代表4條大斷層對(duì)瓦斯的影響區(qū)域。這四條大斷層均為開放型斷層,使得斷層面附近構(gòu)造應(yīng)力釋放形成低壓區(qū),煤層附近瓦斯大量解吸,從而降低了區(qū)域瓦斯含量。由于斷層面的開放性,瓦斯會(huì)沿著斷層面而擴(kuò)散,在此區(qū)域形成低瓦斯區(qū)。紅色區(qū)域是小斷層發(fā)育密集的區(qū)域,因?yàn)樾鄬踊臼敲荛]型斷層,斷層面不導(dǎo)氣,所以該區(qū)域內(nèi)的瓦斯含量較高。

圖4 斷層構(gòu)造處瓦斯含量突變圖Fig.4 Mutation map of gas content at fault structure

無論是陷落柱造成瓦斯含量突變還是斷層造成瓦斯含量突變,都只是說明陷落柱或者斷層占主導(dǎo)因素,并不排除其他構(gòu)造因素對(duì)瓦斯含量及分布造成影響。

3.3 埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層的埋深是影響瓦斯賦存的重要地質(zhì)因素之一,煤層中的瓦斯含量會(huì)隨著煤層埋深的增大而呈現(xiàn)增大趨向。5號(hào)煤層埋深等值線圖如圖5所示。

圖5 5號(hào)煤層埋深等值線圖Fig.5 Contour map of buried depth of No.5 coal seam

根據(jù)圖5可知，煤層埋深從礦區(qū)東北部到西南部逐漸加深,從東北至西南埋深從100 m變化至600 m,受到地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響,中部和中北部區(qū)域埋深會(huì)出現(xiàn)局部增大區(qū)域。在埋深低于100 m的東北區(qū)域,瓦斯含量極低,在埋深比較大的南部區(qū)域,并沒有出現(xiàn)高瓦斯區(qū),只有少部分的局部高瓦斯偶爾出現(xiàn),這可能是地質(zhì)構(gòu)造等因素造成的。盡管如此,瓦斯含量還是與煤層埋深有緊密的聯(lián)系。

3.4 埋深對(duì)瓦斯壓力的影響

為了準(zhǔn)確測得瓦斯壓力受埋深的影響,選擇在4個(gè)位置進(jìn)行測定,結(jié)果如表2所示。當(dāng)5號(hào)煤層埋深為420 m時(shí),瓦斯壓力為0.273 MPa;埋深為500 m時(shí),瓦斯壓力為0.389 MPa;埋深為530 m時(shí),瓦斯壓力為0.57 MPa;埋深為580 m時(shí),瓦斯壓力為0.705 MPa。由此可知,隨著埋深的增加,瓦斯壓力逐漸增大。

表2 5號(hào)煤層瓦斯壓力受埋深的影響Table 2 Gas pressure influenced by buried depth of No.5 coal seam

增子坊煤礦5號(hào)煤層瓦斯壓力與煤層埋深具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。對(duì)增子坊礦5號(hào)煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并由此繪制出瓦斯壓力與煤層埋深的散點(diǎn)關(guān)系圖,如圖6所示。

圖中H為煤層埋深,m;p為瓦斯壓力,MPa;R2為擬合優(yōu)度圖6 瓦斯壓力與煤層埋深的散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.6 Scatter diagram of the relationship between gas pressure and buried depth of coal seam

3.5 頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

煤系地層的透氣性和巖性的組合對(duì)煤層中瓦斯含量具有非常重要的影響。圍巖及煤層的透氣性越小,煤層中瓦斯則越容易賦存,瓦斯含量就會(huì)越大;反之,瓦斯就容易擴(kuò)散和運(yùn)移,煤層中瓦斯含量就會(huì)比較小。直接反映圍巖透氣性能的一個(gè)非常重要的瓦斯地質(zhì)指標(biāo)是煤層頂?shù)装宓膸r性。假如煤層頂板以泥巖、砂巖或者炭質(zhì)泥巖等為主,這些巖性透氣性較弱,有利于瓦斯的聚積;如果煤層頂板為粉砂巖或者砂質(zhì)泥巖等透氣性較好的巖性,則煤層瓦斯容易通過這些巖層擴(kuò)散,不利于瓦斯的賦存,瓦斯含量將會(huì)較低。根據(jù)地質(zhì)資料和頂板巖性分布圖(圖7)可知,增子坊礦5號(hào)煤層的頂板有夾矸,成分為泥巖,直接頂為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖,東部區(qū)域有灰?guī)r,頂板的透氣性較好。由圖7可知,該礦5號(hào)煤層底板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,底板透氣性相對(duì)頂板較弱。

圖7 5號(hào)煤層頂板巖性分布Fig.7 Roof lithology distribution of No.5 coal seam

通過統(tǒng)計(jì)5號(hào)煤層頂板砂厚度和泥厚度的比值,繪制了砂泥比等值線圖(圖8)。圖中顯示,增子坊礦大部分區(qū)域的砂泥比大于1,局部地區(qū)出現(xiàn)砂泥比在0～1范圍的區(qū)域,砂的成分多于泥成分,這樣更有利于煤層瓦斯擴(kuò)散。

圖8 5號(hào)煤層砂泥比等值線圖Fig.8 Contour map of sand-silt ratio in No.5 coal seam

4 小結(jié)

增子坊煤礦瓦斯賦存的控制因素有很多種,分別有地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、頂?shù)装鍘r性、煤質(zhì)以及煤的孔隙特征等,其中煤層埋深是瓦斯賦存的主要控制因素。

1)構(gòu)造方面。增子坊煤礦對(duì)瓦斯賦存影響較大的是F3、F4及F10斷層,斷層面開放,瓦斯沿著斷層面擴(kuò)散,從而導(dǎo)致煤層瓦斯不易富集,瓦斯含量相對(duì)降低。

2)煤層埋深方面。增子坊煤礦瓦斯含量會(huì)隨深度變化而變化,埋深是影響瓦斯賦存的主導(dǎo)因素之一。

3)頂?shù)装鍘r性方面。增子坊煤礦5號(hào)煤層的頂板主要以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和少部分泥巖為主,頂板透氣性相對(duì)較好,有利于煤層瓦斯的擴(kuò)散,進(jìn)而會(huì)降低煤層內(nèi)瓦斯含量。