瓦斯地質(zhì)區(qū)劃及瓦斯異常分析2煤層為例
——以順和煤礦二

韓松林，趙亞娟，高 琳，呂閏生

(1.河南能源化工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 476600；2.永城職業(yè)學(xué)院 電子信息工程系，河南 永城 476003;3.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

瓦斯賦存特征受地質(zhì)因素控制，瓦斯賦存與分布具有明顯的分區(qū)分帶特征[1-3]。瓦斯地質(zhì)區(qū)劃是煤礦實(shí)現(xiàn)瓦斯分級(jí)管理和分級(jí)治理的前提和基礎(chǔ)，合理的瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐钟兄诿旱V高效瓦斯管理[4]。前人從瓦斯突出的地質(zhì)構(gòu)造控制和瓦斯賦存的地質(zhì)條件控制方面開展了大量的研究，進(jìn)一步促進(jìn)和提高了煤礦瓦斯預(yù)測(cè)及治理技術(shù)水平。張子戌[5]提出了瓦斯地質(zhì)單元構(gòu)造復(fù)雜程度的定量評(píng)價(jià)方法，為瓦斯地質(zhì)單元合理劃分提供了理論依據(jù)。楊陸武[3]將地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造煤與瓦斯特征組合,開展了突出危險(xiǎn)性區(qū)劃，劃分出了突出區(qū)、帶、點(diǎn)。呂閏生等[6-8]將影響瓦斯賦存的地質(zhì)因素進(jìn)行了定量化研究，提出了定性地質(zhì)因素的定量化表征方法并進(jìn)行了應(yīng)用。辛新平等[9]對(duì)瓦斯抽采關(guān)鍵指標(biāo)-滲透率的地質(zhì)影響因素進(jìn)行了研究，并劃分出不同抽采瓦斯地質(zhì)單元。劉明舉等[10]對(duì)巷道掘進(jìn)中瓦斯異常涌出的瓦斯地質(zhì)因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為影響瓦斯突出的地質(zhì)因素有很多，構(gòu)造煤的發(fā)育是瓦斯異常的主控因素。王來(lái)斌等[11-13]開展了瓦斯地質(zhì)區(qū)劃方法研究，針對(duì)不同礦區(qū)篩選出主控因素，以此進(jìn)行瓦斯區(qū)劃。瓦斯地質(zhì)區(qū)劃是在空間上、時(shí)間上篩選出對(duì)瓦斯影響具有共性的指標(biāo)，分析這些共性指標(biāo)對(duì)瓦斯的貢獻(xiàn)[14-15]，據(jù)此來(lái)劃分不同瓦斯地質(zhì)單元的方法。無(wú)論使用哪種方法來(lái)進(jìn)行瓦斯區(qū)劃，其中最核心、最基礎(chǔ)的指標(biāo)是瓦斯含量，而瓦斯含量的準(zhǔn)確測(cè)試目前仍存在一定難度，即使在煤層同一位置測(cè)試結(jié)果相差也較大。因此，在進(jìn)行瓦斯地質(zhì)區(qū)劃前需要對(duì)瓦斯含量測(cè)值可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)和篩選[16-18]，才能更合理、準(zhǔn)確地進(jìn)行瓦斯地質(zhì)區(qū)劃。

以永煤集團(tuán)順和煤礦二2號(hào)煤層為例，采用瓦斯地質(zhì)量化技術(shù)對(duì)影響瓦斯異常的地質(zhì)因素進(jìn)行篩選與分析，以期提高瓦斯防治的針對(duì)性和有效性，確保煤礦安全生產(chǎn)。

1 順和井田瓦斯地質(zhì)概況

順和井田主要含煤地層為二疊系上、下石盒子組和山西組，含煤地層總厚度約613 m，共含煤31層，平均總厚11.84 m，含煤系數(shù)1.93%，其中山西組中下部的二2煤層為全區(qū)可采，下石盒子組中部三2和三4煤層為局部可采煤層。二2煤層直接頂板為泥巖或炭質(zhì)泥巖，間接頂板為中粒砂巖；底板為砂質(zhì)泥巖夾薄層細(xì)砂巖；煤厚0～3.85 m，平均2.30 m，一般不含夾矸。

本區(qū)二2煤層底板標(biāo)高-400～-1 150 m，地表標(biāo)高+35～+37 m，瓦斯涌出量2.00～15.18 m3/t，井田東部受巖漿侵入影響，發(fā)育大片天然焦及侵入體，瓦斯分布極不均衡，為煤與瓦斯突出煤層。井田總體構(gòu)造為一寬緩單斜構(gòu)造，煤層傾角6°～15°，區(qū)內(nèi)發(fā)育SN、NE向高角度正斷層，井田落差≥100 m斷層4條，≥50～100 m的斷層4條，≥15～50 m的13條，<15 m 的斷層70條。

2 瓦斯地質(zhì)區(qū)劃及特征

順和井田二2煤層構(gòu)造復(fù)雜，受區(qū)域構(gòu)造-永城隱伏背斜控制，北部與薛湖井田相鄰，南部與陳四樓井田相鄰，東部為巖漿巖侵入?yún)^(qū)，西部為邊界斷層。區(qū)內(nèi)東部和南部存在較多滑動(dòng)構(gòu)造，煤層受擠壓揉搓形成多個(gè)無(wú)煤區(qū)或不可采區(qū)。

2.1 瓦斯地質(zhì)區(qū)劃指標(biāo)

2.1.1 地質(zhì)構(gòu)造演化控制

本區(qū)構(gòu)造在C-P期間構(gòu)造形態(tài)有2種類型：①繼承性同沉積構(gòu)造(SN)；②斷層二側(cè)斷塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向改變而形成的非繼承性斷層和“反相”褶皺，包括地壘斷塊形成的“反相背斜”和地塹斷塊形成的“反相”向斜，這2種反相褶皺控制了本區(qū)二2煤層埋藏深度變化，在背斜軸部煤系地層大多遭受剝蝕，甚至二2煤層也被剝蝕掉，向斜核部煤系地層大多得到保存。盡管目前煤層埋藏較深，但瓦斯含量較其他區(qū)同深度小。從井下揭露情況分析，靠近逆斷層和區(qū)內(nèi)小斷層(H<5 m)附近瓦斯含量明顯增大，大中型正斷層附近瓦斯含量減小。

2.1.2 煤層頂、底板巖性

煤層頂、底板巖性及其透氣性是影響煤層氣垂向運(yùn)移的主要屏障，透氣性高的巖層對(duì)應(yīng)區(qū)瓦斯較小，反之則較高。順和井田二2煤層頂板巖性如圖1所示。

圖1 二2煤層頂板巖性分布Fig.1 Roof lithology map of No.22 coal seam

井田泥巖頂板(砂質(zhì)泥巖可視為泥巖頂板)主要位于井田中部沿NE向展布。對(duì)比分析21、24采區(qū)高瓦斯區(qū)，煤層頂板均為泥巖頂板且較厚，21采區(qū)北部二2煤層頂板為中粒砂巖，南部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，相同條件下泥巖頂板瓦斯含量較大，砂巖頂板區(qū)瓦斯含量較小。24采區(qū)西翼大巷中粒砂巖頂板區(qū)埋深大，反而瓦斯低(6.64 m3/t)，2404運(yùn)輸巷底板抽放巷南部泥巖頂板區(qū)埋深小反而瓦斯大(14.07 m3/t)，說(shuō)明頂板巖性對(duì)瓦斯賦存具有直接影響。

二2煤層底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，對(duì)瓦斯保存影響一致。

2.1.3 巖漿巖侵入

區(qū)內(nèi)巖漿沿基底斷裂上升，遇煤層后沿煤層以巖床、串珠狀等形態(tài)順層侵入，造成部分煤層溶蝕、擠壓變薄，在巖漿侵入體附近煤層受高溫烘烤發(fā)育大片天然焦，瓦斯逸散，如東部巖漿侵入及天然焦發(fā)育區(qū)，瓦斯涌出量?jī)H為2 m3/t，但在天然焦邊界泥巖頂板附近，煤層受擠壓變形而變厚，瓦斯明顯增大(最大5 m3/t)。本區(qū)巖漿侵入?yún)^(qū)煤層氣逸散明顯。

2.1.4 煤層厚度

區(qū)內(nèi)在井田西南部(煤厚<0.8 m)、東部巖漿侵入?yún)^(qū)(煤厚1.6～1.8 m)、東南部后王莊背斜露頭附近煤厚(煤厚1.8 m)變化明顯，對(duì)應(yīng)的瓦斯涌出量在2～4 m3/t，開采中瓦斯負(fù)異常涌出。

2.2 瓦斯地質(zhì)區(qū)劃

綜合考慮二2煤層地質(zhì)構(gòu)造演化特征、頂?shù)装鍘r性及相變、巖漿巖侵入范圍、大中型斷層、瓦斯含量，結(jié)合生產(chǎn)中瓦斯異常涌出及瓦斯動(dòng)現(xiàn)象，將順和井田二2煤層區(qū)劃為6個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，分別用①～⑥表示(圖2)，各瓦斯地質(zhì)單元特征見(jiàn)表1。

表1 二2煤層氣地質(zhì)區(qū)劃特征Table 1 Gas geological zoning table of No.22 coal seam

圖2 順和井田瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐諪ig.2 Gas geological unit division of Shunhe Mine Field

1)①單元：瓦斯含量測(cè)值較多，瓦斯涌出量(篩選合格值)與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖如圖3所示，該區(qū)東部煤層受巖漿侵入擠壓，煤層厚度發(fā)生明顯變化，存在局部不可采區(qū)和大片天然焦。高瓦斯區(qū)(瓦斯涌出量>5 m3/t)位于二2煤層不可采邊界附近，巖漿侵入對(duì)煤層擠壓造成煤層滑動(dòng)，由于巖漿沿煤層頂?shù)装迩秩耄斐擅簩幼儽?2.72 m→2.17 m→1.92 m，越靠近巖漿侵入體煤層越薄)，同時(shí)巖漿高溫使煤層發(fā)生熱變質(zhì)，生氣量增大，在頂、底板附近巖漿巖形成良好蓋層，煤層氣得以保留，出現(xiàn)瓦斯異常區(qū)，不能作為研究瓦斯分布規(guī)律的依據(jù)，應(yīng)予剔除。

圖3 ①單元瓦斯涌出量與埋深關(guān)系Fig.3 Relationship between gas content and buried depth on ① unit

2)②單元：?jiǎn)卧胁繛楹笸跚f背斜軸部剝蝕區(qū)，出露山西組及下石盒子組地層，發(fā)育二2煤層露頭。該單元為DF7斷層與F40逆斷層的下盤抬升區(qū)，埋深變淺，煤層遭受風(fēng)化剝蝕。瓦斯涌出量測(cè)值較多(1.76～2.65 m3/t)，靠近煤層露頭附近處于瓦斯風(fēng)化帶，在統(tǒng)計(jì)該區(qū)瓦斯分布規(guī)律時(shí)，剔除瓦斯涌出量測(cè)值小于2 m3/t數(shù)值(圖4中紅色點(diǎn))，瓦斯涌出量分布規(guī)律如圖4所示，-420 m以淺為瓦斯風(fēng)化帶。

圖4 ②單元瓦斯涌出量與埋深關(guān)系Fig.4 Relatinship between gas content and buried depth on ② unit

3)③單元：本單元處于地塹構(gòu)造區(qū)，煤層埋深北深南淺，區(qū)內(nèi)瓦斯含量波動(dòng)大，存在瓦斯異常區(qū)。局部瓦斯含量隨著埋深增大而減小，如1303鉆孔二2煤厚僅2.04 m，相鄰1312孔、83022孔、1402孔的煤厚分別為2.85、2.99、2.69 m，瓦斯涌出量測(cè)值最大點(diǎn)(15.85 m3/t)位于煤層厚度突變處附近。2401軌道巷底抽巷聯(lián)巷實(shí)測(cè)瓦斯含量為5.62 m3/t(688 m)，而2402運(yùn)輸巷實(shí)測(cè)瓦斯涌出量3.74 m3/t(741 m)。受南部F40逆斷層、煤層產(chǎn)狀及煤層厚度控制，雖然煤層被抬升埋深變淺，但大落差逆斷層受壓封閉條件較好，制約了淺部瓦斯的逸散，同時(shí)本區(qū)煤層頂板為泥巖發(fā)育區(qū)。因此，本單元可劃分為正常區(qū)和異常區(qū)，正常區(qū)瓦斯梯度每100 m為1.14 m3/100 m，異常區(qū)瓦斯梯度每100 m是4.61 m3。瓦斯賦存規(guī)律如圖5、圖6所示。預(yù)測(cè)本區(qū)瓦斯風(fēng)化帶深度為439 m(-403 m)，預(yù)測(cè)5 m3/t趨勢(shì)線深度為702 m(-665 m)，預(yù)測(cè)10 m3/t趨勢(shì)埋深為1 053 m(-1 016 m)。異常區(qū)5 m3/t上限深度787 m(-750 m)，下限深度681 m(-644 m)；10 m3/t上限深度678m(-641 m)，下限深度573 m(-536 m)。

圖5 ③單元瓦斯含量與埋深關(guān)系Fig.4 Relationship between gas content and buried depth on ③ unit

圖6 ③單元異常區(qū)瓦斯分布規(guī)律Fig.6 Gas abnormal distribution rule of ③ unit

4)④單元：該單元東部為煤層露頭，遭受風(fēng)化剝蝕，煤層底板標(biāo)高-400～-550 m，大部分位于后王莊背斜隆起部分，本區(qū)煤層整體抬升埋深變淺。本單元沒(méi)有瓦斯含量數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層埋藏深度及地質(zhì)條件分析，本區(qū)瓦斯賦存地質(zhì)條件與②號(hào)瓦斯地質(zhì)單元東南塊段類似，可參照②號(hào)瓦斯地質(zhì)單元瓦斯賦存規(guī)律。瓦斯風(fēng)化帶深度為383 m(-420 m)，相對(duì)瓦斯含涌出量最大3 m3/t。

5)⑤單元：為F8斷層上盤與F12斷層下盤所夾塊段，單元西南部煤層變薄，煤層底板標(biāo)高-500～-1 100 m，北部深南部淺。該區(qū)勘探鉆孔較少且無(wú)瓦斯含量鉆孔，該區(qū)瓦斯分布參照③號(hào)瓦斯地質(zhì)單元。瓦斯風(fēng)化帶深度為439 m(-402 m)，5 m3/t趨勢(shì)線深度為702 m(-676 m)，10 m3/t趨勢(shì)埋深為1 053 m(-1 016 m)。

6)⑥單元：本單元發(fā)育大片天然焦和巖漿巖侵入體(無(wú)開采價(jià)值)，僅局部可采，煤層厚度變化大，區(qū)內(nèi)發(fā)育NE向正斷層，瓦斯涌出量為2～4 m3/t。

3 瓦斯異常分析

順和礦在掘進(jìn)24采區(qū)-702 m水平西翼軌道、輸送帶、回風(fēng)大巷、2401軌道巷、2401底抽巷、2404軌道巷、2404底抽巷時(shí)，瓦斯異常增大。

3.1 瓦斯異常定量分析

為進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)主控地質(zhì)因素對(duì)瓦斯異常的貢獻(xiàn)，在此采用數(shù)量化理論I對(duì)定量、定性地質(zhì)因素進(jìn)行篩選。數(shù)量化理論I相當(dāng)于多元線性回歸分析，用于從定性的或兼有定量的自變量對(duì)因變量的預(yù)測(cè)問(wèn)題[19-21]。

3.1.1 預(yù)測(cè)模型變量選取與建模

選取瓦斯含量為因變量，選取基巖厚度、大型斷層影響范圍(H>30 m)、煤層頂板巖性、基巖厚度、煤層厚度、褶皺平面變形系數(shù)、巖漿侵入等8個(gè)瓦斯影響指標(biāo)為自變量。其中，煤層頂板巖性、斷層為定性變量，用以二態(tài)變量取值，即用“0”和“1”表示屬性的“無(wú)”和“有”，砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖可劃分為泥巖項(xiàng)目 “有”之類目。斷層影響范圍項(xiàng)目以統(tǒng)計(jì)單元中心到斷層的距離以50 m為界，劃分為2類，即<50 m取“1”，>50 m取“0”。

順和井田③號(hào)瓦斯地質(zhì)單元處于4條斷層的下降盤斷塊，二2煤層埋深大，采掘中瓦斯含量較高，而其他單元瓦斯含量均較小，在此僅評(píng)價(jià)③號(hào)單元瓦斯異常特征。該單元共劃分出20個(gè)統(tǒng)計(jì)單元，其中18個(gè)單元數(shù)據(jù)用于建立模型，2個(gè)統(tǒng)計(jì)單元數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型精度?；跀?shù)量化理論I，經(jīng)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，篩選出基巖厚度、頂板巖性和大型斷層距離3個(gè)自變量，建立瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型：

W=0.038 35dl(1)-11.326 2dx(1,1)-10.013 91dx(1,2)+2.436 8dx(2,2)

(1)

式中：W為瓦斯含量預(yù)測(cè)值，m3/t；dl(1)為基巖深度，m；dx(1,1)為頂板巖性“泥巖”類目之反應(yīng)；dx(1,2)為頂板巖性項(xiàng)目“非泥巖”類目之反應(yīng)；dx(2,2)為斷層項(xiàng)目“<50 m”類目之反應(yīng)。

3.1.2 預(yù)測(cè)模型精度檢驗(yàn)

R=0.853 6

R1=0.766 2t1=5.508 2

R2=0.894 9t2=8.508 0

R3=0.497 1t3=2.806 5

預(yù)測(cè)模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.853 6，3個(gè)自變量的偏相關(guān)系數(shù)和t統(tǒng)計(jì)量均大于置信度95%(α=0.05)的臨界值。模型實(shí)際檢驗(yàn)誤差為9.23%，精度滿足工程實(shí)踐。

3.2 瓦斯異常區(qū)預(yù)測(cè)

基于式(1)，對(duì)順和礦③號(hào)瓦斯地質(zhì)單元二2煤層氣含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，瓦斯異常區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。③號(hào)瓦斯地質(zhì)單元共有2個(gè)瓦斯異常區(qū)，瓦斯含量大于10 m3/t，一個(gè)位于單元南部F40逆斷層北部，泥巖頂板區(qū)；另一個(gè)位于-1 016 m以深區(qū)域。

圖7 ③號(hào)單元瓦斯異常區(qū)分布Fig.7 Gas abnormal area distribute of ③ unit

4 結(jié) 論

1)在定性分析地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，對(duì)順和井田進(jìn)行了瓦斯地質(zhì)區(qū)劃，劃分出6個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，其中③瓦斯地質(zhì)單元局部瓦斯存在正異常，①和②單元東部靠近巖漿侵入?yún)^(qū)瓦斯正異常，④和⑥單元瓦斯負(fù)異常。

2)采用瓦斯地質(zhì)量化技術(shù)與方法，篩選出基巖厚度、煤層頂板巖性、大型斷層的影響范圍3個(gè)地質(zhì)因素是影響③單元瓦斯異常的主控因素。

3)分析了順和煤礦二2號(hào)煤層構(gòu)造演化與瓦斯賦存的地質(zhì)控制特征，不同期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其造成的“反相”褶皺是控制順和井田煤層埋深變化的控制因素，也是造成二2煤層蓋層厚度變化的主因。