新疆拜城縣眾維煤礦煤層瓦斯賦存特征分析

熊昌銀， 楊仁濤， 沈?qū)毚妫?文謨?cè)疲?佘爭(zhēng)輝

(中煤湖北地質(zhì)局集團(tuán)有限公司西北分公司，烏魯木齊 830000)

0 引言

從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展現(xiàn)況來(lái)看，煤炭行業(yè)要想保持持續(xù)的健康發(fā)展，首先需要解決的問(wèn)題就是瓦斯事故。煤礦瓦斯事故的發(fā)生不僅會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)周圍地區(qū)的居民、生物的安全產(chǎn)生不良影響。伴隨煤礦開(kāi)采工作的不斷深入，在固有的煤層之中會(huì)出現(xiàn)含量更高的瓦斯以及更大的瓦斯壓力，此類現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)礦井瓦斯防治工作會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響[1-3]。

因此，進(jìn)行瓦斯賦存研究進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行防治便顯得極為重要[4-5]。本次研究專注新疆庫(kù)拜煤田阿克蘇眾維煤礦地下瓦斯賦存情況，從其賦存規(guī)律入手，深入研究該礦瓦斯儲(chǔ)量規(guī)模，進(jìn)而為指導(dǎo)該礦地下生產(chǎn)及煤層氣開(kāi)采提出指導(dǎo)意見(jiàn)，從降低該礦安全風(fēng)險(xiǎn)、提升該礦經(jīng)濟(jì)價(jià)值的角度來(lái)看具有現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。

1 地質(zhì)概況

眾維煤礦位于天山南麓，地形走向北東—南西，呈向南東傾斜的單面山。地形起伏較大，總體地勢(shì)北高南低，北坡陡、懸崖交錯(cuò)，南坡緩，溝谷密布。海拔2 015～3 012m，最大比高997m，一般比高500m，基巖大面積出露，屬?gòu)?qiáng)烈切割的中高山區(qū)[8-9]。

2 工作方法

收集了工區(qū)及鄰區(qū)已有鉆孔資料和瓦斯資料，并補(bǔ)充施工一個(gè)瓦斯鉆孔，完成了相關(guān)瓦斯樣品測(cè)試，基于鉆井、巖心觀察、各種分析測(cè)試等資料，以下侏羅統(tǒng)塔里奇克組煤層瓦斯為研究對(duì)象，以地質(zhì)評(píng)價(jià)手段為依據(jù)重點(diǎn)對(duì)其煤階、構(gòu)造類型、沉積環(huán)境、煤層厚度、井田水文地質(zhì)特征等進(jìn)行深入研究，結(jié)合各鉆孔瓦斯樣品分析測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了井田內(nèi)煤層瓦斯賦存規(guī)律[10-14]。采用野外剖面測(cè)量、地質(zhì)填圖、鉆孔施工、煤樣及瓦斯樣品采集與測(cè)試分析等各種方法手段(圖1、圖2)。歸納起來(lái)主要包括定性化研究、綜合分析和定量研究3個(gè)方面。

圖1 眾維煤礦鉆孔布置Figure 1 Boreholes layout in Zhongwei coalmine

圖2 井田地形地貌Figure 2 Minefield landform

1)定性化研究。定性化研究主要用偏光顯微鏡進(jìn)行的微相研究工作，所研究的主要是在普通煤巖學(xué)顯微鏡下可觀察到的煤炭裂隙描述、煤體結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容，也包括部分顯微鏡下可見(jiàn)的沉積構(gòu)造特征。主要應(yīng)用到偏光顯微鏡、掃描電鏡分析等。

2)綜合分析。通過(guò)對(duì)巖性標(biāo)志、巖石結(jié)構(gòu)和顏色、層理、沉積構(gòu)造、成巖特征、化石和生物構(gòu)造和各種相關(guān)測(cè)試分析等手段，進(jìn)行系統(tǒng)的煤階、構(gòu)造類型、沉積環(huán)境、煤層厚度、井田水文地質(zhì)特征分析，查明瓦斯賦存規(guī)律及其控氣因素。

3)定量研究。依據(jù)《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29119—2012),選用體積法估算了礦區(qū)內(nèi)煤層氣資源儲(chǔ)量，為礦區(qū)氣體資源賦存情況提供了初步的定量研究。

3 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)基巖大面積出露，僅西部有少量第四系分布。據(jù)施工鉆孔揭露和基巖出露情況，礦區(qū)地層主要有上三疊統(tǒng)黃山街組(T3h)、下侏羅統(tǒng)塔里奇克組(J1t)、阿合組(J1a)、陽(yáng)霞組(J1y)、中侏羅統(tǒng)克孜努爾組(J2k)及第四系(Q)。

礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜，地層走向東偏北40°～60°，只在西端地層走向發(fā)生部分變化，為120°～140°。傾向135°～165°，傾角25°～40°，一般30°，斷層不發(fā)育，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

礦區(qū)斷裂不發(fā)育，鉆孔及采掘巷道中未發(fā)現(xiàn)斷層，地表填圖發(fā)現(xiàn)斷層7條，斷距多在10m以下，延續(xù)長(zhǎng)度一般為幾十米，對(duì)煤層開(kāi)采基本沒(méi)有影響。

4 礦區(qū)煤層賦存特征

礦區(qū)內(nèi)含煤地層為下侏羅統(tǒng)塔里奇克組(J1t)、陽(yáng)霞組(J1y)和中侏羅統(tǒng)克孜努爾組(J2k)。其中塔里奇克組含煤性好，煤層較穩(wěn)定，可采厚度較大，為井田主要含煤地層；陽(yáng)霞組含煤三層，厚度較薄，為局部可采或不可采；而克孜努爾組含煤地層在本區(qū)內(nèi)未發(fā)育煤層。

5 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地形屬中高山區(qū)，基巖裸露，第四系覆蓋較少，地勢(shì)總體呈西北高東南低，地形有利于自然排水。氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)于降水。依據(jù)我國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T1091—2008)，將井田水文地質(zhì)勘查類型劃為二類二型，即以裂隙含水層充水為主，水文地質(zhì)條件中等的礦床。

6 煤巖特征及含氣量測(cè)試

鉆孔所取煤巖樣品，宏觀煤巖類型界限清晰，成分可辨，原生結(jié)構(gòu)遭受輕微破壞，大部分層理易辨。煤中裂隙較為發(fā)育，面割理4條/6cm，端割理2條/3cm，質(zhì)地較為堅(jiān)硬，用手難掰斷。煤體呈灰黑色，瀝青光澤，深黑色條痕，煤巖主要以半暗煤為主，總體光澤較弱至較強(qiáng)，塊狀構(gòu)造，參差狀斷口(圖3)。

圖3 鉆孔ZK1-9煤巖樣品Figure 3 Coal and rock samples from borehole ZK 1-9

ZK1-9煤層氣孔A6煤層采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量0.58cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量0.66cm3/g。

759.92～760.22m采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量10.07cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量11.26cm3/g。

760.92～761.22m采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量3.50cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量3.82cm3/g。

761.52～761.82m采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量9.42cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量10.50cm3/g。

799.65～799.95m采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量8.92cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量17.35cm3/g。

809.35～810.15m采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量7.01cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量8.47cm3/g。

826.60～826.95m采集了1個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量8.28cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量10.61cm3/g。

A1煤層采集了4個(gè)自然解吸樣品，樣品的空氣干燥基氣含量平均11.34cm3/g；干燥無(wú)灰基氣含量平均12.74cm3/g。

除了施工ZK1-9煤層氣孔，另外還施工一個(gè)煤炭鉆孔ZK6-9，在ZK6-9鉆孔中對(duì)可采煤層B2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解析并采取瓦斯樣1個(gè)。另外利用前人瓦斯樣品4件。本區(qū)A1煤層瓦斯采樣深度295.60～1 268.95m，A6煤層瓦斯采樣深度393.39～1 179.58m，B2煤層瓦斯采樣深度634.76m。各煤層瓦斯成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

7 瓦斯賦存情況分析

7.1 瓦斯成分

本區(qū)A1煤層瓦斯采樣深度295.60～1 268.95m，A6煤層瓦斯采樣深度393.39～1 179.58m，B2煤層瓦斯采樣深度634.76m。

表1 各煤層瓦斯成分測(cè)試結(jié)果

煤層CH4(含C2H6)成分為16.88%～93.58%，CO2成分為1.44%～26.05%，N2成分為2.72%～57.07%；數(shù)據(jù)分析顯示，可燃?xì)怏w(CH4、C2H6)成分與煤層埋深呈線性相關(guān)(圖4)。

煤層埋深/m圖4 可燃?xì)怏w濃度與煤層埋深關(guān)系Figure 4 Relationship between combustible gasconcentration and coal seam buried depth

7.2 瓦斯含量

在取樣深度范圍內(nèi)，各煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

A1煤層CH4(含C2H6)含量為5.89～10.60mL/g，CO2含量為0.70～0.96mL/g，N2含量為2.84～11.33mL/g；A6煤層CH4(含C2H6)含量為1.66～1.75mL/g，CO2含量為0.24 ～0.29mL/g，N2含量為1.00～6.17mL/g；B2煤層CH4(含C2H6)含量為0.583mL/g，CO2含量為0.489mL/g，N2含量為1.282mL/g。

數(shù)據(jù)分析顯示，瓦斯(CH4、C2H6)含量與煤層埋深呈一定的線性相關(guān)(圖5)。

圖5 A1煤層瓦斯含量與煤層埋深關(guān)系Figure 5 Relationship between coal seam A1 gascontent and coal seam buried depth

利用各鉆孔瓦斯含量測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)瓦斯含量與煤層埋深進(jìn)行相關(guān)性分析，得到眾維煤礦A1瓦斯含量與煤層埋深的線性方程為y=0.004 5x+4.618 6，其中y為瓦斯含量，x為煤層埋深，二者相關(guān)系數(shù)為0.52。顯示CH4、C2H4含量隨煤層埋深的增加而增大。

7.3 瓦斯分帶

井田內(nèi)主要可采煤層瓦斯含量較高，以N2、CH4為主，CH4為41.50%～93.58%，為氮?dú)狻託鈳е琳託鈳?表2)。

表2 各煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果

井田內(nèi)瓦斯分布較為規(guī)律，與各煤層展布情況基本一致，瓦斯含量東南部偏高，越往西北瓦斯含量越低；從煤層底板等高線圖可以看出，瓦斯含量與煤層深度線性相關(guān)，煤層埋深越大，瓦斯含量越高，因此井田內(nèi)瓦斯含量具有淺部低、深部高、西北低東南高的賦存格局。

8 結(jié)論

1)煤層CH4(含C2H6)成分為16.88%～93.58%，CO2成分為1.44%～26.05%，N2成分為2.72%～57.07%；數(shù)據(jù)分析顯示，可燃?xì)怏w(CH4、C2H6)濃度與煤層埋深呈線性正相關(guān)，隨著煤層埋深增加，可燃?xì)怏w濃度越高。

2)利用各鉆孔瓦斯含量測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)瓦斯含量與煤層埋深進(jìn)行相關(guān)性分析，得到眾維煤礦A1瓦斯含量與煤層埋深的線性方程為y=0.004 5x+4.618 6，其中y為瓦斯含量，x為煤層埋深，二者相關(guān)系數(shù)為0.52。

3)結(jié)合井田煤層底板等高線圖分析，井田內(nèi)瓦斯含量分布具有淺部低、深部高、西北低東南高的賦存格局。