周衛(wèi)博
(山西省礦業(yè)聯(lián)合會,山西 太原 030001)
山西神州煤業(yè)公司井田位于河東煤田中段離柳礦區(qū)的北部,井田內主要含煤地層為山西組和太原組,地層總厚138.24 m,煤層總厚9.83 m,含煤系數(shù)為7.11%。區(qū)內可采煤層包括山西組4號煤層和太原組8、10號煤層。其中4號煤厚0.28~2.03 m,平均1.49 m;8號煤厚0.92~2.10 m,平均1.33 m;10號煤厚1.40~6.86 m,平均3.26 m。
本井田為一寬緩的不對稱向斜構造,即中陽-離石向斜[1]。向斜軸在井田的南部走向為北北東,中部走向為近南北,向北逐漸轉向北北西;該向斜軸部較寬緩,兩翼傾角相差很大,東翼較緩,傾角為2°~3°,西翼較陡,傾角為15°~25°。中陽-離石向斜軸部兩側發(fā)育4條次一級褶曲。井田內共發(fā)育77條斷層,均為正斷層,其中落差大于3m的斷層有13條。井田范圍內無巖漿巖侵入現(xiàn)象。
各煤層鉆孔瓦斯含量測試結果見表1。(1)4號煤層瓦斯含量為0.07~4.50 m3/t,井田西部煤層露頭附近瓦斯含量很低,井田東南部瓦斯含量高,最高達4.50 m3/t。(2)8號煤層瓦斯含量0.27~7.51 m3/t,平均2.97 m3/t,井田西部煤層露頭附近瓦斯含量低,東南部和北部瓦斯含量高,分別達7.51 m3/t和7.38 m3/t。(3)10號煤層瓦斯含量0.17~10.37 m3/t,平均4.51 m3/t。井田西部煤層露頭附近瓦斯含量低,井田東南、東北、西南部瓦斯含量高,最高達10.37 m3/t和7.77 m3/t,個別鉆孔(B15)瓦斯含量超過10 m3/t。
總體來看,平面上,神州煤業(yè)4、8、10號煤層瓦斯含量在井田東、北、南部較高;層位上,10號煤層瓦斯含量最高,8號煤層次之,4號煤層最低,瓦斯含量具有隨埋深增加而加大的趨勢。
各煤層瓦斯成分見表1。其中4號煤層瓦斯成分以氮氣為主,占31.44%~99.17%,平均54%;其次為甲烷(CH4),占37.41%;二氧化碳(CO2)占8.42%,烴系列(C2-C8)微量??傮w上,該煤層以氮氣帶為主,在井田東南部分布有氮氣—甲烷帶。
8號煤層瓦斯成分以氮氣(N2)為主,占57.18%;其次為甲烷(CH4),平均占37.87%;二氧化碳(CO2)占11.23%,烴系列(C2-C8)微量。該煤層在井田西部煤層露頭附近分布有氮氣-二氧化碳帶,接著為狹長的氮氣帶,在井田北部、東部、南部的絕大部分為氮氣-甲烷帶。
10號煤層瓦斯成分以氮氣(N2)為主,平均占45.22%,其次為甲烷(CH4),平均占39.99%,二氧化碳(CO2)占14.64%,烴系列(C2-C8)微量。在井田西部煤層露頭附近分布有氮氣-二氧化碳帶,井田中部的一小部分為氮氣帶,在井田北部、東南部分布有氮氣-甲烷帶,井田東部和南部分布有甲烷帶。
表1 鉆孔瓦斯含量測定結果
煤層構造形態(tài)特征對瓦斯保存有重要影響。(1)斷層的影響:本井田內發(fā)現(xiàn)多處落差在0.5~5 m之間的斷層,如4號煤層五采區(qū)4501工作面軌道順槽掘進時期,遇落差為5.5 m的正斷層,在遠離該斷層時,回風流瓦斯?jié)舛葍H為0.03%;接近斷層后,瓦斯?jié)舛壬仙?.08%~0.12%之間,呈現(xiàn)增大的趨勢。(2)褶皺構造的影響:向斜構造的兩翼與軸部中和面以上為壓應力場,這些區(qū)域屬于應力集中的高壓區(qū);軸部中和面以下處于拉伸張應力場,這些區(qū)域煤層埋深往往較大,只有少量開放性裂隙產生,同時伴隨部分應力釋放,形成相對低壓區(qū)。因此,向斜的兩翼和軸部中和面以上是利于瓦斯封存和聚集的部位,特別是向斜的軸部是瓦斯含量高異常區(qū),例如井田內8、10號煤層瓦斯含量高的B13、B10、B15號鉆孔、4號煤層4307運輸順槽內W-2瓦斯測試點均位于向斜軸附近;井田西部向斜西翼翹起端鉆孔瓦斯含量均低。
據(jù)(圖1a)可知,4號煤層瓦斯含量隨埋深增大沒有規(guī)律性,這是由于中陽-離石向斜、白家莊向斜及次級褶皺構造共同作用的結果。井田內8、10號煤層瓦斯含量隨煤層埋深增加而逐漸加大(圖1b、圖1c),其中,8號煤層瓦斯含量增長梯度為0.93 m3/t/100 m,10號煤層瓦斯含量增長梯度為1.03 m3/t/100 m。隨埋藏深度的增加,一方面,煤層孔隙流體壓力增加,有利于更多氣體在煤基質表面吸附;另一方面,地應力增高使煤層及圍巖的透氣性變差,瓦斯逸散更困難,二方面都有利于封存瓦斯[2]。因此,8、10號煤層瓦斯含量與煤層埋深呈顯著的正相關關系。
(a-4號煤層,b-8號煤層,c-10號煤層)
一般來說,煤層頂?shù)装鍘r性為致密完整的巖石,如頁巖、油母頁巖時,煤層中的瓦斯容易保存;頂?shù)装鍨槎嗫紫痘虼嘈粤严栋l(fā)育的巖石,如礫巖、砂巖時,瓦斯就容易逸散。
本井田范圍內的4號煤層頂?shù)装鍨樯百|泥巖、泥巖、砂巖,巖性變化不大,并且開采過程中也未發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逋咚巩惓栴},因此頂?shù)装鍖?號煤層煤層瓦斯含量影響不明顯。神州煤業(yè)下組煤開掘以來,掘進工作面瓦斯涌出量不斷增大,嚴重影響工作面的正常推進及安全生產,特別是開掘8103運輸巷時,絕對瓦斯涌出量已達7.5 m3/min。經分析,瓦斯主要來源于8號煤層上覆太原組L1灰?guī)r。該層灰?guī)r本身不具生烴能力,其中瓦斯由下部8、10號煤層中運移而來[3],富集存儲在灰?guī)r的溶洞及裂隙空間。因此,在本煤礦開采過程中要注意煤層附近灰?guī)r層中瓦斯富集的影響。
井田內巖溶陷落柱對于煤層瓦斯賦存規(guī)律影響不明顯,例如在礦井三采區(qū)運輸下山掘進時期遇見陷落柱,在揭露該陷落柱前,工作面配風量為181 m3/min,回風流瓦斯?jié)舛葹?.04%,瓦斯絕對涌出量為0.07 m3/min;在揭露和通過陷落柱時,瓦斯未見異常,持續(xù)保持在0.03%~0.05%之間。
此外,井田范圍內未發(fā)現(xiàn)巖漿活動,實際生產過程中亦未發(fā)現(xiàn)或揭露巖漿巖。因此,本區(qū)煤層瓦斯賦存不存在巖漿活動的影響。
(1)平面上,神州煤業(yè)4、8、10號煤層瓦斯含量在井田東、北、南部較高;層位上,10號煤層瓦斯含量最高,8號煤層次之,4號煤層最低,瓦斯含量具有隨埋深增加而加大趨勢。4號煤層瓦斯分布特征以氮氣帶為主,在井田東南部分布有氮氣—甲烷帶;8號煤層在井田北部、東部、南部的絕大部分為氮氣-甲烷帶;10號煤層在井田北部、東南部分布有氮氣-甲烷帶,井田東部和南部分布有甲烷帶。
(2)煤層構造形態(tài)特征對瓦斯保存有重要影響,煤層距離正斷層越近,瓦斯含量呈現(xiàn)增大的趨勢;研究區(qū)向斜的軸部是瓦斯含量高異常區(qū),井田西部向斜西翼翹起端鉆孔瓦斯含量均低。井田4號煤層瓦斯含量隨埋深增大沒有規(guī)律性,8、10號煤層瓦斯含量具有隨煤層埋深增加而加大的趨勢。太原組L1灰?guī)r中富集由8、10號煤層中運移而來的瓦斯氣體,在煤礦開采過程中需加以注意。