雅店煤礦瓦斯賦存主控因素分析

董振波,李德仁,趙海波

(1.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司,陜西 咸陽 713500;2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

0 引言

煤礦瓦斯是影響煤礦安全的重要因素之一,厘清煤礦瓦斯賦存規(guī)律,對于礦井有效進(jìn)行瓦斯防治,高效安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1]。作為煤系地層的共生因素,煤層瓦斯賦存主要由含煤盆地的地質(zhì)條件和構(gòu)造演化決定。張子敏等[2]率先提出了瓦斯地質(zhì)方法,以煤系地層的地質(zhì)條件為主線,重點研究礦區(qū)和礦井的煤層瓦斯賦存規(guī)律,為多個礦井的煤與瓦斯突出防治和煤層瓦斯抽采等問題提供了理論支持。煤層瓦斯賦存規(guī)律與煤系地層的沉積環(huán)境、構(gòu)造特征及其演化、構(gòu)造應(yīng)力場特征等因素密切相關(guān),構(gòu)建地質(zhì)因素與瓦斯因素的本質(zhì)關(guān)聯(lián),是厘清礦井瓦斯賦存的根本前提[3-5]。何俊等[6]應(yīng)用分形幾何理論,探討了井田內(nèi)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的分形特征及其與瓦斯突出的內(nèi)在關(guān)聯(lián),為礦井突出區(qū)帶的劃分提供了可行的研究思路和方法。雷東記等[7]分析了九里山煤礦瓦斯突出與煤層厚度、斷層構(gòu)造等地質(zhì)因素關(guān)聯(lián),提出等性塊段疊加法準(zhǔn)確預(yù)測了該礦井的瓦斯突出危險區(qū)。王子健等[8]采用可靠性理論探究了指標(biāo)不確定度對瓦斯突出預(yù)測結(jié)果可靠性的影響。WEI等[9]基于統(tǒng)計單元的標(biāo)準(zhǔn)化模型,量化了12種瓦斯地質(zhì)因素,建立瓦斯地質(zhì)復(fù)雜性指數(shù)(GCI)的關(guān)聯(lián)函數(shù),發(fā)現(xiàn)最可能發(fā)生瓦斯突出的區(qū)域不僅是極復(fù)雜的區(qū)域,而是不同GCI區(qū)域的過渡帶。談國文[10]以煤與瓦斯突出災(zāi)害致因及發(fā)生規(guī)律為基礎(chǔ),提出了瓦斯災(zāi)害多元化精準(zhǔn)防控技術(shù)結(jié)構(gòu)。王偉等[11]通過現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬等方法,發(fā)現(xiàn)了壓扭性斷層是控制瓦斯突出的主要地質(zhì)因素,并提出了基于斷層預(yù)測的瓦斯綜合防治措施。綜上所述,前人的研究大量分析了礦井煤系地層構(gòu)造特征及其演化、地質(zhì)因素對瓦斯賦存的影響,厘清了礦井的瓦斯賦存規(guī)律,為礦井有效制定精準(zhǔn)的瓦斯防治措施提供了支持。在此基礎(chǔ)上,以瓦斯地質(zhì)理論為指導(dǎo),針對雅店煤礦瓦斯賦存規(guī)律問題,定量研究構(gòu)造演化特征、煤層圍巖特性、煤層埋藏條件以及煤層厚度等因素對瓦斯賦存和瓦斯含量的影響,以期確定雅店煤礦煤層瓦斯賦存的主控因素,進(jìn)而為雅店煤礦瓦斯防治提供科學(xué)準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

1 礦井概況

1.1 礦井概況

雅店煤礦隸屬陜西省彬長礦區(qū),井田面積53.05 km2,可采地質(zhì)儲量為362.77 Mt,設(shè)計生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a,服務(wù)年限為67 a。礦井采用立井單水平開拓方式,走向長壁式采煤方法,全部垮落法項板管理方法。礦井主采1號和4號煤層,開采底板標(biāo)高為+480～+190 m,共劃分為4個采區(qū);目前布置有2個采煤工作面、1個備用工作面和2個掘進(jìn)工作面。

1.2 瓦斯概況

礦井2021年絕對瓦斯涌出量為3.98 m3/min,礦井相對瓦斯涌出量為0.53 m3/t,瓦斯等級鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井。依據(jù)地勘和生產(chǎn)期間的瓦斯參數(shù)測試結(jié)果,1號煤層最大瓦斯含量為1.24 m3/t,最大瓦斯壓力為0.25 MPa;4號煤層最大瓦斯含量為1.24 m3/t,最大瓦斯壓力為0.75 MPa。

1.3 地質(zhì)概況

雅店井田位于彬長礦區(qū)的七里鋪西坡背斜與四郎河向斜之間,受礦區(qū)構(gòu)造控制,總體為一傾向NW的單斜構(gòu)造。井田地層平緩,構(gòu)造簡單,地勘期間未發(fā)現(xiàn)斷層和巖漿巖。礦井三維地震勘探解譯斷層8條,斷層落差為0～12 m,斷層走向以NW和NNW向為主,多數(shù)斷層僅發(fā)育在1號煤層或4號煤層,且影響范圍較小。

2 地質(zhì)構(gòu)造演化及賦存特征

2.1 區(qū)域構(gòu)造演化及瓦斯賦存特征

彬長礦區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬渭北隆起,煤系地層沉積后,先后經(jīng)歷了燕山期擠壓逆沖、抬升剝蝕,以及喜山早期的逆沖擠壓和晚期的伸展斷陷作用[12-13]。

成煤后的構(gòu)造運動對彬長礦區(qū)煤層瓦斯賦存影響顯著。燕山運動時期,彬長礦區(qū)先后3次出現(xiàn)地殼抬升,沉積地層遭受剝蝕。第1次位于侏羅紀(jì)中期,由于地殼抬升,對煤的演化和生氣影響較小;第2次位于侏羅紀(jì)末期,煤系上覆地層遭受剝蝕,煤的熱演化及生氣停止,同時由于煤系蓋層的剝蝕,已生成的瓦斯大量逸散;第3次發(fā)生在早白堊世末期,持續(xù)到古近紀(jì)早期,表現(xiàn)為地殼全面隆升,在晚白堊世和古近紀(jì)幾乎沒有沉積,煤的演化、生氣處于停止?fàn)顟B(tài),先前生成的煤層瓦斯再次大量散失。喜山運動時期,彬長礦區(qū)又出現(xiàn)了多次擠壓和斷陷過程,造成該區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯含量的進(jìn)一步降低[14-15]。彬長礦區(qū)構(gòu)造綱要與瓦斯含量等值線如圖1所示。

彬長礦區(qū)瓦斯分布受褶曲構(gòu)造控制較為顯著。礦區(qū)范圍內(nèi),向斜和背斜間隔發(fā)育,控制著煤層瓦斯賦存的非均質(zhì)分布。多數(shù)向斜影響區(qū)域內(nèi),瓦斯聚集形成瓦斯富集區(qū),如大佛寺復(fù)向斜和南玉子向斜影響區(qū)域內(nèi),最高瓦斯含量分別達(dá)到10.36 m3/t和7.34 m3/t;而在多數(shù)的背斜控制區(qū)域內(nèi),煤層瓦斯得到充分逸散,未形成瓦斯富集區(qū),如七里鋪-西坡背斜和彬縣背斜區(qū)域內(nèi),瓦斯含量普遍低于5.00 m3/t[16-18],進(jìn)而形成了礦區(qū)瓦斯含量中南部高、北部低的分布特征[19-20]。

2.2 井田構(gòu)造演化及瓦斯賦存特征

受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制的影響,雅店煤礦煤系地層同樣經(jīng)歷了燕山期抬升剝蝕和喜山期的伸展斷陷作用,導(dǎo)致煤層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,瓦斯風(fēng)化帶較深,瓦斯含量較低。雅店煤礦位于彬長礦區(qū)七里鋪-西坡背斜區(qū)域,總體為一傾向NW的單斜構(gòu)造,地層平緩,構(gòu)造簡單,地勘期間未發(fā)現(xiàn)斷層和巖漿巖。受礦區(qū)背斜構(gòu)造的控制作用,雅店煤礦煤層瓦斯含量普遍較低,地勘和生產(chǎn)期間測試的最大瓦斯含量為2.14 m3/t。

圖1 彬長礦區(qū)構(gòu)造綱要與瓦斯含量等值線Fig.1 Structure outline and gas content isoline of Binchang mining area

3 瓦斯賦存規(guī)律研究

3.1 地勘瓦斯含量修正

由于巖心取樣的技術(shù)限制,地勘鉆孔測試的瓦斯含量通常低于采用井下直接測試法測試的瓦斯含量。因此,地勘瓦斯含量參與瓦斯含量預(yù)測時,需要依據(jù)鉆孔附近井下實測的瓦斯含量值需要進(jìn)行修正,其修正系數(shù)計算見式(1),計算結(jié)果見表1。

Mw=W井下/W地勘

(1)

式中,Mw為地勘瓦斯含量修正系數(shù);W井下為井下實測瓦斯含量,m3·t-1;W地勘為地勘期間測試的瓦斯含量,m3·t-1。

由表1可知,雅店煤礦地勘瓦斯含量修正系數(shù)為2.16～8.60,平均修正系數(shù)為5.48。修正后的地勘瓦斯含量和生產(chǎn)實測的瓦斯含量見表2。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯含量的影響主要取決于在含煤地層的構(gòu)造演化和現(xiàn)存地質(zhì)構(gòu)造的分布特征。受地質(zhì)構(gòu)造演化的影響,雅店煤礦煤層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,瓦斯風(fēng)化帶較深,瓦斯含量較低。同時,雅店煤礦為一傾向NW的單斜構(gòu)造,坡度平緩,結(jié)構(gòu)簡單;井田范圍內(nèi)勘探期間未發(fā)現(xiàn)斷層,僅生產(chǎn)期間的三維地震勘探解譯了8條小斷層,見表3。但多數(shù)位于現(xiàn)開采區(qū)域以外。因此,現(xiàn)存地質(zhì)構(gòu)造對開采區(qū)域整體的瓦斯賦存和控制影響較小。

表1 雅店煤礦地勘瓦斯含量修正系數(shù)

表2 雅店煤礦瓦斯含量統(tǒng)計

表3 三維地震勘探解譯斷層表

值得注意的是,雅店煤礦現(xiàn)階段最大壓應(yīng)力為NNE向,導(dǎo)致NW-NNW向斷層多為封閉狀態(tài),易于形成瓦斯富集區(qū)帶,因此,當(dāng)回采經(jīng)過NW-NNW向斷層影響區(qū)域時,如4號煤層一采區(qū)東翼DF3和DF5影響區(qū)域,應(yīng)當(dāng)采取必要瓦斯防治措施。

3.3 煤層頂板對瓦斯賦存的影響

煤層中的瓦斯會通過上覆巖層逸出,煤層圍巖的巖性及透氣性能,會直接影響煤層瓦斯的賦存、運移或富集。隨著巖石滲透率的降低,巖石層的封閉作用增加,造成煤層瓦斯釋放量的減少和瓦斯含量的增加。煤層頂板的這種封閉作用,通常采用圍巖封閉系數(shù)進(jìn)行量化,其指標(biāo)依據(jù)圍巖巖性及其滲透系數(shù)的不同,分別取0.1～1.0。不同圍巖封閉系數(shù)的參考值見表4。

表4 圍巖封閉系數(shù)參考表

雅店煤礦4號煤層頂板以泥巖、粉砂巖和中砂巖為主,依據(jù)圍巖封閉系數(shù)參考表,分別對瓦斯含量點的煤層頂板巖性進(jìn)行了量化,并擬合了圍巖封閉系數(shù)(r)與煤層瓦斯含量(W)的相關(guān)關(guān)系,如圖2所示。擬合結(jié)果表明,隨著圍巖封閉系數(shù)的增加,圍巖封閉能力逐漸增加,煤層瓦斯含量也逐漸增加。但是,圍巖封閉系數(shù)與瓦斯含量增加的相關(guān)性并不高,其相關(guān)系數(shù)僅為0.26,這表明4號煤層頂板巖性對煤層瓦斯賦存分布的影響較小。

圖2 4號煤層瓦斯含量與圍巖封閉系數(shù)擬合相關(guān)圖Fig.2 Fitting relevance of gas content and surrounding rock closure coefficient of No.4 coal seam

3.4 煤層埋藏條件對瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋藏深度的增加,垂向煤層應(yīng)力逐漸增加,煤層的滲透率逐漸降低,從而導(dǎo)致煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的升高。煤層埋藏條件的量化一般選用煤層底板標(biāo)高、煤層埋深和煤層上覆基巖厚度等參數(shù)確定。通過對雅店煤層修正后的地勘瓦斯含量和生產(chǎn)中實測的瓦斯含量數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的煤層底板標(biāo)高絕對值(h)、煤層埋深(d)和煤層上覆基巖厚度(b),進(jìn)行線性擬合,分別得到了4號煤瓦斯含量隨煤層底板標(biāo)高、煤層埋深和上覆基巖厚度的變化趨勢(圖3)以及對應(yīng)瓦斯含量回歸方程(表5)。

圖3 瓦斯含量與煤層底板等高線擬合相關(guān)圖Fig.3 Fitting relevance of gas content and coal seam floor isoline

由擬合結(jié)果可知,隨著埋藏深度和基巖厚度的增加、煤層底板標(biāo)高的減小,4號煤層瓦斯含量逐漸增加。同時,煤層瓦斯含量與埋藏條件的量化指標(biāo)均有較好的相關(guān)性,煤層瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高、埋深和上覆基巖厚度的相關(guān)系數(shù)分別為0.75,0.73和0.62,這表明雅店煤礦4號煤層瓦斯含量賦存分布受其埋藏條件的控制作用比較明顯。

表5 瓦斯含量與煤層地質(zhì)參數(shù)的擬合關(guān)系

3.5 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯生成和儲存的空間,通常情況下,隨著煤層厚度的增加,瓦斯含量逐漸增加。雅店煤礦4號煤層的厚度為0.15～20.87 m,平均厚度為12.07 m,煤厚差異較大。通過對修正后的煤層瓦斯含量(W)與其對應(yīng)的煤層厚度(th)進(jìn)行線性擬合,得到了4號煤層的瓦斯含量隨煤層厚度的變化趨勢,如圖4所示。由擬合結(jié)果可知,隨著煤厚的增加,4號煤層瓦斯含量逐漸增加,而且瓦斯含量與煤層厚度變化的相關(guān)性較高,其相關(guān)系數(shù)為0.75,這表明4號煤層瓦斯含量受煤層厚度的控制作用比較明顯。

圖4 4號煤層瓦斯含量與煤層底板等高線擬合相關(guān)圖Fig.4 Fitting relevance of gas content and coal seam floor isoline of No.4 coal seam

3.6 瓦斯賦存主控因素分析

綜上所述,雅店煤礦4號煤層瓦斯賦存主要受到煤層頂板巖性、煤層埋藏條件和煤層厚度的影響和控制。其中,煤層底板標(biāo)高和煤層厚度的影響最大,其相關(guān)系數(shù)均為0.75,其次是上覆基巖厚度和煤層埋深的影響,其相關(guān)系數(shù)分別為0.73和0.62,煤層頂板巖性的控制作用最弱,相關(guān)系數(shù)僅為0.26。

4 結(jié)論

(1)受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制的影響,雅店煤礦煤系沉積后主要經(jīng)歷了燕山期擠壓逆沖和抬升剝蝕,以及喜山期的逆沖擠壓和伸展斷陷作用,煤層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,瓦斯風(fēng)化帶較深,瓦斯含量普遍較低。

(2)雅店煤礦總體為一平緩的單斜構(gòu)造,井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單,斷層不發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的控制作用不明顯。然而,雅店煤礦的最大壓應(yīng)力方向為NE向,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)近NW向斷層封閉,易于形成瓦斯富集區(qū),當(dāng)回采經(jīng)過此類斷層影響區(qū)域時應(yīng)當(dāng)采取必要瓦斯防治措施。

(3)雅店煤礦4號煤層瓦斯賦存同時受埋藏條件和煤層厚度的控制,瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高和煤層厚度的相關(guān)性均較好,采用這些指標(biāo)進(jìn)行瓦斯含量預(yù)測,均能取得較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。