建新煤礦4-2煤層瓦斯賦存規(guī)律及瓦斯富集區(qū)域判定

王貴余

(陜西建新煤化有限責任公司,陜西 延安 727300)

0 引言

中國煤炭資源豐富,煤炭生產及消費量占比處世界的前列,煤炭資源是中國的主體能源[1-3],2021年的煤炭產量達到41.3億t,在一次能源中消費占比為56%。煤層中含有的瓦斯資源與煤層的采深關系密切,隨著開采強度增強煤層采深進一步增加,煤層的瓦斯含量與瓦斯涌出量都隨之增加。據(jù)統(tǒng)計,截止2021年在全國重點煤礦中,高瓦斯與突出礦井的煤礦占比將近50%。隨著機械化開采水平的提高,煤層埋深的進一步加大,煤礦瓦斯風險進一步加劇,瓦斯事故不容忽視[4]。

礦井瓦斯對煤礦的安全生產具有重大威脅,但同時瓦斯又是高效清潔能源[5],其伴隨著煤炭的漫長生成過程而生成,煤層瓦斯抽采在優(yōu)化能源結構、保障煤礦安全生產、助力實現(xiàn)“雙碳”目標方面,意義重大[6-7]。西部煤炭資源中與煤伴生的瓦斯賦存量較大,尤其是黃陵礦區(qū),屬于典型的高瓦斯礦區(qū),礦區(qū)瓦斯災害的防治形勢依然嚴峻。根據(jù)以往研究,影響煤層瓦斯賦存的關鍵因素有:煤層傾角、煤層埋深、區(qū)域地質演化過程和井田構造特征、煤層及圍巖的組合特征、煤質特征、水文地質條件、煤化程度等。在礦井井田區(qū)域內,部分因素起著區(qū)域性控制作用,不同因素在區(qū)域內控制作用具有較大差異且差異性較大[8-9]。

地層中煤層的瓦斯含量受上述諸多因素影響,且每個因素對煤層瓦斯含量的影響程度不盡相同。這些影響因素所起的作用并不明確,并且有些因素具有灰色性,而灰色理論在處理不確定性及非線性問題方面具有較大優(yōu)勢。根據(jù)建新煤礦4-2煤層瓦斯賦存特征,再結合4304工作面的地質資料以及現(xiàn)場測試的瓦斯含量數(shù)據(jù),定性研究建新煤礦4304綜放工作面的瓦斯賦存規(guī)律,為該礦的瓦斯治理提供參考。

1 工程背景

陜煤建新煤礦主采4-2煤層,煤層平均傾角3°,煤層的平均厚度8 m,屬于特厚煤層。其中掘進工作面絕對瓦斯涌出量最大達到3.5 m3/min,回采工作面絕對瓦斯涌出量最大達到31.0 m3/min,自2015年開始,鑒定為高瓦斯礦井。

試驗的4304工作面位于43盤區(qū)東翼,工作面呈東北-西南方向布置,其西為4306工作面(未開采),東界為4302工作面(未開采),南界為43盤區(qū)大巷保護煤柱,北界為4-2煤層可采邊界。工作面地面標高+1 290～+1 545 m,井下標高+804～+880 m。工作面走向長度2 380.3 m,可采走向長度2 280.3 m,傾向長度300 m,可采面積669 090 m2。工作面煤層傾角2°～6°,平均3°,煤層厚度6.2～12.6 m,平均9.6 m,煤層內發(fā)育1～2層夾矸,單層厚度在0.2～0.3 m,平均0.6 m,煤層益厚9.0 m。工作面地質儲量918.6萬t,可采煤量806.9萬t。

4304運輸巷、回風巷掘進期間均采用FBDNO8.0/2×55 kW壓入式通風,風筒配備直徑為φ1 000 mm的阻燃正壓風筒。4304運輸巷配風量為680 m3/min。4304回風巷配風量為650 m3/min。4304大尺寸工作面采用“U”型通風系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 4304綜放工作面布置示意Fig.1 Layout of 4304 fully mechanized top-coal caving face

2 瓦斯含量的影響因素分析

在漫長的地質年代中,瓦斯伴生于煤層中。古植物經歷漫長地質年代成煤過程,會生成大量的瓦斯氣體,其中大部分瓦斯氣體在地層的變動中逸散到大氣中,留存于煤層中的瓦斯量的多少,由封蓋條件、地質構造、煤層的頂?shù)装鍘r性及煤層上覆巖層厚度等因素決定當瓦斯在運移過程中遇到較好的封蓋以及儲存條件時,就難以散逸到大氣層中,從而積聚起來。

礦井瓦斯在生成、儲集和運移過程中,因地質條件的不同,導致在橫向上和縱向上立體空間中的分布不均衡,從而造成不同地質塊段、不同煤層甚至是不同礦區(qū)的瓦斯分布不均衡。

2.1 瓦斯含量與地質構造的關系

2.1.1 斷層

地質斷層使得煤層的連續(xù)性受到破壞,改變了煤層瓦斯的排放條件。封閉性斷層在斷層面附近煤體破碎、構造應力集中,吸附瓦斯的能力增大,煤層含氣量相對增高,同時斷層面不導氣,在斷層附近形成了瓦斯富集區(qū)。開放性地質斷層則相反,由于斷層面具有開放特征,位于斷層面附件由于構造應力得以釋放變?yōu)榈蛪簠^(qū),使得煤層瓦斯大量解吸,斷層面成為瓦斯運移逸散的極好通道,從而使煤層含氣量急劇下降。地質斷層與瓦斯的賦存存在如下關系:①地質斷層兩側對接巖層若為砂巖與泥巖,容易對瓦斯形成橫向密封。但對接若是砂巖與砂巖巖性的巖層,并且斷層面上沒有塑性的斷層泥,那么斷層就不具有橫向密封作用;②瓦斯賦存與構造應力的方向和大小有關,壓性斷層利于瓦斯賦存,張性斷層利于煤層瓦斯逸散。

2.1.2 褶曲

地質的褶曲構造作用力來源于地應力,地層在強大的作用力下被擠壓彎曲變形,但巖層依然連續(xù)。褶曲的軸部具有封蓋性,其煤層中一般存在高壓瓦斯,傾伏煤層的背斜軸部與相同埋深翼部對比,傾伏背斜區(qū)域的瓦斯含量較高。但若背斜軸部出現(xiàn)裂隙,將會造成瓦斯大量釋放,使軸部瓦斯含量低于翼部瓦斯含量。向斜構造的軸部由于被地層的強力壓縮,因此軸部瓦斯明顯高于翼部。4304工作面基本沒有斷層,但存在較小的褶曲,因而該區(qū)域斷層、褶曲對瓦斯賦存影響不明顯。

2.2 瓦斯含量與頂?shù)装鍘r性的關系

煤層瓦斯的賦存受煤層圍巖透氣性好壞的直接影響,砂質泥巖與泥巖頂板透氣性差,對煤層瓦斯逸散起阻礙作用,不利于煤層瓦斯散逸,煤層瓦斯含量相較于其他巖性頂板較高;砂巖頂板透氣性好,瓦斯易于逸散,瓦斯含量則較低;裂隙及孔隙相對發(fā)育的砂巖、礫巖和灰?guī)r的透氣系數(shù)大,其透氣性系高數(shù)千倍于低透氣的泥巖、頁巖。

建新煤礦4-2煤層地層區(qū)劃隸屬鄂爾多斯地層分區(qū)延河地層小區(qū)。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,含煤地層一般厚度在85 m左右。煤系基底為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組灰綠色碎屑巖系,其上局部分布有厚約15 m的侏羅系下統(tǒng)富縣組紫雜色碎屑巖系;煤系上覆基巖為白堊系和侏羅系紫雜色碎屑巖系,因經受不同程度的風化剝蝕作用而厚度變化較大,其上覆蓋有厚度變化很大的第四系松散殘坡積物或沖洪積物。在漫長的地質歷史時期,由于沉積環(huán)境不同,局部地段延安組存在缺失,致使直羅組直接超覆于三疊系之上。4-2煤層的賦存層位,巖性主要為粉砂巖、碳質泥巖及粉砂質泥巖,具有明顯的2個次級沉積旋回,其中4-2煤層厚度大,分布穩(wěn)定,因此頂?shù)装鍘r性透氣性差,對瓦斯有一定的密封作用。

2.3 瓦斯含量與煤層厚度的關系

煤層作為瓦斯生成的物質基礎,但同時也是瓦斯賦存的載體。因此,在其他條件相似的情況下,煤層越厚,生成及保存的瓦斯越大,另一方面,在瓦斯壓力作用下,煤層中的瓦斯不斷地向圍巖逸散,在圍巖條件相同時,相同面積的煤體瓦斯散逸總量基本相同,基于此,一般情況下厚煤層區(qū)域瓦斯較大,薄煤層區(qū)域瓦斯含量相對較小。對不同煤層厚度與瓦斯含量進行擬合,其擬合公式如圖2所示。

圖2 瓦斯含量與煤層厚度之間的關系Fig.2 Relationship between gas content and coal seam thickness

4304工作面可采區(qū)煤層厚度6.2～12.6 m,平均9.6 m。該工作面4-2煤層內發(fā)育1～2層夾矸,單層厚度在0.2～0.3 m,平均0.6 m,巖性以泥巖和碳質泥巖為主,少量為粉砂巖。從圖2可以看出,煤厚與瓦斯含量呈線性正相關。煤厚直接影響著瓦斯含量,煤層厚度越厚,其瓦斯含量越大;煤層厚度越薄,其瓦斯含量越小。

2.4 瓦斯含量與煤層埋深的關系

針對不同埋深與瓦斯含量的關系,進行數(shù)據(jù)擬合,其擬合公式如圖3所示。

4304工作面4-2煤層賦存于延安組第一段下次級旋回的頂部,呈層狀產出,沿走向方向煤層底板呈由低至高之勢,煤層埋深433.88～810.98 m。隨著煤層埋深的增加覆巖層的地應力將逐漸增高,致使圍巖的透氣性變低,瓦斯與地表的距離變大,瓦斯在煤層中的運移變得困難,瓦斯得到了良好的封存,因此,瓦斯壓力、瓦斯含量將隨著煤層埋深的增加而逐漸增加。

2.5 瓦斯含量與煤層底板標高的關系

通過對4304工作面回風巷及運輸巷一側打孔,對煤層瓦斯含量進行測試并得煤層瓦斯含量,根據(jù)進風巷及回風巷地質實測剖面圖,結合煤層底板標高對其進行分析,如圖4所示。從圖中可以看出,4-2煤層測試區(qū)域底板標高在+810～+865 m之間,在中部凹陷處煤層傾角變小,平均不足3°,凹陷兩側煤層傾角變大平均為3°左右。4304工作面回風巷和運輸巷測試點煤層底板標高變化不大,但隨著煤層底板標高的增加瓦斯含量逐漸減小。

圖4 瓦斯含量與煤層底板標高之間的關系Fig.4 Relationship between gas content and floor elevation of coal seam

3 4304工作面瓦斯賦存規(guī)律

基于對建新煤礦4304工作面煤層的瓦斯賦存特征研究和建新煤礦4304工作面的地質資料分析,結合鉆孔瓦斯含量測定數(shù)據(jù),可以得到煤層的埋深是影響該工作面煤層瓦斯含量的主控因素。根據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù),采用Surfer 15軟件和AutoCAD軟件繪制瓦斯含量等值線,如圖5所示。Surfer 15是一款現(xiàn)代化的制作三維圖的軟件,在繪制等值線時,一般選用“克里格”插值法[10]。

圖5 4304工作面瓦斯含量等值線Fig.5 Isolines of 4304 working face’s gas content

由圖5可知,4304工作面運輸巷側向切眼呈現(xiàn)先緩慢增大后減小的過程,650～1 020 m處瓦斯含量較高,約在2.5～2.6 m3/t之間,回風巷側750～1 000 m處瓦斯含量較高,約在2.5～2.6 m3/t之間。經預測的瓦斯含量情況與掘進過程瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測情況基本一致,說明該瓦斯含量等值線圖反應的瓦斯含量變化規(guī)律較為準確。

4 結論

(1)建新煤礦瓦斯賦存的控制因素主要有地質構造、煤層埋深、煤層厚度、頂?shù)装鍘r性、底板標高,其對瓦斯賦存影響明顯。

(2)結合建新煤礦的地質條件和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知,瓦斯含量與煤層厚度呈線性正相關,煤厚直接影響著瓦斯含量,煤層越厚瓦斯含量越大;瓦斯含量隨埋深的增加而增大;瓦斯含量與底板標高呈負相關關系。

(3)根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),繪制瓦斯賦存規(guī)律等值線圖,4304工作面運輸巷側向切眼呈現(xiàn)先緩慢增大后減小的過程,650～1 020 m處瓦斯含量較高在2.5～2.6 m3/t之間,回風巷側750～1 000 m處瓦斯含量在2.5～2.6 m3/t之間,瓦斯賦存情況與巷道掘進過程監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致。