潘三礦13-1煤層瓦斯賦存規律及影響因素分析＊

王來斌 疏義國 沈金山 高錫擎

(1.安徽理工大學地球與環境學院,安徽省淮南市,232001;2.安徽省礦山地質災害防治重點實驗室,安徽省淮南市,232001;3.淮南礦業集團有限公司潘三礦,安徽省淮南市,232096)

潘三礦13-1煤層瓦斯賦存規律及影響因素分析＊

王來斌1,2疏義國3沈金山1高錫擎1

(1.安徽理工大學地球與環境學院,安徽省淮南市,232001;2.安徽省礦山地質災害防治重點實驗室,安徽省淮南市,232001;3.淮南礦業集團有限公司潘三礦,安徽省淮南市,232096)

通過對潘三礦地質構造、地質勘探鉆孔與采掘工作面實測瓦斯含量以及影響煤層瓦斯賦存因素的分析,研究了礦井13-1煤層瓦斯賦存規律。結果表明:井田瓦斯分布具有分區分帶的特點,瓦斯風化帶與瓦斯帶分界明顯,瓦斯帶瓦斯分布呈現出北低南高、東高西低規律。根據井田地質構造特征及煤層瓦斯運移與保存條件,可劃分為3個瓦斯地質單元,各瓦斯地質單元瓦斯含量隨埋藏深度增加而增加,具有明顯的正相關關系,控制瓦斯分布的因素主要有埋藏深度、地質構造、圍巖性質、構造煤等。

瓦斯含量 賦存規律 瓦斯單元 影響因素

1 引言

瓦斯是一種地質成因的氣體地質體,其生成、運移、賦存和富集同地質條件有密切關系,并受地質條件的制約。瓦斯災害嚴重威脅著煤礦安全,已成為我國煤礦安全的“第一殺手”。國內外大量研究資料表明,在同一井田范圍內,同一煤層由于地質條件的復雜性,煤層瓦斯賦存具有不均衡性,存在著明顯的分區、分帶特征。只有查清影響煤層瓦斯分布的地質因素,找出瓦斯分布的規律,才能有效地治理瓦斯,指導安全生產,避免瓦斯事故的發生。

潘三礦位于淮南煤田西北部,為一現代化特大型礦井。該井田主要含煤地層為二疊系山西組及上、下石盒子組,可采煤層12層,目前主要開采中、淺部13-1、11-2和8煤層。其中13-1煤厚度1.01～7.53 m,平均3.94 m,變異系數29%,為井田唯一穩定可采煤層,煤層結構簡單,一般有1～2層夾矸,位于煤層頂部或底部,巖性為炭質泥巖及泥巖。礦井投產以來共發生14次煤與瓦斯突出,13-1煤層13次,8煤層1次。為此,本文以礦井13-1煤層為例,研究煤層瓦斯分布特征,對影響瓦斯分布的地質因素進行分析,為深部煤層開采瓦斯災害的防治提供決策依據。

2 礦井地質構造特征

潘三礦井田構造位于淮南復向斜潘集背斜南翼西部,總體形態為一單斜構造。地層走向為NWW-SEE,地層傾角一般為5～10°,呈淺部陡、深部緩的趨勢。井田褶曲與斷裂構造發育,構造發育規律主要表現為以下幾點。

(1)受區域性構造應力影響,井田內發育一組次級褶曲,即董崗郢次級向斜和葉集次級背斜,兩者軸向大致平行,近于東西向,貫穿全井田與潘集背斜軸成15～20°夾角相交,向西傾狀,傾伏角3～5°。

(2)斷裂構造極其發育,共發現斷層274條,其中正斷層222條,逆斷層52條,以正斷層為主,落差大于或等于10 m斷層67條,落差小于10 m的207條。斷層走向以NWW或NW向為主,NE向次之。落差大、延伸長的主斷層(組)走向主要為NWW或NW向,與褶曲軸走向基本一致或相近,展布形式呈斷續狀或接力狀,正、逆斷層均有發育,反映了井田相應的構造作用與力學性質,如F1斷層、F1-1-F24-F26斷層組、F5-F47-F49斷層組。小斷層(落差小于10 m)以正斷層為主,斷層方向以NE向為主,延伸長度不大,多以孤立的小斷層出現。

(3)構造分區具有南北分帶性和東西分區性。以F1-1-F26-F24斷層組和F5-F47-F49斷層組為界可劃分為北部、中部和南部3個帶。北部復雜帶的地質構造復雜,大中型斷層多,斷層密度大;中部過渡帶為寬緩的向斜構造,地層平緩,一般在5～10°之間,地質構造較北部簡單;南部簡單帶為礦井深部,斷層不發育,斷層密度較小。以十二勘探線為界分為東區和西區,東區以正斷層為主,西區以逆斷層為主。

3 煤層瓦斯分布規律

3.1 瓦斯含量測定

潘三礦地勘期間和礦井生產期間進行了大量瓦斯含量測試,其中地勘期間對65個鉆孔采集了75個瓦斯樣品,生產期間在16個采掘工作面采集了42個瓦斯樣品,瓦斯樣品采集深度為-450～-800 m。75個鉆孔瓦斯樣品中,有10個是各自從同一鉆孔煤芯中重復采集的平行樣品,瓦斯含量值取兩個平行樣品的瓦斯含量平均值。從測試結果來看,瓦斯成分甲烷含量為0%～94.61%,瓦斯含量為0～14.52 m3/t。

3.2 瓦斯含量分布特征

(1)瓦斯分區分帶性明顯。在煤層傾向上,沿煤層露頭向深部依次出現瓦斯風化帶和瓦斯帶,兩帶分界大致在F1-1-F26-F24斷層組一線附近,煤層底板標高大約為-550 m。煤層底板標高-550 m以淺屬瓦斯風化帶,瓦斯成分甲烷含量小于80%,瓦斯含量在3.0 m3/t以下。-550 m以深屬瓦斯帶,瓦斯成分甲烷含量大于80%,瓦斯含量在3.0～14.52 m3/t。在煤層走向上,以十二勘探線為界分為東區和西區,東區瓦斯含量明顯高于西區,在相同標高處東區瓦斯含量一般比西區高出2 m3/t,且瓦斯含量遞增梯度也大,掘進及回采過程中13次瓦斯動力現象均發生在東區。

圖1 潘三礦13-1煤層埋深與瓦斯含量相關關系

(2)瓦斯含量分布特征。總體上來看,潘三礦13-1煤層的瓦斯含量總體上隨著煤層埋深的增大呈增大趨勢,但相關性并不明顯,相關系數R2=0.3673,潘三礦13-1煤層埋深與瓦斯含量相關關系見圖1。由圖1可見,不能簡單地在全井田內討論瓦斯含量與煤層埋深之間的關系。根據井田地質構造特征及煤層瓦斯運移與保存條件,按瓦斯地質單元研究瓦斯含量分布特征,將井田劃分為3個瓦斯地質單元。

瓦斯地質單元Ⅰ北至瓦斯風化帶,南至董崗營次級向斜軸,實測瓦斯含量值18個;瓦斯地質單元Ⅱ北至董崗營次級向斜軸,南至井田南邊界,東至井田東邊界,西至十二勘探線,實測瓦斯含量值60個;瓦斯地質單元Ⅲ北至董崗營次級向斜軸,南至井田南邊界,西至井田西邊界,東至十二勘探線,實測瓦斯含量值22個。通過3個單元的瓦斯含量與煤層埋深回歸分析,顯示出明顯的正相關關系,見表1。單元煤層埋深與瓦斯含量相關關系見圖2～4。表1列出的3個數學模型,基本反映了井田13-1煤層瓦斯分布的總體分布特征。

表1 13-1煤層瓦斯含量分布數學模型

4 影響瓦斯分布的因素

(1)煤層埋深對瓦斯賦存的影響。煤層埋藏隨深度增加,地應力不斷增高而使煤層和圍巖的透氣性降低,同時瓦斯向地表運移的距離也增大,有利于瓦斯的封存,不利于瓦斯的逸散,因此,表現出瓦斯含量隨著煤層埋藏深度增加而逐漸增大。3個瓦斯地質單元瓦斯含量均表現出與埋藏深度呈線性正相關關系。采掘實踐也表明,煤層埋藏深度是控制煤層瓦斯賦存的主要因素。

圖2 單元Ⅰ煤層埋深與瓦斯含量相關關系

(2)地質構造對瓦斯賦存的影響。地質構造往往對煤層的瓦斯賦存條件具有顯著的控制作用,控制著煤層瓦斯的自然流場,并使瓦斯自然流場復雜化,是造成煤層瓦斯賦存分區分帶特征的主要原因。潘三礦整體上為一單斜構造,在單斜構造背景上發育有次級褶曲與斷裂構造,斷層空間分布極不均勻。董崗營次級向斜軸以北瓦斯地質單元Ⅰ地層產狀較陡,大中型斷層發育,斷距大、延伸長,是煤層瓦斯運移良好通道,瓦斯在垂向和側向上運移、逸散條件相對較好,瓦斯含量較低。向斜軸以南瓦斯地質單元Ⅱ、Ⅲ煤層產狀平緩,大中型斷層欠發育,小斷層斷距小、延伸短,對煤體結構破壞嚴重,煤層透氣性大大降低,有利于煤層瓦斯保存,瓦斯含量較高。

(3)圍巖性質對瓦斯賦存的影響。圍巖對煤層瓦斯的控制作用主要取決于煤層頂板,煤層頂板巖性直接影響煤層瓦斯的保存條件。透氣性好的砂巖頂板,有利于煤層瓦斯的逸散,煤層瓦斯含量相對較低;透氣性差的泥巖、砂質泥巖頂板,對煤層瓦斯的逸散起阻礙作用,含量則相對較高。據鉆孔及礦井生產揭露資料,13-1煤層直接頂板主要為泥巖、砂質泥巖與中細砂巖。13-1煤層頂板巖性分布示意圖見圖5,其中瓦斯地質單元Ⅱ煤層頂板巖性以泥巖與砂質泥巖為主,瓦斯保存條件較好;瓦斯地質單元Ⅲ煤層頂板巖性頂板以中細砂巖為主,瓦斯保存條件相對較差。因此,在煤層走向上相同標高單元Ⅱ瓦斯含量明顯高于單元Ⅲ。

(4)構造煤對瓦斯賦存的影響。構造煤是原生結構煤在構造應力作用下形成的變形煤,通常具有孔隙度大、高吸附能力、低透氣性特點,有利于瓦斯的保存,因而煤層中瓦斯含量高,常把構造煤比作瓦斯包。通過鉆孔測井曲線判識與井下實際觀測,發現13-1煤層構造軟煤普遍發育,多分布在煤層的中下部,呈現出深部較淺部發育。13-1煤層構造煤厚度等值線圖見圖6。瓦斯地質單元Ⅱ比單元Ⅲ構造煤更為發育,因構造煤的滲透性差,易產生瓦斯積聚,使煤層的瓦斯含量較高,也是發生煤與瓦斯突出的重要原因。

5 結論

(1)潘三礦地質構造復雜,褶曲與斷裂構造發育,構造分區具有南北分帶性和東西分區性特征。地質構造特征及煤層瓦斯運移與保存條件,井田可分為3個瓦斯地質單元。

(2)13-1煤層瓦斯含量分布總體上由北向南、由淺而深瓦斯含量逐漸增大,但存在著明顯的分區、分帶特征。在煤層傾向上具有分帶性,煤層底板標高大約-550 m以淺為瓦斯風化帶,-550 m以深為瓦斯帶。在煤層走向上具有分區性,東區瓦斯含量明顯高于西區,在相同標高處東區瓦斯含量一般比西區高出2 m3/t,且瓦斯含量遞增梯度也大。

(3)煤層埋深、地質構造、圍巖性質和構造煤發育是影響煤層瓦斯賦存的主要因素。

[1] 孟中澤,劉明舉,孟磊等.淮南礦區C13-1煤層構造軟煤分布特征及其主控因素分析[J].中國煤炭,2010(2)

[2] 張子敏,張玉貴.瓦斯地質規律與瓦斯預測[M].北京:煤炭工業出版社,2005

[3] 張子敏.瓦斯地質學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009

[4] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業大學出版社,1992

[5] 曹運興.瓦斯地質單元法預測瓦斯突出的認識基礎與實踐[J].煤炭學報,1995(增刊)

[6] 魯玉芬,陳萍,唐修義.淮南煤田潘一井田13-1煤層瓦斯含量特征[J].煤田地質與勘探,2006(2)

[7] 石慶禮,楊勝強.化樂一礦6煤組瓦斯壓力特征及分布規律[J].煤炭科學技術,2010(8)

[8] 湯友誼,畢永濤,繩本福.鄂莊煤礦2煤層瓦斯地質規律研究[J].焦作工學院學報(自然科學版),2001(4)

[9] 陳良立,劉慶獻,李惠杰等.禹州煤田梁北二井山西組二1煤瓦斯地質特征[J].河南理工大學學報(自然科學版),2008(2)

[10] 岳殿召.瓦斯地質研究在平頂山一礦生產中的應用[J].煤炭科學技術,2008(1)

Analysis of regularity and it’s influencing factors of gas occurrence in seam 13-1 of Pansan Mine

Wang Laibin1,2,Shu Yiguo3,Shen Jinshan1,Gao Xiqing1
(1.College of Earth&Environment,Anhui University of Science&Technology,Huainan,Anhui 232001,China;2.Key Laboratory of Mine Geological Hazard Control,Huainan,Anhui 232001,China;3.The No.3 Coal Mine,Huainan Mining Group Corp.Ltd.,Huainan,Anhui 232096,China.)

Analysis of the geological structures,geological exploration drilling,gas content measured at working faces and factors influencing gas occurrence revels the regularity of gas occurrence in seam 13-1.It indicates that the gas occurrence in the minefield varies from zone to zone with a clear boundary between the gas weathered zone and the gas zone.Gas content tends to be higher in the eastern and southern parts of the gas zone and lower in the western and northern parts.The minefield may be divided into 3 gas geological units in light of the minefield’s geological features and conditions for gas migration and storage in the seam.The gas content in each gas geological unit presents a clear positive correlation with the buried depth-the greater the depth the higher the gas content.Main factors influencing gas distribution include buried depth,geological structure,characteristics of wall rock,deformed coal,etc.

gas content,regularity of occurrence,gas unit,influencing factor

TD712

A

國家自然科學基金資助項目(40972105)

王來斌(1967-),男,安徽和縣人,副教授,博士,主要從事礦井地質、瓦斯地質等教學與研究工作。

(責任編輯 張艷華)